基于微机电系统(MEMS)的惯性测量单元的设计与开发

作     者：刘斌 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李春涛

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人机 惯性测量单元 MEMS 姿态角 PWM 算法融合 

摘      要：本文设计开发了基于微机电系统的小型惯性测量单元,实现无人机三轴加速度、三轴角速率、滚转角和俯仰角等姿态信息的测量。 论文首先提出了基于微机电系统的小型惯性测量单元的硬件总体设计方案。该方案将惯性测量单元分为三块彼此相互垂直的电路板,满足系统要测量三个轴的姿态信息的要求,同时兼顾了小型化、低成本的需求。 其次,分析比较了常用的滤波算法。对目前工程上常用的滤波算法就其各自的优缺点、适用范围进行了比较,并根据MEMS传感器信号的特性选择卡尔曼滤波器和互补滤波器。 再次,详细设计了姿态融合算法。针对MEMS传感器测量的信号自身存在诸如掺杂噪声、随温度和时间漂移等缺点,设计了滤除噪声、漂移补偿的卡尔曼滤波器。同时,针对传感器无法直接得到滚转角、俯仰角,设计了融合算法,实现了姿态信号的输出。 论文还设计了微控制器捕获加速度计的PWM信号,解决了A/D转换器通道冲突的问题。根据系统运行的需求,设计开发了底层驱动和数据传输协议。最后,对整个系统进行了综合测试,测试结果验证了系统设计的有效性和正确性。