基于MEMS的微小型嵌入式航姿系统的实现

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要微小型无人机由于小型化和低成本的优点，在军事和民用领域得到了快速发展。航姿系统的稳定是确保无人机飞行安全的前提，而传统的无人机航姿系统并不适合微小型无人机使用，因此研制适合其使用的小型化、低成本和低功耗的嵌入式航姿系统具有重要的理论价值和实用价值。针对MEMS陀螺漂移导致姿态发散和高动态环境下加速度计/磁力计测姿误差大的问题，构建了基于MEMS陀螺/加速度计/磁力计/GPS组合的嵌入式航姿系统。在保证航姿系统性能的前提下，以小型化、低功耗和低成本为设计原则，采用“DSP+MEMS惯性元件”架构作为硬件平台，分析设计了SPI、SCI、SRAM和FLASH扩展

2、电路，并进行了相应驱动设计。在硬件平台上研究了四元数扩展卡尔曼滤波算法，利用该算法进行姿态融合，有效抑制MEMS陀螺漂移导致的姿态发散；通过采用GPS速度信息实时补偿加速度计输出的方法，有效解决高动态环境下加速度计/磁力计测姿误差大的问题。采用数字仿真验证了四元数扩展卡尔曼滤波算法的性能，有效解决了姿态发散问题；通过半物理仿真实验证明了所设计的航姿系统能够满足微小型无人机的要求，实现了以小型化、低功耗和低成本构建满足微小型无人机要求的航姿系统的目标。为后续进行微小型无人机飞行控制的研究奠定了坚实基础。关键词：微小型无人机，航姿系统，MEMS陀螺，DSP，扩展卡尔曼滤波算法i基于MEMS的

3、微小型嵌入式航姿系统的实现ABSTRACTDuetotheadvantageofmicromation,smallsizeandlowcost,MicroUnmannedAerialVehicle(MUAV)hasdevelopedrapidlyinthemilitaryandcivilianareas.ThestabilityofattitudeheadingsystemisthepremiseofUnmannedAerialVehicle’ssafeflight,butthetraditionalattitudeheadingsystemisnotforMUAV.Thus,todev

4、eloptheattitudeheadingsystemwithmicromation,smallsizeandlowcostforMUAVistosolve.Aimingatattitudedivergenceandattitudeerrorfromaccelerometersandmagnetometer,theattitudeheadingsystembasedonMEMSsensors,suchasgyroscope,accelerometer,magnetometerandGPShasbeendesignedandimplemented.Onthepremiseofperfor

5、mancethehardwaresystemofMEMSsensors+DSPhasbeendesignedbasedonSPI,SCI,SRAMandFLASHandthedriverhasbeendesigned.Theextendkalmanfilterbasedonquaternionisusedasatheoreticalbasis.Theextendkalmanfilterhasbeenusedforattidudeinformationfusiontopreventattitudedivergence.Thegravitationalvectorisobtainedtoge

6、thorizontalattitudebycompensatingtheoutputsofaccelerometerswithGPS’svelocityaimingattheattitudeerrorfromaccelerometersandmagnetometer.Themodelingandsimulationhasshowedthattheextendkalmanfiltercaneffectivelyimprovethesystemaccuracyandstability.Thehardware-in-the-loopsimulationshowsthattheattitudeh

7、asmeettherequirementsofattitudeheadingsystemandthegoalofestablishingtheattitudeheadingsystemwithsmallsize,lowcosthasbeenachieved.ItlaysasolidfoundationonsubsequentresearchanddevelopmentofMUAVflightcontrol.Keywords:micr