基于DSP的小型無人機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)解算系統(tǒng)研究.pdf

1、小型無人機(jī)同其他的大、中型航空器相比，具有成本低、體積小、機(jī)動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，近些年來，愈來愈廣泛地應(yīng)用于民用、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域。小型無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)的過程中，為獲得較好的飛行品質(zhì)，需要精確測(cè)量飛機(jī)的角速度、線速度、加速度、飛行姿態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。以MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）器件為核心的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以自主測(cè)量并解算出控制、導(dǎo)航所需信息，成為小型無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選解決方案。因此，在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中對(duì)飛行器體軸姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和對(duì)地軸

2、姿態(tài)進(jìn)行解算算法研究，具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文以某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的固定翼小型無人機(jī)作為研究對(duì)象，在分析捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335微處理器和ADIS16407慣性測(cè)量單元的姿態(tài)測(cè)量和解算系統(tǒng)，采用四元數(shù)法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)更新解算。首先，選用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335作為核心處理器，在CCS軟件環(huán)境下編寫了測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等程序，通過SPI總線方式實(shí)現(xiàn)MCU與慣性

3、測(cè)量單元ADIS16407之間的通訊，實(shí)時(shí)對(duì)飛行器的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量和采集。其次，依據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理，采用四元數(shù)法實(shí)時(shí)求解姿態(tài)矩陣。然后，利用姿態(tài)矩陣將三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)測(cè)量的飛行器相對(duì)于機(jī)體軸的角速度和加速度數(shù)據(jù)變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，得到飛行器的姿態(tài)角、速度以及位置等信息。其中，四元數(shù)的更新計(jì)算采用四階龍格庫塔法。結(jié)果表明，該姿態(tài)測(cè)量和解算系統(tǒng)能有效地實(shí)時(shí)解算出飛行器的姿態(tài)信息，各運(yùn)動(dòng)方向的姿態(tài)角解算初始誤差小

4、于1°，30秒內(nèi)的累積誤差小于1.4°。
　　本論文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，采樣快速，微處理器的時(shí)鐘頻率高達(dá)150MHz，慣性測(cè)量單元輸出的采樣率為819.2次/秒，一次姿態(tài)解算的時(shí)間為0.35ms，姿態(tài)解算的迭代間隔為8ms。這樣，同常規(guī)硬件設(shè)計(jì)方案相比，姿態(tài)解算周期大大縮短，可為其他飛行控制與導(dǎo)航任務(wù)留有余地，節(jié)省了大量的時(shí)間，有利于整體控制與導(dǎo)航任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。該小型無人機(jī)飛行姿態(tài)解算系統(tǒng)模塊精度高、工作穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好，采