基于GMR传感器的姿态测量系统设计

【摘要】载体姿态的准确测量在航天、机器人、导航、人体运动分析以及人机交互等方面有着重要作用。传统电子罗盘在静态环境下能够准确测量载体的姿态信息，包括航向角、俯仰角和横滚角。对于动态载体的姿态测量，由于电子罗盘容易受运动加速度的干扰，存在测量精度差、噪声大的问题。陀螺仪具有较高的频率响应，能够较好的跟踪载体的姿态变化过程，是姿态动态测量系统中的主要敏感器件。传统的姿态动态测量系统是航空航天领域的航姿器，其通常采用高精度光纤陀螺仪和激光陀螺仪作为主要惯性器件，具有测量精度高、系统体积大、造价昂贵的特点，只适合于军事领域，在民用领域难以推广使用。如今，随着MEMS惯性陀螺仪和新型GMR传感器的出现，结合嵌入式微控制器，应用惯性技术的相关理论，使得设计开发一款小型化、低功耗、高集成度的姿态测量系统成为可能。本文正是以民用领域对这样一款姿态测量系统的强烈需求为背景，以MEMS惯性器件MPU6050和三轴巨磁阻传感器作为系统的主要敏感元件，stm32作为系统核心处理器负责处理传感器数据，执行数据融合算法，解算载体的姿态信息，并通过串口输出到3D姿态显示上位机上，使得研究人员可以直观的观察载体的实时姿态变化情况，为后续进一步的姿态控制提供依据。论文主要研究了基于惯性技术的姿态测量基本原理和方法，通过对比用于描述载体姿态信息的欧拉角法、方向余弦法和四元素法，确定了使用四元素法作为姿态信息的表述方法，并详细推导了基于四元素的数据融合方法和姿态解算方法，并且还给出了融合磁场数据前的磁场补偿方法。最后进行的系统静态测试、抖动测试、数据稳定性测试和精度测试表明：1、该姿态测量系统方案和使用的数据融合方法可以有效修正陀螺仪的漂移现象，与电子罗盘相比，具有更好的抗抖动性能，适合于动态载体的姿态测量。2、静态环境下，航向角水平测量误差小于1度，俯仰角和横滚角测量误差小于0.4度，输出的姿态数据比电子罗盘具有更好的稳定性。
【作者】林亚坤；
【导师】钱正洪；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】巨磁阻；姿态测量系统；电子罗盘；陀螺仪；数据融合；四元数；

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