基于MEMSIMU的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)研究

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1、基于MEMSIMU的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)研究哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文基于MEMS-IMU的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)研究姓名：姜朋中請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):控制工程指導(dǎo)教師:趙琳2012-06基于.的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)研究摘要慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)?？，技術(shù)地不斷進(jìn)步，慣性器件的精度和穩(wěn)定性逐步提高,基于？的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其成本低、體積小、功耗低的特點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。然而，由于慣性器件的精度較低，由其構(gòu)成的慣導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)完成導(dǎo)

2、航定位任務(wù),而引入信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤:差修正，可以很好的解決這個(gè)問題，同時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的短時(shí)獨(dú)立導(dǎo)航功能又能彌補(bǔ)號(hào)容易丟失的缺陷。本文圉繞著捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用展開研究,利用磁強(qiáng)計(jì)和:輔助捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供系統(tǒng)定姿和導(dǎo)航性能。主要研究?jī)?nèi)容如下：?研究了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本工作原理和解算流程，對(duì)比分析了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中三種傳統(tǒng)的姿態(tài)更新算法，針對(duì)工程應(yīng)用和陀螺儀的特性，選擇了四元數(shù):法作為姿態(tài)角更新算法。對(duì)靜止條件下的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)算法進(jìn)行了理論仿真和誤差分析，針對(duì)慣性測(cè)量元件課差較大的情況進(jìn)行了仿真,結(jié)果證明慣性器件

3、無(wú)法直接使用傳統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)算法進(jìn)行導(dǎo)航解算。?針對(duì)陀螺儀精度較低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的組合定姿方案。通過對(duì)磁強(qiáng)計(jì)和加速度計(jì)的觀測(cè)值進(jìn)行幾何求解獲得姿態(tài)角，并通過卡爾曼濾波對(duì)陀螺儀求出的姿態(tài)角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。利用公司的微慣性測(cè)量組合系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，驗(yàn)證了該組合定姿方案的實(shí)用性。?構(gòu)建了基于?/磁強(qiáng)計(jì)/的松組合導(dǎo)航系統(tǒng),磁強(qiáng)計(jì)和加速度計(jì)用來確定載體的初始姿態(tài)角，的導(dǎo)航定位信息用來對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度和位置進(jìn)行誤差修正。經(jīng)過理論仿真證明了該組合方案的可行性，通過跑車實(shí)驗(yàn)進(jìn)一

4、步驗(yàn)證了該組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有可靠的導(dǎo)航定位功能。關(guān)鍵詞:微機(jī)電系統(tǒng);組合定姿;卡爾曼濾波;組合導(dǎo)航9??9??,??9、?9?,???/'/,?y?哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.;????第章緒論第章緒論慣性導(dǎo)航技術(shù)最早起源于第二次世界大戰(zhàn)期問。隨著現(xiàn)代制造工藝地發(fā)展，慣性器件的精度越來越高，新型慣性器件不斷涌現(xiàn)，慣性導(dǎo)航技術(shù)正在更加廣泛地滲透二海陸空各種運(yùn)載體和設(shè)備之中。木章首先對(duì)課題研究的背景和意義做了簡(jiǎn)單介紹,然后結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究狀況給出了本文的研究?jī)?nèi)容。?課題的背景和意義導(dǎo)航的歷史由來已

5、久，古羅馬人在很早的時(shí)候就利用北極星和太陽(yáng)的位置作為參照橫渡地中海，屮國(guó)古代指南針的發(fā)明更是為人類導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。從現(xiàn)代科學(xué)定義的角度分析，導(dǎo)航是正確引導(dǎo)運(yùn)載體沿著預(yù)定的航線在規(guī)定的時(shí)問從起始點(diǎn)到達(dá)目的地的技術(shù)或者方法，用來完成上述引導(dǎo)任務(wù)的設(shè)備包括載體上和地面上的設(shè)備系統(tǒng)稱為導(dǎo)航系統(tǒng)-O按照導(dǎo)航系統(tǒng)是否需要外界參考信息，可以將導(dǎo)航分:勾自主式導(dǎo)航和非自主式導(dǎo)航兩種【。自主式導(dǎo)航主要指慣性導(dǎo)航，,非自主式導(dǎo)航主要包括天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最關(guān)鍵的兩個(gè)部件是陀螺儀和加速度計(jì)。陀

6、螺儀用來量測(cè)載體生慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度,加速度計(jì)用來量測(cè)載體的線加速度，而后，通過轉(zhuǎn)換和積分便可以獲得載體的姿態(tài)、速度和位置等導(dǎo)航信息。早期的陀螺儀由于干擾力矩較大,精度很低，在工程應(yīng)用中十分有限。直到世紀(jì)年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院德雷柏實(shí)驗(yàn)室成功研制出液浮陀螺儀,才使陀螺儀真正意義上達(dá)到了慣性導(dǎo)航的要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主、隱蔽的特點(diǎn)，工作過程中不需要與外界環(huán)境進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)能夠不受天氣環(huán)境影響，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行三維定位和三維定向【。慣性導(dǎo)航自主隱蔽的特性使其在軍事應(yīng)用中得到廣泛發(fā)展，從飛機(jī)、導(dǎo)彈到潛艇、艦船

7、,慣性導(dǎo)航的身影無(wú)處不在。但是,慣性導(dǎo)航也有其自身的缺點(diǎn)，誤差隨時(shí)間積累，每次使用時(shí)都需要進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，造價(jià)比較昂貴,體積、重量較大【。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng);捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，是幾乎同步發(fā)展起來的兩種不同形式的慣導(dǎo)系統(tǒng)。最近幾年，由于計(jì)算機(jī)芯片的高速發(fā)展，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的“數(shù)學(xué)平臺(tái),，相對(duì)于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的機(jī)械平臺(tái)優(yōu)勢(shì)更加明顯，使得捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展成為當(dāng)今慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主流。非自豐式導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法單獨(dú)依靠自身的導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航，而必須有其他地方的設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作。非自主式導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛,早期有單純的無(wú)線電導(dǎo)航

8、系統(tǒng)，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是衛(wèi)星定位系統(tǒng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠在全球范圍內(nèi)為用戶提供高精度的三維位置、速度及吋間信息,具有全天候、實(shí)吋性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍民哈爾濱:程大學(xué)碩士學(xué)位論文領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到了全球定位系統(tǒng)的重要性，紛紛加大人力和物力投入進(jìn)行相關(guān)研究。截止目前,美國(guó)的全球定位系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，俄羅斯的、歐洲多國(guó)聯(lián)合建造的系統(tǒng)和中國(guó)的“北斗”定位系統(tǒng)都正