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1、华中科技大学 硕士学位论文 惯性导航系统姿态信息校正设计 姓名：陆鹏 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：龚荣洲 2011-01-10 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 姿态信息是导航所需的重要参数，航天器和飞机正常工作的前提，姿态失控意 味着航天器失效。姿态控制首先要进行姿态测量，通常是由陀螺来估计姿态。但是 传统的陀螺价格高昂和大体积限制了其应用场合，而 MEMS 陀螺又精度较低，并且 陀螺漂移会在短时间内引起较大的姿态误差。针对以上问题，本文采用了借助磁阻 传感器和 MEMS 加速度传感器来校正陀螺姿态信息的方案
2、， 并以 ARM7 架构的处理 器 LPC2103 为核心，构建了姿态信息校正系统的硬件平台，进行了相关软硬件设计 与实验。 论文首先概述了地磁导航的发展现状，并根据地磁导航原理原理推导了利用磁 阻传感器和 MEMS 传感器获得载体姿态信息的方法：采用三轴加速度传感器获得载 体加速度信息并求得俯仰角、横滚角，再通过三轴磁阻传感器获得的地磁信息和借 助方向余弦矩阵求得载体航向角。开发了姿态校正系统的软、硬件设计方案，并制 作出原理样机实物。在硬件设计中，介绍了传感器和主处理器的特点，完成了电源 管理模块、信号调理模块、置位/复位模块、LCD 模块的电路设计和 PCB 电磁兼容 设计。在软件设计中
3、，通过对传感器信号采集、防电磁脉冲干扰滤波、姿态信息解 算实现在 LCD 上以图形和文本方式直观显示姿态信息。还分析了系统传感器误差产 生机理，并进行误差补偿试验。 实验结果表明，系统姿态信息误差约为 1，基本达到预期目标。 关键词：导航 姿态测量 误差补偿 加速度传感器 磁阻传感器 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Attitude information is an important parameter in the navigation system and is the prerequisite for spacecraf
4、t and aircraft working. Attitude control failure means that the spacecraft malfunctions. Attitude control needs attitude measurement first, which is usually estimated by the gyroscope. But the high cost and large volume of traditional gyroscope limits its applications and the precision of MEMS gyros
5、copes is low. Gyroscopes drift will also cause large attitude error in short time. To solve the above problems, this paper presents solutions of calibrating the gyroscopes attitude information with magnetoresistive sensor and MEMS acceleration sensor and constructs attitude information correction ha
6、rdware platform based on ARM7-core processor LPC2103. A series of designs and experiments were carried out in the paper. First, this paper described the development situation and theory of geomagnetic navigation, based on which a method of getting attitude information with magnetoresistive sensors a
7、nd MEMS sensors was put forward: 3-axis accelerometer sensor gave accelerometer vector information, by which the pitch and rool angles were measured, and then with the help of the geomagnetic components given by magnetoresistive sensor, the pitch angle was measured. Software and hardware solutions o
8、f the sttitude correction system was proposed and realized. In the hardware design part, the characteristics of the sensor and the host processor were introduced ,the power module, signal processing module , set / reset module and LCD module, circuit design and PCB EMC design were designed ; In soft
9、ware design, sensors signal acquisition, anti-electromagnetic pulse interference filter , attitude information calculation were realized and attitude information was displayed on the LCD with graphics and text mode .In addition ,the mechanism of the system sensors error was discussed and the error c
10、ompensation test was made. The experimental results showed that the attitude information system error was about 1, which achieved the desired objectives basically. Key word: Navigation Attitude measurement Error compensation Accelerometer sensor Magnetoresistive sensor 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师
11、指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本
12、学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 地磁导航发展现状地磁导航发展现状 1.1.1 导航系统介绍导航系统介绍 引导载体沿指定航线从起始地点到达目的地的方法叫导航。速度、实时位置、 姿态信息等是导航所需的基本参数。其中，载体姿态信息包括俯仰角、横滚角和航 向角，是导航的关键参数，直接关系到载体的准确性、安全性和经济性。 随着科学技术的发展，采用最优化的估计理论，使得
13、两种或两种以上导航技术 组合在一起，从而构成最佳的组合导航系统，逐渐成为导航技术的主流研究方向1。 目前，使用最普遍的导航方式有：惯性导航、多普勒导航、卫星导航和星光导航。 这些导航方式都可以连续实时提供位置信息，指导正确航行方向的导航参数，下面 对其做简单介绍： 惯性导航：惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学基础上的，是一种 利用安装在载体上的陀螺传感器和加速度传感器来测定载体位置的系统。它通过陀 螺测量敏感载体相对于惯性参考系的旋转运动，这样可以把载体加速度传感器测量 的加速度信息分解到参考坐标系，然后进行积分获得载体速度，再积分获得载体航 行距离，在已知载体起始位置的情况下就可得到
14、载体实时位置。惯性导航系统是一 种完全自主的导航系统，即不向外发射信号，也不从外部接收信号，隐蔽性好，全 天时。以上优点使得惯性导航广泛应用于航空航天等领域，并成为主要的导航方法。 但其工作时间越长， 积累误差越大， 特别是位置误差， 因而难以长时间独立地工作2。 卫星导航：卫星导航系统是利用导航卫星发射无线电信号，求出载体相对卫星 位置，再根据已知的卫星相对地面位置，计算并确定载体在地球所处位置的技术， 通常由导航卫星、地面站和用户定位设备三个部分组成。目前，世界上已经建成和 正在建设的共有 4 大卫星导航系统，分别为美国的 GPS 卫星导航系统、俄罗斯的 Glonass 卫星导航系统、欧盟
15、的伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统。卫 星导航系统具有定位精度高、观测时间短、接收端智能化、全天时、多功能等优点。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 但其在中纬度地区性能恶化，存在盲区，载体高机动时响应不灵敏，对卫星要求高， 容易被干扰，从国家安全角度讲，卫星导航不能作为唯一的导航设备使用3。 多普勒导航：多普勒导航系统是根据多普勒效应测定多普勒频移，从而计算载 体与地球的相对速度，然后通过对速度积分运算求得载体航行距离，从而实现实时 定位，和惯性导航原理一样。多普勒导航优点是速度测量精度高，全天时，无需地 面设备配合工作。但其地位误差随时间
16、积累增加，容易被跟踪，对于军用来说比较 不利4。 星光导航：星光导航系统是利用视场中的恒星成像在探测器上，得到观测星星 图，然后通过星图识别载体本体坐标相对恒星坐标位置，从而得到航天器姿态信息， 并根据载体加速度信息确认载体位置，类似惯性导航原理。星光导航具有全天时， 长时间精度高。但其发展是以航天器和卫星发展为前提，应用范围窄5。 综上所述，惯性导航、卫星导航、多普勒导航、星光导航在进行导航定位时各 有利弊，能否寻找一种性价比高的导航方式，与上述几种导航方法融合并取长补短 成为当今人们研究的热门课题。近年来，在汽车、消费电子等市场领域推动下，磁 传感技术和 MEMS 技术得到飞速发展，从而出现了利用磁传感器测量地磁场来自主 导航的新技术。 1.1.2 地磁导航发展现状地磁导航发展现状 2006 年，美国 Goodrich 公司采用三维地磁矢量匹配在飞机上实现了高精度导航 定位6。 霍尼韦尔有一类产品是把磁阻传感器和 MEMS 加速度传感器集成在一个 IC 中， 现在它已经被大量应用。还有一类集成
