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摘要航姿参考系统实际上就是可以实时提供载体的姿态信息的微型惯性测量系统。它由MEMS传感器组成，由陀螺仪测量载体的角运动，加速度计测量载体的加速度，在给定初始运动条件下，经转换、处理，输出载体的姿态和航向等参数。由于其工作的完全自主性，在航空航天、航海及陆地等很多领域，特别是军事领域得到了广泛运用，成为一种主要的导航手段。
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本文首先介绍了航姿参考系统在国内外的运用研究及发展现状，简单介绍未来航姿参考系统的发展趋势，概述了其惯性元件的测量原理。然后在给定的初始运动条件下，通过惯性测量元件求出载体的运动参数，并结合互补滤波对噪声等因素进行预估和校正，最后在MATLAB环境下进行了仿真验证。30224
关键词 航姿参考系统 MEMS传感器 姿态解算 互补滤波
毕业论文设计说明书外文摘要
Title Design of aircraft Attitude Heading Reference System（AHRS）
Abstract
AHRS actually is a micro-miniature inertial measurement system that can provide attitude information of carrier in-time. It consists of MEMS sensors, Gyroscope measures the angular motion of carrier, accelerometer measures the acceleration of carrier, Under the given initial conditions of motion, we can get the attitude and heading parameters of carrier after conversion and processing. Since the complete autonomy of its work, AHRS has been widely used in many areas of aerospace, marine and terrestrial, especially in the military field. It has been a major means of navigation.
This paper firstly introduces the application of the attitude and attitude reference system at home and abroad, and introduces the development trend of the future navigation attitude reference system, and summarizes the measurement principle of its inertia element. Then we can determine motion parameters of carrier by the inertial measuring element under the given initial motion condition, and perform prediction and correction of noise factor. Finally, testing the error by MATLAB.
Keywords AHRS MEMS sensor Attitude Algorithm Complementary filter
目 次
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义1
1.2 航姿参考系统的组成1
1.3 国内外MEMS发展概况 2
1.4 姿态参考系统的应用前景 4
1.5 本课题的主要工作4
2 航姿参考系统 6
2.1 航姿参考系统简介6
2.2 航姿参考系统的主要器件8
3 仿真设计13
3.1 常用坐标系13
3.2 姿态表达方法14
3.3 方向余弦矩阵14
3.4 欧拉角16
3.5 模型设计 17
4 互补滤波及噪声修正41
4.1 互补滤波原理 41
4.2 噪声修正 43
结论 44
致谢 45
参考文献46
1.1 课题研究的目的和意义
为了确保载体沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地，需要随时掌控载体的瞬时位置、速度和姿态航向等信息参数。这些参数通常称作导航参数，导航系统可以自动地提供需要的各种导航参数。航姿系统就是一种导航系统，它只提供各种导航参数，而不直接参与对航行体航行的控制，因此它是一个开环系统。航姿系统的基本理论及其工作原理，包括惯性系统中常用坐标系的定义、姿态角的定义、四元数法、旋转矢量法。对于捷联导航系统来说，航向和姿态是必不可少的重要参数。随着低成本固态惯性传感器件和磁传感器件的发展，利用三轴微陀螺、三轴微加速度计以及三轴微磁强计进行姿态测量是近年来捷联式低成本全固态姿态测量系统研究的热点之一。传感器组中含有正交的三轴磁强计、正交的三轴速率陀螺和正交的三轴加速度计，工作于捷联方式。低成本固态陀螺的性能较低，只能在很短的时间内保证测量精度。利用加速度计和磁强计对地球重力场和地磁场的测量值补偿陀螺的漂移，由陀螺保证载体具有动态加速度时的稳定性，可以提高系统的精度，增强系统的鲁棒性。在民用领域的电子玩具、三文仿真、运动检测、机器人、VR游戏等方面都要求得到载体的航向和姿态信息，但对系统的体积、重量和成本要求比较高，对航姿测量系统提出了规格小、成本低、功耗低、精度高、可靠性高、实时性强以及动态性能好等要求。随着嵌入式系统的发展以及微型惯性传感器件的出现，研制满足这种要求的航姿测量系统成为一种可能。
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