基于ARM的微惯性姿态测量系统平台设计

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于ARM的微惯性姿态测量系统平台设计硕士研究生：刘柱指导教师：程建华教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：刘繁明教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于ARM的微惯性姿态测量系统平台设计硕士研究生：刘柱指导教师：程建华教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegre

2、eofM.EngPlatformDesignofMicro-inertialAttitudeMeasuringSystemBasedonARMSensorCandidate:LiuZhuSupervisor:Prof.ChengJianhuaAcA/DemicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:Control,ScienceandTechnologyDateofSubmission:January.2018DateofOralExamination:March.2018University:

3、HarbinEngineeringUniversity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）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权

4、属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要基于ARM的微惯性姿态测量系统是一种应用非常广

5、泛的测量载体横摇、纵摇和航向角等姿态信息的新型设备。相较于以光学传感器的姿态测量系统，该系统具有功耗低、成本低、体积小等优势。劣势也同样明显，难以达到基于光学传感器的姿态测量系统的测量精度。目前，在应用方面，主要应用于生活生产中，在无人机、云台、智能穿戴和VR中有着重要的作用。但是，难以在船舶、航空和航天等领域中大范围投入使用。目前，姿态测量系统的急需解决的问题有以下几个方面：系统的姿态测量精度，通讯方式单一，系统的功能拓展性较差。本文主要针对基于ARM的微惯性姿态测量系统的MEMS传感器的误差补偿、信息采集模块设计及实现、ARM硬件平台及软件程

6、序四方面展开设计与实现。论文主要工作如下：首先，介绍课题的研究背景和意义，分析国内外研究现状以及关键技术。根据需求完成对ARM的选型和MEMS传感器的选型，使用飞思卡尔公司的K60通过MPU9250传感器对载体的姿态进行测量；通过Allan方差分析法，分析MEMS器件的随机误差，并通过FIR滤波器对随机误差进行降噪；建立传感器的数学模型并完成标定和校正，包括陀螺仪和加速计的标定和校正以及磁力计的标定和校正；通过人工鱼群算法实现MEMS陀螺仪的温度补偿。其次，设计姿态测量系统的信息采集部分的电路，介绍MEMS传感器的内部结构、通讯方式、性能指标。介

7、绍SPI和IIC两种通讯方式主要特征、使用方式和传输速率。并设计信息采集部分的电路。再次，提出基于ARM的微惯性姿态测量平台的硬件实现方案，以Kinetis60处理器为控制核心，设计以电源管理电路为系统供电，JTAG调试下载电路，复位电路三部分为主的核心控制器最小系统。并通过对最小系统外围接口及功能拓展设计多种上位机通讯方式，其中包括USB通讯电路、RS485通讯电路、以太网口电路、无线蓝牙通讯。最后，设计核心控制器的内部软件程序的总体流程，完成和性控制器的底层驱动程序的编写和Mahony算法实现。将硬件平台和信息采集传感器和姿态算法结合在一起，

8、并通过姿态测试实验，验证本文所涉及的算法设计、硬件设计。关键词：Kinetis60；MEMS；硬件平台；误差补偿AbstractMicr