基于MEMS陀螺的地平仪设计与实现

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于MEMS陀螺的地平仪设计与实现硕士研究生：田伟指导教师：韩云涛讲师学科、专业：控制科学与工程论文主审人：何昆鹏副研究员哈尔滨工程大学2018年1月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于MEMS陀螺的地平仪设计与实现硕士研究生：田伟指导教师：韩云涛讲师学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.En

2、gDesignandimplementationofthehorizonsensorbasedonMEMSgyroscopeCandidate:TianWeiSupervisor:R.HanYuntaoAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlscienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程

3、大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的

4、复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：导师(签字)：日期：年月日年月日基于MEMS陀螺的地平仪设计与实现摘要地平仪凭借其独特的功能，一直以来都作为首要的飞行仪表，被称为“仪表之王”，任何的飞行器或者航天器

5、都得配备该仪表装置，在航天航空等领域发挥着重要作用，随着航空仪表的发展，传统的地平仪是由机械式陀螺仪构成的，因为体积大，可靠性较差，很难满足其小体积、低成本和高精度的性能要求。惯性导航技术凭借其自主性的优势可以在任何严苛的环境下，无需外界辅助设备就能实现运载体的各种导航信息测量（姿态、速度以及位置等），其中，MEMS(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)器件具备优越的性能指标被广泛应用于姿态测量系统中。针对传统地平仪系统的缺点，本文设计了一套基于MEMS陀螺的地平仪系统，该系统能够不依赖外界信息、完全自主地精确测量运载

6、体的运动姿态信息，具备小体积、低成本及可靠性高等特性，除了可以应用于航空航天领域，还可以应用于稳定平台、海洋装备、汽车智能电子等领域。本文的主要工作如下：(1)姿态解算算法设计与仿真分析。在传统的Mahony互补滤波算法的基础上，设计了改进型自适应Mahony互补滤波算法，同时，建立了系统的扩展卡尔曼滤波算法模型，通过仿真试验，得出所设计的改进型自适应Mahony互补滤波算法比扩展卡尔曼滤波算法更加适应飞行条件。(2)基于MEMS陀螺的地平仪系统总体设计与实现。先根据系统的指标要求对系统主要器件进行了选型，然后对系统进行了硬件平台搭建与软件系统设计。该系统

7、硬件平台主要分为三个部分，分别是惯性导航系统板和惯性测量单元安装板以及电源模块，惯性导航系统板主要采集传感器的数据，通过姿态解算，将姿态信息通过串口RS-232发送出去；惯性测量单元安装板是为了实现系统的分部级设计，将惯性测量单元固连在外壳底部，用转接板来实现惯性测量单元与惯性导航系统板间的通讯；电源模块实现对系统各个模块进行供电。软件系统设计包括系统初始化、IMU数据采集与标定、姿态解算与数据发送。(3)系统试验验证。为了验证系统的实际性能指标，进行了电气接口测试试验、高低温试验、静态转台试验、跑车试验以及飞行试验等一系列试验。测试结果为：静态状态下的姿

8、态精度0.2°；动态状态下的姿态精度在3°以内。各项实验数据表明地