基于MEMS器件的低成本微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1．2 信號采集處理與傳輸模塊
根據(jù)慣性傳感器特性，在留有余度的基礎(chǔ)上選用16位高精度A／D采集芯片ADS8344，其8個(gè)通道循環(huán)采樣，轉(zhuǎn)換速率可調(diào)且最大為100 kHz，采用SPI接口與CPU通信?？紤]運(yùn)算速度及方便使用，CPU選擇ADI公司的ADuC842單片機(jī)，該單片機(jī)主頻可達(dá)16．67 MHz，片上自帶8路12位A／D，可用于溫度傳感器信號的采集，并完成陀螺和加速度計(jì)信號的讀取、預(yù)處理以及溫漂補(bǔ)償?shù)炔僮鳎罱K通過RS 232與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通信。
1．3 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)
捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航算法非常復(fù)雜，運(yùn)算量很大，需建立“數(shù)學(xué)平臺”以代替平臺慣導(dǎo)的機(jī)械平臺。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，選擇臺灣昭營科技的主頻1．2 GHz，內(nèi)存512 MB的嵌入式小型計(jì)算機(jī)eBox4850作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，可以很好地滿足要求。
2 信號預(yù)處理
微慣性傳感器，尤其是微陀螺技術(shù)目前還不是很成熟，低成本的MIMU在性能和精度上都存在較大的缺陷，野值比較明顯，噪聲水平也比較高。利用先前已在MEMS陀螺降噪方面所做的工作，在此先在單片機(jī)中對信號做預(yù)處理，再利用降噪算法在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中進(jìn)行陀螺降噪，最后完成導(dǎo)航解算，以獲得較好的處理效果?？紤]單片機(jī)系統(tǒng)的處理能力及實(shí)時(shí)性，本文采用均值濾波算法做預(yù)處理，即對每組采集的7個(gè)數(shù)據(jù)，首先去除最大值x(1)和最小值x(7)，剩余數(shù)據(jù)記為x(2)，x(3)，x(4)，x(5)，x(6)；然后將x(2)，x(3)的均值，x(3)，x(4)，x(5)的均值，x(5)，x(6)的均值再平均后作為預(yù)處理后的輸出數(shù)據(jù)。
目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到眾多導(dǎo)航設(shè)備中。姿態(tài)更新計(jì)算是捷聯(lián)式慣導(dǎo)的關(guān)鍵算法，主要有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法。其中四元數(shù)法具有計(jì)算量小、精度高、可避免奇異性等優(yōu)點(diǎn)，本文采用此方法作為姿態(tài)更新算法。圖2、圖3為陀螺及加速度計(jì)靜態(tài)信號在數(shù)據(jù)預(yù)處理前后在Matlab中的仿真圖，由圖可見，均值濾波預(yù)處理算法效果較好，其中的奇異值基本消除。
3 捷聯(lián)解算(SINS)
在此設(shè)計(jì)的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖如圖4所示。將MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)直接固聯(lián)在運(yùn)載體上，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)依靠算法建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，即平臺坐標(biāo)系以數(shù)學(xué)平臺形式存在，省略了復(fù)雜的物理平臺，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/162532.htm
3．1 姿態(tài)矩陣
設(shè)導(dǎo)航坐標(biāo)系為n，運(yùn)載體坐標(biāo)系為b，俯仰角δ、橫滾角θ、航向角φ，由導(dǎo)航坐標(biāo)系至運(yùn)載體坐標(biāo)系的姿態(tài)變化矩陣為：
3．2 四元數(shù)即時(shí)修正及歸一化
設(shè)載體坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)為公式(1)，其中Wx、Wy、Wz為經(jīng)過補(bǔ)償后的3軸捷聯(lián)MEMS陀螺輸出。
在更新過程中，由于存在計(jì)算誤差，姿態(tài)矩陣成為非正交陣，因此需要正交化處理以消除非正交引起的算法誤差，處理方法為用式(3)中的替換Q中的相應(yīng)qi即可。
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