（精密仪器及机械专业论文）小型惯性姿态测量系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 基于微型惯性测量组合的小型惯性姿态测量装置以形状尺寸微小为特 征，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并受到 世界各国的高度重视，被列为2 l 世纪关键技术。本论文围绕着惯性姿态测量 系统中陀螺仪和加速度计的数据采集与处理技术以及全球定位系统组合技术 进行了研究。 首先论述了捷联惯性导航系统的工作原理，给出了系统的数学模型和机 械编排，用四元数法进行了捷联系统的姿态计算，并进行了误差仿真和分析。 也阐明了g p s 原理及误差分析，并研究了组合系统的原理。 接着建立了小型惯性姿态测量系统的方案并且详细的介绍了系统的硬件 组成部分，包括微型计算机、陀螺仪、加速度计、a i d 转换器的选择及相应 的接口电路的设计：介绍了惯性姿态测量系统的工作原理：阐明了惯性姿态测 量系统的软件构成。 论文设计了捷联导航系统中组合体信号的预处理和数据采集的硬件电 路。介绍了采集系统的作用和本系统的结构方框图，设计了组合体信号的滤 波电路：设计了可编程增益放大电路；设计了数据采集的a d 电路：利用c p l d 技术设计了数据采集的接口电路。利用c 语言实现了组合体的数据采集软件。 关键词：捷联惯性导航系统；姿态测量系统；数据采集；全球定位系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n e r t i a a t t i t u d em e a s u r i n gs y s t e mi sa na t t i t u d em e a s u r i n gd e v i c e w h i c hi so nt h eb a s i so fm i c r oi n e r t i am e a s u r e m e n tu n i t ( m i m u ) w i t h t h ec h a r a c t e ro fs m a l ls i z ei th a sw i d ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l i t yi n t h ef i e l d so fa e r o s p a c e 、p r e c i s i o ni n s t r u m e n t 、b i o l o g i c a lm e d i c a l t r e a t m e n te t c t h ec o u n t r i e sa llo v e rt h ew o r l dp a ym o r ea t t e n t i o nt o i t ，a n di tisc l a s s i f l e da st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h e2 1 s tc e n t u r y t h i sp a p e rs t u d i e dd a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h e g y r o s c o p e a n da c c e l e r o m e t e r t h i s p a p e rh a s a l s os t u d i e dg l o b e p o s i t i o n i n gs y s t e mi n t e g r a t e dn a v i g a t i o nt e c h n o l o g y a tf ir s tt h ep a p e re x p l a i n e dt h ep r i n e i p l eo fs t r a p d o w ni n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m i tp r o v i d e dt h es y s t e m a t i cm a c h i n e r yg r a d i n g ， m a t h e m a t i c sm o d e la n da d o p tp r o j e c tp r a c t i c a lq u a t e r n i o na l g o r i t h mo f s t r a p d o w nn a y i g a t i o ns y s t e m h a v ed e m o n s t r a t e dg p sp r i n c i p l ea n de r r o r a n a l y s i s ，t h isp a p e rh a ss t u d i e ds i n s g p si n t e g r a t e dn a v i g a t i o n t e c h n o l o g y t h e nt h ep r o j e c to ft h ei n e r t i a la t t i t u d em e a s u r i n gs y s t e mw a s d e m o n s t r a t e da n dp u tf o r w a r d t h eh a r d w a r eo ft h ei n e r t i a la t t it u d e m e a s u r i n gs y s t e m w a si n t r o d u c e di n d e t a i l s ， w h i c hi n c l u d e m i c r o c o m p u t e r ，g y r o s c o p e ，a c c e l e r o m e t e r ，a d c o n v e r t e ra n dt h e c o r r e s p o n d i n ge l e c t r i cc i r c u i t t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ei n e r t i a l a t t i t u d e m e a s u r i n gs y s t e m w a si l l u s t r a t e d t h es o f t w a r eo ft h e i n e r t i a la t t i t u d em e a s u r in gs y s t e ma n df l o wc h a r tw a sd e s c r i b e d f i n a l l yt h ee l e c t r i cc i r c u i to fd a t ap r e p r o c e s s i n ga n ds a m p l i n g o fg y r o s c o p ea n da c c e l e r o m e t e ri ni n e r t i a la t t i t u d em e a s u r i n gs y s t e m w a sd e s i g n e d t h ed a t ap r o c e s s i n gr u l ew a si n t r o d u c e d t h ee l e c t r i c c i r c u i tf o rf i i t e ro nt h es i g n a lo fg y r o s c o p ea n da c c e l e r o m e t e rw a s d e s i g n e d t h ep a p e ra l s od e s i g n e dt h e e l e c t r i cc i r c u i tf o ra d 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 c o n v e r t e ra n df o ri n t e r f a c ec i f c u i tw i t hc p l dt e c h n o l o g y t h ed e s i g n o fs o f tw a sr e a l i z e dw i t hcl a n g u a g e t h es o f ts y s t e mi n c l u d e dd a t a p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n g k e yw o r d s ：s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ；a t t i t u d em e a s u r i n g s y s t e m ：d a t ap r o c e s s i n g ：g 1 0 b ep o s i t i o n i n gs y s t e m 哈尔滨工程大学 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) ： 谦：磷 日期：一2 貌煎年口1 月工g 日 哈尔滨下程大学硕士学位论文 1 1引言 1 1 1 惯性技术 第1 章绪论 惯性技术是利用惯性原理，自主地测量和控制物体角运动及线运动参数 的工程技术。它是惯性导航与惯性制导( i n e r t i a ln a v i g a t i o na n do u i d a n c e ) 技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关设备和装置技术的总称“1 ，它 在国防科学技术中占有非常重要的地位，因而是世界各工业强国重点发展的 技术领域之一。随着惯性技术的不断发展，许多国家己将其应用领域扩大到 现代化交通运输，海洋开发，大地测量与勘探，石油钻井，矿井、隧道的掘 进与贯通，机器人控制，现代化医疗器械，摄影技术以及森林防护，农业播 种、施肥等民用领域。现代高科技发展的需要促进了惯性技术的发展，惯性 技术已经成为现代高科技发展水平的标志之一。 能够测定运动物体运动参数的方法和手段是很多的，象测位移或位置， 可以用里程计，可以用无线电定位技术、天文定位技术和卫星定位技术等； 要测速度可以用测速计，要测转角可用角位置传感器，象电位计，光电码盘 等等；要测角速度可以用转速表，测速电机等等。以上各种手段还没有一种 能同时实时快速高精度地又测量线运动又测量角运动的，而惯性技术恰是测 量这些运动参数的最理想的手段。它不仅可以全面地检测到几乎所有的运动 参数，而且还有一个极大的优点，惯性技术是完全自主式的测量方法，它不 依赖外部的光线，电磁波，声音，磁场等等的外部信息来测量物体的线运动 和角运动，其工作完全不受自然的和人为的干扰影响。在战场电磁干扰严重 的恶劣环境下，在地下隧道里，在大洋深处游弋的潜艇里，天文、卫星、无 线电等一切手段都无法工作时，惯性系统却能应用自如，所以惯性导航技术 是其它任何导航定位定向手段不能替代的。因而惯性技术成为国防高科技、 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域不可缺少、不可取代的重要组成部分。 正因为惯性技术的地位如此重要，它受到世界上技术先进国家的普遍重 视。美、英、法、德和前苏联都投入相当大的力量从事惯性技术及有关装置 的研究。目前，它正朝着高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应 用领域更加广泛的方向发展。 1 1 2 捷联式惯性导航技术 捷联式导航系统是随着计算机技术的发展而出现的一种新型惯性导航 系统。它去掉了机电式的导航平台，把加速度计和陀螺仪直接固连在载体上， 陀螺仪和加速度计分别测量运载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线 加速度在载体坐标系的分量，经过计算，得到运载体的位置、速度、航向和 水平姿态等各种导航信息。在捷联惯导系统中，由计算机完成导航平台的功 能，以数学平台代替平台式惯导系统中的物理平台。 和平台式惯导相比，捷联式惯导由于省去了机电式的导航平台，从而给 系统带来许多的优点。 1 系统的体积、重量和成本大大降低。 2 惯性仪表便于安装维护、也便于更换。 3 捷联式系统可以提供更多的导航信息，具有较强的参与系统综合的能 力。 因此，捷联式导航系统具有十分广阔的发展和应用前景。 加速度计卜_叫姿态矩阵卜_ 刊导航计算卜= = = = 2 。2 t 控 制 ，。l 显 登态矩晖i + l 姿态角计算卜一 不 i 陀螺仪卜 计算l _ 数学平台 一一一一- 一 图1 1 捷联惯导系统原理图 2 哈尔滨r ：程大学硕士学位论文 捷联系统发展的历史，可阻追溯到1 9 4 2 年v 一2 导弹的制导装置，它把一 个自由陀螺仪固定在弹体上，让陀螺仪的主轴对准导弹的飞行方向，直接利 用陀螺仪的定轴性，导弹稍一偏离飞行航向陀螺仪就带动控制机构改变导弹 的方向，回到预定的弹道上来。惯性元件直接固联在弹体上敏感导弹的角运 动，从这点上可以算作捷联式惯性导航系统的雏形，是一种位置捷联装置。 1 9 7 0 年，捷联系统作为宇宙飞船的应急备份装置，在阿波罗一1 3 服务舱发生 爆炸时将飞船引导到返回地球的轨道上，起了决定性的作用。现在得到应用 的捷联系统与v 2 的制导系统已经有了极大的改进。现在的捷联系统中都是 测量绕载体三个轴的角速率，故称速率捷联：若用自由陀螺仪，测量载体的 转角，则称为位置捷联。 激光、光纤、微机械等新型固态陀螺仪是捷联系统的理想元件。而今， 随着微纳米科学与技术、新型原理的惯性器件的发展，以形状尺寸微小为特 征、以新型原理为基础的微机械陀螺仪和微机械加速度计出现了，有的己发 展成为各种惯性系统和测量系统的核心部件。小型姿态测量系统研究正是基 于捷联导航系统向微型、小型化发展的而诞生的，是一种微型惯性测量组合 装置。 1 2 微型惯性测量组合的关键技术和国内外发展状况 微型惯性测量组合( m i c r oi n e r t i am e a s u r e m e n tu n i t ，m i m u ) 是由微型 惯性传感器( 主要是微型陀螺仪、微型加速度计) 、专用集成电路( a s i c ) 、嵌 入式微机及相应的导航软件组成，可以提供运动载体的位置、速度和姿态信 息。m i m u 的工作原理：由分别敏感三根轴的陀螺确定载体的姿念，由安装在 三根轴上的加速度计测出载体的加速度值，积分得到速度，再积分得到位移。 惯性测量系统是完全自主的，因此可用于深山密林、矿井隧道、海底、地下 等位置测量，有着广阔的前景。 微惯性敏感器件由于其是在单晶硅、石英晶体、铌酸锂等材料芯片上应 用光刻、腐蚀、沉积、离子注入、键合等微机械加工技术批量生产，因此具 有体积小、重量轻、成本低、功耗小和可靠性高、易于实现数字化和智能化 等特点。微惯性测量组合就是用微机械惯性敏感器和其它电路组合而成的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微惯性测量组合的关键技术主要归结为两个方面：一方面是微惯性敏感器 微机械陀螺和加速度计；另一方面是微惯性测量组合技术，包括系统的 结构、信号采集处理电路、组合测量解算算法以及系统的温度控制与补偿等， 这两方面均对系统的性能起着重要的影响“1 。 在国外，微型惯性传感器的生产厂商主要集中在美国，d r a p e r 实验室、 s a n d i a ，a 1 l i e d s i g n a l 和h o n e y w e l l 等机构是其中的佼佼者，此外还有 r o c k w e l l 公司、n o r t h r o p 公司、l i t t o n 公司、s d c ( s u n d s t r a n dd a t a c o n t r 0 1 ) 公司和c r o s s b o w 公司都在此方面的研究中取得了实质性的成果，其部分产品 已经商业化，并应用于中低精度的民用惯性技术领域。尤其是c r o s s b o w 公司， 它的产品已经投入了市场，其中如a h r s ( a t t it u d ea n dh e a d i n gr e f e r e n c e s y s t e m ) 系列和v g ( v e r t i c a lg y r o s c o p e ) 系列都取得了很大的成功，通过 与g p s 组合，成功地应用于战术导弹等武器的姿态测量和导航制导。 在国内，这方面的研究起步并不晚，已经建立了一些先进的基础实验设 施，并在基础研究和相关技术方面都取得了一些有特色的成果，有些已经达 到国际先进水平，其中很多成果正在向产业化迈进，出现了一批有着广阔应 用前景、即将实现产业化的产品。目前我国从事这方面研究的单位已有6 0 多家，其中有十几个单位研究十分活跃。清华大学、北京大学微电子所、信 息产业部1 3 所、信息产业部4 9 所、中国科学院上海冶金所、沈阳仪器仪表 研究所、信息产业部2 4 所、东南大学、华北工学院、浙江大学、重庆大学、 中国科学院电子所、北京理工大学等单位都取得了一定成果，如东南大学研 制了硅微加速度计和陀螺等。但是，目前我国的发展水平和技术条件有限， 微惯性测量组合在应用过程中有下面一系列的主要问题和关键技术需要解 决。 元器件误差特性分析。通过对微机电陀螺和加速度计的误差分析，建 立元器件的误差模型，为系统的误差补偿( 包括温度控制和补偿) 提供前提 条件。 结构优化设计。微惯性测量组合硬件结构设计包括其惯性传感器或传 感器组件的安装与运载工具对准所必需的机械结构设计和硬件电路的模块化 设计。 软件设计。在现有硬件水平和载体的运动特性基础上，研究各种初始 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对准及导航解算的算法，减少计算误差，将对系统精度起到重要作用。 微惯性测量组合系统中的惯性测量单元集成与标定。将陀螺和加速度 计通过机械装置、数据采集电路以及辅助电路集成在一起，由此形成惯性测 量单元。 动态初始对准技术研究。由于微惯性系统的精度较低，静态初始对准 的误差很大，不能真实提供航向和姿态，因此需要在系统运行过程中，利用 外部辅助手段，例如与空间定位系统组合实时修正系统的偏差完成系统的动 态对准，使导航系统获得真实的航向和姿态，并校正惯性元件的误差，以提 高微惯导系统的精度。 因此，我们还有很多可以深入研究的地方。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题是国防预研项目中的重要研究内容之一，主要是进行小型惯性姿 态测量系统的研究。它是一种基于压电陀螺和硅微加速度计的小型惯性姿态 测量装置，它主要提供系统姿态测量方面的信息，可以提供物体运动的角速 度和线速度，但是如果结合6 p s 接收机、t c m 2 电子罗盘、计程仪等就可以构 成个完整的捷联式惯性系统，可以用在战术武器( 如鱼雷、炮弹、火箭弹 等) 的姿态测控、制导上，在民用领域( 车载导航系统、运动测量系统) 也 具有广阔的应用前景。因此，开展这方面的研究工作具有十分重要的意义。 本课题设计了出两个双轴硅微加速度计和三个单轴压电陀螺组成的小型 惯性姿态测量装置。陀螺仪和加速度计的组合体测得的载体角速度信息和加 速度信息经模数转换后，送入导航计算机，导航计算机先对采样数据进行 误差补偿，然后进行导航计算，最后得到载体的姿态、速度和位置。小型惯 性姿态测量系统由i m u 组件，g p s 接收机，t c m 2 电子罗盘，信号调理电路，8 路1 6 位a d 转换器，嵌入式计算机和高速信号接口电路等几大部分组成。 本课题的研究内容分为理论和实践两部分： 理论部分研究了捷联惯性导航系统的工作原理，给出了系统的数学模型 和机械编排，用四元数法进行了捷联系统的姿态计算，并进行了误差仿真和 分析，还研究了g p s 原理及误差分析；讨论了惯性测量单元和g p s 、电子罗 哈尔滨f ：程人学硕士学俯论文 盘组合情况。 实践部分分为以下几个方面： 惯性传感器设计：惯性传感器是一个由两个双轴加速度计和三个单轴 陀螺构成的一个惯性组合体。 a d 转换器电路设计：由惯性传感器采集到的6 路信号先分别经过一 个二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波，再送至多路开关a d 7 5 0 1 ，然后经过程 控放大器进行不同增益的放大，使得最后进入a d s 7 8 0 5 的信号恰好在其最好 的量程范围内，以此来保证a d 转换的精度，最后出来的信号经过缓冲再送 到p c 1 0 4 型嵌入式计算机中处理。 嵌入式计算机：系统选择了p c 1 0 4 型与p c 机兼容的模块化嵌入式计 算机，它具有开发方便快捷、性能可靠、技术指标高的优点，利用它硬件和 软件上的广泛资源，可以满足系统的要求。 软件设计：包括数据采集软件。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章小型惯性姿态测量系统总体方案论述 2 1 小型惯性姿态测量系统的功能和性能指标 新一代战术武器系统需要全数字化、性能稳定可靠、体积小、价格低廉 的小型惯性姿态测量装置。我们所进行的正是这方面的研究。 1 - 小型惯性姿态测量系统的功能 小型惯性姿态测量系统能实时输出载体相对地理坐标系的航向角h 、纵 摇角中、横摇角y 和在载体坐标系三维运动角速度者、i 廿d 、等和线速度。 2 系统性能的设计指标 姿态角的静态精度：0 3 。0 5 。： 姿态角的动态精度：1 0 。1 5 。： 角速率的测量范围：8 0 。s ； 线速度的测量范围：2 9 。 2 2 小型惯性姿态测量系统的总体方案 小型惯性姿态测量系统的结构与方框图分别如图2 1 、图2 2 所示。小 型惯性姿态测量系统为一整体式结构，通过串口与控制系统机箱连接。机箱 内硬件主要有两大部分，惯性测量组合i m u 和控制微计算机c p u 板、数据采 集板、通信接口板以及系统电源等装置。i m u 由三个单轴陀螺仪和两只硅微 双轴加速度计构成的，其中三个陀螺仪的测量轴分别对准载体坐标系的比、 y 。、z 。轴，两只硅微双轴加速度计的三条测量轴也对准载体的) ( 【| 、y 。、z 。轴， 另一条轴构成冗余。数据采集的硬件电路板与陀螺仪、加速度计组装成i m u 的标准模块。系统用的多种电源也安装在i m u 内。这种标准化模块化的结构 使其可以成为一个独立的测量装置，可以提供物体运动的角速度和线速度， 也便于i m u 与其它系统( 如g p s 、电子罗盘、计程仪等) 相组合来组成惯性测 量系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h ：m i m u 测量组合b ：数据采集卡及接口电路c ：串口d ：机箱 图2 1 系统结构图 图2 2 系统的方框图 小型惯性姿态测量系统的工作原理如下：系统开始先进行初始对准得到 捷联矩阵的初值q ( 0 ) 。陀螺仪的测量信号经过数字信号滤波和误差补偿后 得到载体的角速率等、者和( o 考，用( o ：f 和( o ：对捷联矩阵进行即时修j 下， 再进行四元数归一化，得到捷联矩阵c ：。利用加速度计测得载体相对惯性坐 标系的加速度沿载体坐标系的分量、和乎，通过捷联矩阵c ：转换成 沿地理坐标系的加速度分量，用以计算载体的线速度，通过解算c ：还可以得 到载体的航向角、纵摇角和横摇角。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 小型捷联惯性姿态测量系统的工作原理 2 3 1 坐标系 载体的参数如姿态、位置、速度等必须通过一定的坐标系来表示，并根 据需要选取不同的坐标系，在我们集中讨论惯性系统之前，首先要明确一下 约定的几种坐标系，以便更好的理解各种惯性系统的工作原理。 地心惯性坐标系( 下标f ) 一q x r z ， 地心惯性坐标系是符合牛顿力学定律的坐标系，即绝对静止或只作匀速 直线运动的坐标系。绝对的惯性坐标系是不存在的，对于在地球附近运动的 载体选取地心惯性坐标系是合适的。坐标原点选取地球中心，o 轴和q i o x 轴在地球赤道平面内，o 地球坐标系( 下标e ) 一一q x 。r e z 。 地球坐标系是固连在地球上的坐标系，它相对惯性坐标系以地球自转角 速率。旋转，。：1 5 0 4 1 0 7o h 。其原点在地心中心，q 爿。轴指向格林威 治经线，o o 一轴指向东经9 0 0 方向。 地理坐标系( 下标f ) 一一0x ，e z ， 地理坐标系的原点选在载体中心，o x ，轴和o r , 轴在当地水平面内。在 不同的惯导文献中，坐标轴正向的指向往往有不同的取法，这仅是向量在坐 标系中取分量时的正负号有所不同，并不影响导航基本原理的阐述及导航参 数计算结果的正确性。当取东北天系( e n u ) 时，o x ，轴与纬向相切指向正东， o r , 轴与经线相切指向正北，o z ，轴沿垂线方向指向天。 本论文的讨论中，采用的是东北天( e n u ) 地理坐标系。 导航坐标系( 下标n ) 一一0x 。r o z 。 导航坐标系是在导航时根据工作需要而选取的作为导航基准的坐标系， 当取东北天方位系统时，导航坐标系和地理坐标系重合。 平台坐标系( 下标p ) 一一d 。匕z 。 当惯导系统不出现误差时，平台坐标系和导航坐标系重合：当惯导系统 出现误差时，平台坐标系相对导航坐标系出现误差角，即平台误差角。平台 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 误差角是惯导误差分析的主要因素。对于平台惯性系统，平台坐标系是通过 平台台体实现的；对于捷联惯导系统，平台坐标系是通过导航计算机中的方 向余弦矩阵实现的，因此又称为“数学平台”。 载体坐标系( 下标b ) 一一0j 五磊 载体坐标系是固连在载体上的坐标系。对于舰船，坐标原点位于舰船重 心处，o x 。轴沿舰船横轴指向右舷，0 k 轴沿舰船纵轴指向舰首，o z 。轴垂 直o x 。k 平面，0 瓦k 乙坐标系构成右手直角坐标系。 在舰船导航系统中，当舰船没有纵摇横摆时，o x e y b 平面即为水平面， o z 。轴沿垂线指向天向。舰船在航行时受风浪的作用将会在预定航向附近左 右偏摆，这种偏摆称为偏航。我们把预定的航行方向称为航向。在水平面内， 用北向基准线与航向线之间的夹角表示航向，通常该夹角为航向角并以顺时 针方向计量，以世表示航向角。舰船坐标系相对与当地地理坐标系所确定的 状态可以用姿态角表示。舰船姿态角是舰船纵摇角、横摇角、首向角的统称。 舰船纵轴轴向在水平面内投影方向称为首向，用北向基准线和首向方向 之间的夹角、| ，表示首向角，通常以顺时针方向计量；舰船纵轴与水平面之间 的夹角0 称为纵摇角；舰船横轴与水平面之间的夹角t 称为横摇角。当已知 首向角、i ，、纵摇角0 、横摇角y 的大小时，则舰船相对与当地地理坐标系的角 位置完全可以确定。 2 3 2 载体姿态角和位置的确定 导航需要很多参数：如舰船的瞬时地理位置( 经纬度) 、地速、舰船的姿 态角、已航距离、待航距离等，在这些参数中，最基本的是瞬时地理位置和 载体的姿态角等信息。 舰船的瞬时地理位置，我们用经度、纬度表示，它实际上就是地理坐标 系( t ) 和地球坐标系( e ) 之间的方位关系。 这两个坐标系之间的转动关系可用下式表示： 件q 慝1 l j 训 0 ( 2 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中c ! 很容易经坐标系的转动得到， 一s i n 3 ,c o s 3 , 0 c ：= l s i n 妒c o s 一s i n 口o s i n 五c o se pi ( 2 2 ) l c o s l 5 0 c o s 2 c o s o s i n 2s i n t pi 可以看出：此方向余弦矩阵是经度九、纬度巾的函数。如果船舶的航行 过程中，能够随时得到这个变换矩阵的各个元素，那么就可以根据c ：的元素 值，通过计算得到船舶的地理位置。 r 一1 j 妒_ 8 1 n 。”( 2 3 ) 【 = t g 1 ( c 3 2 c 3 i ) 式中c ”、c 3 2 、c 3 l 为c ：的相应元素。 载体的姿态实际上就是载体坐标系0 巩e 乙和地理坐标系0 置r , z ，之 间的方向关系。 由地理坐标系至载体坐标系的关系，可经下述顺序的三次转动来表示 绕z ，轴绕z 轴绕z 轴 五一互二影一。乏二r ”z 。五y 而 p目y 其中小0 、y 分别为舰船的首向角、纵摇角和横摇角。 由以上旋转顺序，可以得地理坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵口。 c o s 7 c o s l p s i n y s i n o s i n vc o s ，s i n y + s i n ，s i n 口c o s ps i n y c o s 8 口= i c o s o s i n 掣c o s o c o s p s i n o i fs i n y c o s v + c o s y s i n o s i n p s i n y s i n v c o s y s i n o c o s gc o s y c o s 8j ( 2 4 ) 在捷联式惯导系统中，我们定义由载体坐标系至地理坐标系的转换矩阵 c ：为姿态矩阵( 我们有时也称为捷联矩阵) t 。 由矩阵理论知，c ? 为正交矩阵，则有下式成立： ( 畔) 1 = ( 掣) k c r ( 2 5 ) 因此，我们可以得出捷联姿态矩阵为： 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 jc o s y c o s q 一s i n y s i n o s i n y c o s o s i n 妒, s i n y c o s p + c o s y s i n o s i n 妒j t = 1c o s y s i n y + s i n y s i n o c o s v , c o s 8 c o s j f s i n ys i n 驴, 一c o s y s i n 8 c o s p l s i n y c o s 8 s i n o c o s y c o s 0 l ( 2 - 6 ) 由上式可以看出，姿态矩阵，是0 、y 的函数，根据r 的元素即可单 值地确定0 、y ，即确定了船舶的姿态角。 从上式可知： j 0 = s i n ( t 3 2 ) y = t g 。( 一t 3 l t 3 3 ) ( 2 7 ) i 妒主= t g 。1 ( 一t 】2 t 2 2 ) 式中f 3 2 、f 3 。、f ”f 1 ：、r ：等分别为姿态矩阵丁的相应的元素。上式计算的只 是主值，由它们的定义域即可求得真值。由于首向角的定义域为( 0 。，3 6 0 。) ， 纵摇角和横摇角的定义域为( 9 0 。，9 0 。) ，因此要对首向角v 进行修正得到 真值，真值表达式如下： y 主五2 o ，妁j 0 y = j ：+ 2 x疋2 o ，y 主 0 ( 2 8 ) i y + 石正2 6 0 零位偏差( m v ) ： o 1 零位漂移( ( 。s ) h ) ： o 1 工作屯压f v ) ：1 5 2 4 2 加速度计 加速度计是惯性姿态测量系统中另一个关键性元件，它是用来测量运载 体相对惯性坐标系运动的加速度在载体坐标系的分量，经过捷联矩阵变换成 沿地理坐标系的分量，再经过一次积分和二次积分就可以分别得到运载体的 速度和位置。随着惯性导航、惯性制导技术发展的需求，加速度计也不断发 lj x y l 1j 啦啪 一 2 n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展完善。现在各种各样原理各异性能有别的多种类不同级别的加速度计得到 了实用，以下将介绍几种新型的加速度计。 1 激光加速度计 激光加速度计的作用原理是在两束激光回路中安装两个中间夹着敏感质 量的光弹性晶体，在加速度的作用下，敏感质量使两个晶体受不同方向的力， 其中一个伸长，另一个压缩，因而导致激光光束的频率发生变化，当光束通 过极性过滤而重迭后，可以测出与加速度成正比的差频信号。这种加速度计 的输出信号是数字形式，无反馈回路，由于两束激光平行，易于消除一阶同 相干扰如温度漂移、横向耦合等，可以承受较大范围的加速度。 2 石英振梁式线加速度计 振梁式线加速度计技术已经发展了2 0 多年，振弦式线加速度计甚至发展 的更久。近年来在制造技术和材料工艺方面的突破使得其技术迅速成熟起来。 它的主要特点是体积小、精度高、测量范围宽、数字量输出、且能耗低。振 梁式线加速度计的典型构造是采用石英晶体作为谐振梁，在谐振梁的非固定 端安装质量块，当受线加速度作用时，质量块使谐振梁受力而发生变形，使 得谐振梁的谐振频率发生与线加速度成正比的变化。 现在美国、欧洲和日本等国都在开展v b a 技术的研究，其中k e a r f o t t 公司研制的战略级的石英振梁式线加速度计灵敏度非常高，能敏感出由于月 球太阳潮汐变化引起的重力变化，其动态范围达到6 0 9 的最大量程，噪音仅 3 0 n g 。s u n d s t r a n dd a t ac o n t r o l 公司开发的石英振梁式线加速度计具有 1 海 里小时的导航精度，采用石英挠性限制，传递质量采用气体阻尼，这种带有 差分谐振电路的器件封装于一个中2 5 2 5 m m 的气密外壳中。u n i v e r s i t yo f s t a n f o r d 在石英晶体上利用光刻腐蚀加工，做出了2 3 o 6 m m 的微型线加 速度计，其体积如此之小从而可以方便的实现器件化【2 ”。 3 微机械加速度计 微机械加速度计以集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 工艺和微加工工艺为 基础，其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强且可批量 生产，现不仅成为微型惯性测量组合( m i m u ) 的核心元件，也迅速扩大到 其他民用领域。微机械加速度计目前主要用于战术导弹中段制导、；灵巧导弹 和各种商用等相对低精度要求的场合。随着微机械加速度计性能的提高，其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用还会不断向中高精度的应用领域扩展。 本系统采用的正是微机械加速度计的一种名为表面加工梳齿式电容加速 度计，选用的是美国a d i 公司的a d x l 2 0 2 ，它是一种低成本、低功耗、功能 完善的双轴加速度传感器，它将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同 一硅片上完成，实现了整体集成。a d x l 2 0 2 其测量范围为2 9 既能测量动 态加速度( 如振动的加速度) ，又能测量静态加速度( 如重力的加速度) 。， a d x l 2 0 2 可以输出数字信号其脉宽占空比与输入加速度成f 比，可以直接 与微处理器连接；也可以输出模拟电压信号”1 。 a d x l 2 0 2 的带宽可以通过电容c 。和c ，在0 0 1 h z 5 k h z 范围内设定，其典 型的噪声值为5 0 0 k g ( h z ) l z ，6 0 h z 时的分辨率为5 m g 。 它具有以下的特点： 双轴集成式传感器，本设计中只用2 个即可： 可测静态或动态加速度： 具有脉冲调宽式输出，调宽波周期为0 5 m s l o m s ； 响应速度快，功耗低( o 6 m a ) ； 工作电压低，+ 3 + 5 2 5 7 ； 零位偏置2 5 v ； 灵敏度3 1 2 m v g ； 承受冲击力1 0 0 0 9 。 其功能结构框图如图2 7 所示，表2 1 给出了带宽与电容值之间的关系： 表2 1 带宽与电容值对应表 带宽h z l o5 0 1 0 0 2 0 0 5 0 0 电容值师 o 4 7 o 1 0o 0 50 0 2 70 0 1 噪声及分辨率 滤波器带宽的大小也决定了噪声及分辨率的大小。其计算公式为： n ( r m s ) = ( 2 0 0 腿胁) x ( 日x 1 6 ) ( 2 - 3 9 ) 例如在i o o h z 时，其噪声大小为： n ( r m s ) = 2 5 3 m g 带宽设计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 o v 一5 2 5 v 图2 7a d x l 2 0 2 的功能结构框图 选择c 。和c ，的值可以决定带宽，3 d b 带宽计算公式为： f ( - - 3 d b ) = 1 2 ( 3 2 k q ) x c ( x ，y ) 或f ( - - 3 d b ) = 5 “f c ( x ，y ) 用统计法可估计峰值噪声，表2 2 为噪声超过峰值的概率 表2 2 噪声超过峰值的概率表 ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 额定噪声峰值( r m s ) 2 o 4 0 6 o 8 o 噪声超过峰值的概率 3 2 4 6 0 2 7 0 0 0 6 表2 3 为噪声，带宽，电容之间的关系： 表2 3 噪声，带宽，电容之间的关系 带宽h zc ( x ，y ) 岍噪声均元值h z噪声峰值( 概率9 5 ) 1 0o 4 7o 8 3 2 m g 5 00 1 0l8 7 2 m g 1 0 0o 0 5 2 5 1 0 1 m g 2 0 00 0 2 73 6 1 4 3 m g 5 0 0o o l 5 7 2 2 6 m g 本设计中，频宽为i o o h z 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 3p c 1 0 4 型计算机系统 2 4 3 1p c 10 4 型计算机简介及特点 众所周知，普通的商用台式p c 机不适合嵌入式、军用场合，这是因为它 不能满足可靠性、环境温度、抗干扰性、抗震性、防尘性、散热性、系统电 源等多方面的要求。“，但是由于p c 机具有广阔的硬件支持厂商，软件产品丰 富多样，开发工具也非常多，所以p c 机对嵌入式应用有很大的吸引力。p c 1 0 4 总线技术就是新出现的采用基于模块设计方法的嵌入式工业p c 机系统，并迅 速取得了巨大成功。长期以来，计算机控制系统一般采用两种方法来设计， 一种是基于芯片的设计方法，设计从芯片开始做起。典型的实例是单片机( 例 如8 0 5 1 系列) 等，这种较传统的方法开发周期长、费用高：另一种是基于模 板的设计方法，即使用市场上出售的总线模块来构成系统，这种方法开发周 期短，但是设计出的产品往往成本高、体积大、灵活性差，因而在许多嵌入 式应用场合，应用很受限制。随着计算机技术的发展，现在出现了第三种设 计方法，即基于模块的设计方法。所谓“模块”是指一种体积较小的多集成 块，通常在2 一l o 平方英寸的电路板上，安装了多种满足特定功能的集成电路 和元件。多个模块可以采用插针和插座的方式连接，也可以象安装集成块那 样将模块插入用户设计的专用底板上。这里我们采用第三种设计方法，选用 p c 1 0 4 总线模块设计了系统的微计算机系统。 p c 1 0 4 总线是超小型p c 微机所有的总线标准，p c 1 0 4 模块已经成为事 实上的嵌入式总线标准。p c 1 0 4 微机有两个总线插头，其中p 1 有6 4 脚，p 2 有4 0 脚，共有1 0 4 脚，这也是p c 1 0 4 名称的由来。总线及整机除小型化的 结构外，在硬件和软件上与p c 总线完全兼容，实质上是为了更好的满足工业 控制或小型化设备的要求而开发出来的x t 、a t 3 8 6 、4 8 6 的小型化机型。它之 所以取得如此的成功是因为它有许多不可比拟的优点： 微型尺寸。使用超小尺寸的模块，包括c p u 模板在内，全部功能模板 均按p c 1 0 4 标准设计，模板尺寸规定为9 0 r a m 9 6 r r 衄，比一般p c 系列微机主 板尺寸要小的多。有两种总线形式分别适用于8 位和1 6 位模板。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 栈总线结构。为了减小复杂度，降低成本，减小通常模板占有的空间， p c 1 0 4 取消了底板和插槽，采用了独特的“自栈式”总线连接器。利用模板 上的堆装总线插头座，将多个模板堆叠连接在一起，组装紧凑灵活。栈接模 块间距1 5 厘米，模块间由金属或尼龙的支撑紧固件逐个牢固连接。 小总线驱动。为降低功耗和减小芯片个数，总线驱动从2 4 r n a ( 普通) 降到4 m a ，于是降低了电磁辐射。为适应小型化要求，各模板都采用v l s i 器 件、门阵列、a s c i 芯片及大容量固态盘。 2 4 3 ，2p c 1 0 4 主板 图2 8p c 1 0 4 主板的功能、接口简介图 本系统采用的微型计算机主板是北京华夏龙科技有限公司的 h x l 4 8 6 i i l c dp c 1 0 4 主板，它是一种集成度高，体积小，功耗低，可靠性 高，软、硬件兼容性好的微计算机主板。其主要功能包括：c p u ，嵌入式的 p cb i o s ，键盘接口，一个标准的r s 2 3 2 串口、一个可在r s 2 3 2 、t t l 电平、 r s 4 8 5 之间三选一的串口，一个双方向的并行口，软盘驱动控制器接口， c r t l c d 接口，i d e 接口和d o c ( d i s k0 nc h i p ) 插座。此外，它还包括一套 综合的专为嵌入式系统设计的系统扩展和增强功能，它是为了满足嵌入式应 用的尺寸，能源消耗，温度范围，质量和可靠性要求而设计的，尤其适合于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 苛刻的环境，如嵌入式或便携式，其灵活性使得系统设计既快又容易。 其功能、接口简介图如图2 8 所示，其具体性能如下： 总线速度：7 1 5 9 0 9 u h z 总线信号电平：t t l 输出驱动电流：1 2 m a 2 4 4g p s 接收机 本系统中，g p s 接收机采用g n 一7 2 ，它是一个单片接收板用来接收和处理 全球定位系统的卫星信号，8 通道并行接收的功能是结合全视野算法在8 个 通道同时跟踪8 颗卫星，这需要没有初始化及把精度变化值估计到最低，为 最大限度的跟踪而设计了高速捕捉功能和重捕捉功能。 g n 一7 2 提供多数据输出例如：位置，速度，真正的方向、时间等等。可 以选择w g s 一8 4