基于MEMS的高精度姿態(tài)檢測系統(tǒng)設計.pdf

1、基于MEMS的姿態(tài)檢測系統(tǒng)是一種新型慣性測量設備，能夠實時提供載體橫搖、縱搖和航向等姿態(tài)信息，具有成本低、體積小、功耗低、便攜性好等優(yōu)勢。因此，近幾年在生活、生產中都得到廣泛應用。但是相比基于光學傳感器的姿態(tài)檢測系統(tǒng)精度較低，難以應用在船舶、飛行器等領域應用。然而，通過提高MEMS器件機械結構精準度的方法來提高測量精度難以實現。因此，通過軟件進行誤差補償，提高器件使用精度是急需解決的問題。另外，擴展系統(tǒng)數據通信功能，保證系統(tǒng)在實際應用中

2、的便捷性，也是值得關注的問題。
　　本文針對姿態(tài)檢測系統(tǒng)中MEMS器件誤差補償、系統(tǒng)姿態(tài)解算算法、硬件電路及軟件程序四方面展開設計。論文的主要工作如下:
　　首先，介紹課題研究的目的與意義，分析國內外發(fā)展現狀和需要解決的關鍵技術;根據系統(tǒng)需求完成MEMS器件選型，使用FXAS21002C三軸數字陀螺儀和FXOS8700CQ六軸傳感器敏感載體姿態(tài)信息;設計FIR濾波器減小MEMS陀螺儀隨機誤差;建立傳感器安裝誤差、標度因數誤差

3、模型，完成傳感器標定及校正;通過應用人工魚群算法，實現了MEMS陀螺儀的溫度補償;通過MATLAB軟件完成系統(tǒng)數據計算，得到以上三種誤差補償的相關參數。對器件進行誤差補償，保證姿態(tài)解算數據的可靠性。
　　其次，提出姿態(tài)解算算法的總體設計方案，通過對比四元數法和旋轉矢量法在解算時產生的誤差，選擇四元數法進行姿態(tài)解算;設計初始對準算法，為系統(tǒng)提供初始四元數;為提高系統(tǒng)動態(tài)性能并減小四元數累積誤差，基于地磁傳感器和加速度計，設計了多傳感

4、器融合的擴展卡爾曼濾波算法。
　　再次，提出姿態(tài)檢測系統(tǒng)硬件平臺設計方案，設計電源管理電路為系統(tǒng)提供電能，采用Kinetis60單片機作為核心控制器，對MEMS傳感器采集的姿態(tài)信息進行轉換和解算。除此之外，基于核心控制器內部集成的SDHC模塊開展SD卡存儲電路設計;完成基于TCP/IP協(xié)議的WI-FI通信模塊設計;采用UART通信方式實現GSM模塊與核心控制器數據互傳;實現基于模擬SPI的LCD顯示功能。
　　最后，設計核心