开题报告-载体姿态测量系统硬件电路设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：载体姿态测量系统硬件电路设计指导教师: 2015年 4 月 2 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：一、项目研究背景和意义：早期的航向姿态测量系统是以传统的惯性器件作为测量元件，因为传统惯性器件的选择导致体积和重量相对较大，造价相对较高，在一定程度上限制了航向姿态测量系统的应用，此外传统的航向姿态测量系统需要大量的外围电路来完成航向姿态测量系统的测量与计算，从而导致航向姿态测量系统的成本高、体积大、可靠性差、资源浪费等缺点。MEMS惯性器件的出现改变了过去惯性器件体积大、成本高的局面，低成本的惯性导航系统广泛应用于小型无人机、导弹、火箭弹等体积小、造价低的现代武器装备中，同时也应用到汽车电子产品当中1。 MEMS航向姿态测量系统凭借其成本低、结构简单等优点成为汽车电子工业、电子消费品中的主导产品，广泛应用工业自动化、大型医疗设备、智能机器人、仪器仪表、工程机械、汽车导航等工业领域，还可以应用于游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机等电子消费类产品23。 同时，随着计算机科技的发展，嵌入式微处理器系统已在各领域得到广泛的应用，上个世纪七八十年代嵌入式系统应用到各种微型系统中，目前己经出现了由单片机向DSP、ARM、FPGA等高级快速系统发展4。2、 国内外文献综述载体的姿态测量是进行运动控制的基础，不同的应用环境所需要的姿态信息也各有不同。航行体的姿态信息主要包括航向、方位角、俯仰角和横滚角，这些信息包含于航行体的导航参数中，是进行导航、制导控制的重要依据。姿态测量就是运用不同的姿态敏感器或姿态敏感器组合对载体姿态信息进行实时解算的过程。常见的近地载体姿态测量系统主要是利用力学理论、光学理论、无线电测量以及地球磁场原理设计的56。针对不同的应用环境，各种姿态测量方法各具有优缺点。 自从上世纪60年代以来，GPS全球定位系统、地磁测量系统、惯性导航系统等多种导航系统相继问世，这些导航系统都能够连续提供载体的位置信息，结合载体的运动轨迹和相关特征，可以计算出所需的姿态参数7。 GPS全球定位系统是卫星定位和无线电测量技术的典型代表，它是美国国防部研发的第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航基础上发展起来的，全球卫星定位系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成，是一种非自主测量技术，它可以全天候、实时、连续地提供载体在全球的三维位置、速度和时间等信息。GPS定位系统具有较高的精度，利用载波相位的差分测量还可以消除测量中的公共误差，进一步提高精度。但由于无线电的传播特性，环境因素对GPS定位系统的使用具有很大限制。另外在空中载体的机动超过GPS接收机的动态范围时也会使接收机不能正常工作8。 地磁测量系统是一种利用地球磁场进行测量的方法。由于地球磁场比较稳定，所以地磁测量系统的精度也具有较好的稳定性。最早利用地磁场进行测量的是中国古代的四大发明之一指南针，中国也是最早将这种方法应用于航海作业，用于确定航线。随后出现了标有刻度的指南针装置，被称为罗盘，为世界航海业的发展起到了巨大的推动作用。姿态测量中地磁测量系统多被用作磁航向测量。该系统采用三轴磁强计测量地磁场在载体坐标下的分量，根据地磁场的近似模型，可以直接解算出载体航向9。地球磁场模型只是对地球磁场的近似描述，而且测量环境容易受其他磁场干扰，利用地磁进行航向测量具有较大的误差，常被用来和其他测量方式进行组合测型1011。 惯性技术是一门综合了机电、光学、数学、力学、控制以及计算机等学科的技术，用于对运动体的姿态和位置参数的确定12。随着制造技术的进步，不断出现的惯性敏感器件也推动这惯性技术的发展，用于平台式惯导的动力调谐陀螺漂移已达到001oh，霍尼韦尔公司研制的静电陀螺监控器13漂移误差小于10-4oh。激光陀螺和光纤陀螺1415的出现掀起惯性技术的一场革命，这种小体积、低功耗、高精度的惯性器件不断完善，潜在优势逐渐显露出来，取得越来越广泛的应用。20世纪80年代开始出现了MEMS技术(微机械机电系统)，MEMS惯性器件不仅具有体积小、重量轻、易于安装、高可靠性、耐冲击而广泛应用，而且易于大批量生产，成本优势较大，随着制造技术的进步，MEMS器件的测量精度也越来越高，因此基于MEMS器件的惯性系统研究逐渐成为了一个研究热点。 MEMS惯性器件具有体积小、质量轻、价格低、功耗小、可靠性高、测量范围大、易于集成化等优点，基于MEMS惯性器件的以上诸多优点，本课题采用了AD公司的三个单轴MEMS陀螺仪ADXRS613和一个三轴加速度计ADXL330共同构成了一个微惯性测量系统，整个测量系统体积小，结构简单，可靠性高，可以完成载体的姿态角的测量。参考文献1翼林，李旷振惯性仪器仪表行业发展现状及趋势分析J航天工业管理20093：40-422蒋庆仙关于MEMS惯性传感器的发展及在组合导航中的应用前景2006，93蔡春龙，刘翼，刘一薇MEMS仪表惯性组合导航系统发展现状与趋势中国惯性技术学报2009.17(5)4李旭辉MEMS发展应用现状传感器与微系统2006.25(5)5海涛，徐嫣，高翔飞行器三轴姿态测量方法J广西大学学报20049：60-626陈林GPS姿态测量系统研究D重庆：重庆大学20077陈锐基于DSP的姿态测量研究D南京：江苏科技大学20078胡国荣，欧阳坤改进的高动态GPS定位自适应卡尔曼滤波方法J测绘学报，199911：290-2949海涛，徐嫣，高翔飞行器三轴姿态测量方法J广西大学学报20049：60-6210刘海颖，王慧南低成本姿态测量系统研究J南京理工大学学报20074：233-23711朱荣，周兆英基于MEMS的姿态测量系统J测控技术200210：6-1312邓正隆惯性技术M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社200613方佩敏等新编传感器原理、应用、电路详解北京：电子工业出版社199414Sagnac G.Lseither lumineux demontre parleffect du vent relative dether dans an interferometren e11 rotation uniformeJComptes Rendus de lAcademie des Science 1913，95：708-71015Herve CLefevre光纤陀螺M张桂才，王巍译北京：国防工业出版社，200216 STMicroelectroics inc. MEMS motion sensor: three-axis digital output gyroscope L3G4200D prelinminary dataEB/OL. 2010.17 Honeywell Inc. 3-Axis Digital Compass IC HMC5883EB/OL. 2009. 毕 业 设 计 开 题 报 告2设计方案：一、课题研究思路及预期目标主要研究思路： (1)研究并分析给出了基于MEMS的载体姿态测量系统的总体设计方案。 (2)如何对传感器模块、数据采集模块和微处理器及电源进行了选型。 (3)如何设计了电路，建立了整个姿态测量系统的硬件结构。 (4)结合研究理论给出了整个系统的软件设计，对系统的数据通信和模型姿态解算算法完成了程序设计。2、 姿态测量系统方案总体思路 系统组成如图1所示。主要包括、信号调理电路、加速度计、陀螺仪、磁强计、主处理单片机，显示器，电源。显示器 单 片 机 数据采集 三轴加速度计三轴磁强计电源管理三轴陀螺仪 图 2.1 姿态测量系统硬件框图 安装方式：加速度计、微陀螺、微磁强计按三轴互相垂直安装。 工作原理：三轴微加速度计、三轴微磁强计、三轴微陀螺分别测量三维空间中的加速度分量、磁场分量和载体绕测量轴的转动角速度。因为传感器输出的是和感测量成比例的电平信号，不可避免的叠加有各种噪声，而且输出的电平幅度也不一定符合AD输入范围。因此需要经过一个信号调理电路进行处理，信号调理电路的主要任务是滤波和电平调整。使传感器的输出信号尽可能均匀的落在AD采样电路的输入范围。传感器输出的模拟电平信号经过信号调整理电路的滤波和电平调整处理以后，进人单片机的AD采样电路，经过AD采样的信号数值进入单片机的RAM。 传感器及单片机选型：本系统选用 HONEWELL 公司三轴磁阻传感器芯片 HMC5883 采用各向异性磁阻技术（AMR，anisotropic magneto resistive） 。AMR 薄膜磁阻传感器具有高灵敏度、高分辨率、良好的线性性、高稳定性、微型化、耐恶劣环境能力强、以及易于与数字电路匹配等优点。使其在磁性传感器生产中迅速发展起来，其应用领域的不断扩大，取代了不少原先有霍尔元件等传统磁阻器件所占领的市场 16 。加速度计采用 ADI 公司的数字式加速度传感器ADXL345，ADXL345 是 ADI 公司于 2009 年发布的一款数字式三轴加速度传感器，ADXL345 量程可选，从 2g(10bit)16g(13bit)， 精度达到了 4 mg/LSB。方便灵活的 SPI（3 线或 4 线）和 I2C 数字接口实现数据通信。ADXL345 可以测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度，它的高分辨率(4mg/LSB)能够分辨仅为 0.25 的倾角变化，动态和静态感测功能可以检测有无运动发生。集成的 32 级 FIFO 可储存多达 32 个 X、Y 和 Z 数据样本集，从而最大程度降低了对处理器的影响。具有阈值感测和运动加速度测量功能。温度 敏 感 变 化 为 0.02%/。 供 电 电 压 2.0V-3.6V 16 。ADXL345 结 构 尺 寸3mm5mm1mm，采用 14 引脚塑料封装。陀螺仪采用 ST Microelectronics 公司最新生产的L3G4200D 三轴陀螺仪芯片。采用 MEMS 技术加工工艺，将 X、Y、Z 三轴集成到一个芯片上。集成了 I2C 和 SPI 数字通信接口，方便用户的使用。16 位的数据输出，具有 8 位温度补偿数据接口，可用于辅助调节温度引起的漂移。内嵌的低通和高通滤波器有较好的用户选通带宽。可以实现自检功能。体积小，供电电压 2.4V 到 3.6V 17 。主处理器为 STM32F103R8T6 单片机使用高性能的 ARM Cortex-M3 32 位的 RISC 内核 19 ，工作频率为 72MHz，内置高速存储器 128K字节的闪存和 20K 字节的 SRAM。其数据处理能力强，并具有丰富的增强 I/O端口和通信接口，通信接口包括有 2 个 SPI 接口、2 个 I 2 C 接口、3 个串行通信口、1 个 USB 接口和 1 个 CAN 协议通信接口。具有包含 2 个 12 位的 ADC 接口、3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，供电电压为 2.0V 至 3.6V，封装形式是 64 脚的 LQFP。 三、课题论文主要内容： 本论文的主要目的是研究并建立一个基于MEMS器件的捷联式航向姿态测量系统，以实现系统的小型化，低成本，并具有较高的精度特性。