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1、浙江大学 硕士学位论文 基于 ARM的嵌入式航向姿态参考系统的研究 姓名：魏萍 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李平 ;韩波 20060301 摘要 众所周知，载体的航向和姿态是无人直升机导航系统中必不可少的重要参 数，它是保证其能在空中保持期望姿态并稳定飞行的前提条件。随着嵌入式系 统的飞速发展以及新型高性能元器件的出现，本文提出并研制出了一种基于 ARM内核的高性能的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的航向姿态参考 系统。 文章首先介绍了航姿系统的相关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、姿态角的定义以及捷联矩阵计算。 其次，文章重点介绍了基于 A
2、RM的航姿系统的软硬件设计。在硬件设计 上，给出了硬件总体设计方案，并对各个功能模块进行了详细论述；软件是以 uc/os-n为嵌入式实时操作系统来开发的应用程序，在给出系统软件总体框架 的基础上，分别论述了硬件驱动程序、操作系统移植以及任务的划分。 最后，分析了磁航向误差产生的原因以及补偿方法，并用实验对椭圆假设 补偿方法进行了验证。 研究证明，由三轴微加速度计、三轴 微陀螺仪和三轴磁阻传感器阻组成， 以 S3C44B0X微处理器和 uC/OS-II实时操作系统为核心的航向姿态参考系统， 与通常的航姿测量系统相比，具有体积小、成本低、实时性强等特点，很有应 用价值。 ARM、 航向姿态参考系统
3、、 S3C44B0X、 uC/OS-II实时操作系统、误 关键词 : 差补偿 Abstract Its well -known that heading and attitude of vehicles are very important parameters in the navigation system of UAV (Unmanned Aerial Vehicle). It7s the pre-requisite condition of UAV holding anticipant attitude and aviating steadily in the air. With th
4、e rapid development of embedded system and the appearance of new丨 y and high-performed components, this paper puts forward and researches a kind of Attitude and Heading Reference System (AHRS) which consists of high-perfonnanced ARM embedded microprocessor and embedded real-time operating system. Fi
5、rstly, in this paper, the basic theories and operational principles of AHRS are introduced, including definition of usually coordinates in inertia system, Euler angles definition and calculation of attitude matrix. Secondly, we focus on the hardware and software design of AHRS based on ARM. In the h
6、ardware design, we present the overall plan of hardware designing and discuss every function module in detail. Software is developed by uC/OS-II as embedded RTOS. On the basis of the general software chart of system, we describe the hardware drivers, transplant of the operating system and the divisi
7、on of tasks. Lastly, we analyze the reasons of magnetic headings error and the compensation methods. Whats more, we experiment to validate the ellipse hypothesis compensation method. Research proves that the AHRS compared with general attitude and heading measurement system is small size, low cost,
8、high real time and so on. AHRS based on S3C44B0X microprocessor and uC/OS-II RTOS is composed of 3-axis micro accelerometers, 3-axis micro rate gyros and 3-axis Magnetoresistive sensors. The system is of great practical value. Key Words： ARM, AHRS, S3C44B0X, uC/OS-II RTOS, error compensation 致谢 值此论文
9、完成之际，首先谨向导师李平教授和韩波研究员致以崇高的敬意 和衷心的感谢！本论文是在两位老师的悉心指导下完成的。在我攻读硕士学位 期间，导师在学习、工作和生活上都给予了无微不至的关怀和帮助。导师严谨 的治学态度、渊博的学识以及忘我的工作精神使我受益无穷，这将永远激励我 在今后的学习和工作中探索前进。 感谢袁杰同学在我课题研究过程中所给予的帮助和支持！同时感谢课题组 中与我一起学习和工作的任沁源、方舟、徐玉、陈安宁、陈青松、宋浩、候鑫、 谷雨、周涛、杨伟临、赵亮、李阳、齐楠、胡溢、孙文达、徐伟杰等同学对我 无私的关心和帮助。 最后 ,我要特别感谢我的家人和朋友在我完成学业的过程中所给予的理解、 关
10、怀与支持。 魏萍 2006年 3月于浙大求是 园 in 第 一 章 绪 论 1.1论文研究的背景和意义 1.1.1惯性导航系统概述 惯性导航系统 INS(Inertial Navigation System)是随着惯性传感器发展起来的 门导航技术，它完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优 点使其在航空航天航海及民用相关领域（如地质勘探、重力测量、石油钻井、大 地测量等）得到了广泛应用 1。 惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用惯性测量元件 (加 速度计、陀螺仪 )测量载体相对于惯性空间的运动参数，并经过计算后实施导航 任务的。由陀螺仪测量载体的角运动和由加速度计测
11、量载体的加速度，在给定运 动初始条件下，经转换、处理，输出载体的姿态和航向 2。惯性导航系统通常由 惯性测量单元 IMU(Inertial Measurement Unit)、 导航计算机、控制显示装置等组 成。其中的关键是惯性测量单元，它的精度决定了整个导航系统的精度。惯性测 量单元包括 3个加速度计和 3个单启由度陀螺仪，前者用来测量载体沿导航坐标系 三个轴向的线加速度，后者用來测量载体绕三个 轴的转动以构成一个物理平台或 “ 数学平台 ” 按惯性测量单元在载体上的安装方式，惯性导航系统可分为捷联式惯导系 统和平台式惯导系统 m。平台式惯导系统是将惯性测量元件安装在惯性平台（物 理平台 ）
12、 的台体上，它虽然精度较高，但是，其结构复杂、成本高、体积大， 可靠性差。而捷联式惯导系统则不需要实体的导航平台，它是把惯性测量元件 直接安装在载体上，用计算机数学平台来代替传统的机械平台，具有结构简单、 可靠性高且维护方便等优点，但计算量较大。因此导航系统一般都选用捷联式 1.1.2国内外惯导系统研究状况 I.国外 早在 1956年，美国就有了捷联式惯导系统的专和，但当时由于缺乏适用于 捷联式的惯性仪表和计算机，所以无法实现。随着电子技术的发展，大容量、 高速度微型计算机的出现，以及以可靠性为主要考虑因素的航天技术的需要， 促使人们对捷联系统进行研究。六十年代初，美国联合飞机公司哈密尔顿标准
13、 中心研制的 LM/ASA捷联惯导系统，首先在 “ 阿波罗 ” 登月舱中得到了应用 11。 六十年代至七十年代捷联式惯导系统蓬勃发展，其陀螺仪主要采用单自由度液 浮积分陀螺仪。七十年代后，随着动力调 谐陀螺仪制造技术及其误差理论的成 熟，利顿工业公司、波音公司及斯佩理等公司相继研制出动力调谐陀螺仪的捷 联惯导系统。七十年代中期至末期，霍尼韦尔公司、哈密尔顿标准分公司、雷 锡恩公司、波音公司、沃特公司等公司也先后出了激光陀螺与磁传感器和 GPS 组合的捷联式惯性系统 5。自此，随着现代控制论和计算机技术的迅速发展， 使得以惯导系统为主，其它导航手段为辅的组合式导航系统得到了很大的发展， 应用也日
14、益广泛。 2.国内 我国在惯导研究方面起步相对较晚，但近年来己经取得了长足进步，在军 民用的各个领域都发挥了重要作用。 我国捷联惯导系统的发展，高端系统以挠性或光纤陀螺为主，低成本系统 则由微机械加速度计与压电陀螺构成，同时积极开展微机械惯性器件及其惯导 系统的理论与应用研究工作。如南京航空航天大学研制了由挠性陀螺和挠性加 速度与磁传感器组合的自主式航姿系统；西安电子科技大学天线与电磁散射研 究所采用双轴陀螺与加速度计组合成新型垂直陀螺，再与磁通门传感器组合成 组合式航姿系统；中国航空工业第一集团公司研制了一种组合航向姿态系统， 采用捷联航向姿态部件、捷联磁航向传感器 GPS/GLONASS接
15、收机指示飞机的 航向角、倾斜角、和俯仰角，并测量和显示飞机的磁航向和陀螺航向 16。 根据国内外惯导系统的发展状况，可以得出：随着电子技术、计算机技术、 现代控制理论的飞速进步，为捷联惯导技术的发展创造了有利条件；新一代低 成本中等精度的惯性仪表如激光陀螺、光纤陀螺、桂微惯性器件的研制成功， 为捷联系统打下了物质基础；捷联式惯导系统以及以捷联式惯导系统为基础的 各种组合导航系统，成为今后惯性导航系统发展的总趋势。 1J.3课题研究的意义 为了完成导航的任务，即正 确的引导航行体沿着预定的航线在规定的时 N 内到达目的地，需要随时知道航行体的瞬时地理位置、航行速度、航行体的姿 态航向等参数。这些
16、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，在一定意义上也可以说 航姿系统是一个倍息处理系统，即把导航仪表所测量的航行信息处理成需要的 各种航姿参数 ra。因此，航向和姿态是惯性导航系统中必不可少的重要参数 = 作为惯导系统中的关键惯性测量单元 OMU),它菇由 陀螺仪和加速度计组 成的用来测量载体的航向姿态。虽然这种方法在短时间内精度很高，且不易受 外界电磁环境的影响，但由于整个系统中积分环节的存在，测童误差会不断积 累，长时间的运行会造成误差积累越来越大，因此往往需
17、要通过数字罗盘对姿 态进行修正。这样，不但增大了体积，还增加了成木 .由于无人直升机，尤其 是超小型无人直升机对体积、重量要求比较高，对航姿测量系统提出了规格小、 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，研制这种满足新要求的航姿测量系统 成为 -神可能。 本课题 IH是以超小型无人直升机 （ Unmanned Aerial Vehicle,简称 UAV)为 背贵 .根据新的要求所提出的一种基于 ARM处理器的，由三轴磁阻传感器、 二轴加速度计和二轴陀螺仪组成的航向姿态参考系统，简称航姿系统。 1.2航姿系的硬件实现技术 航向姿态
18、参考系统实际上是个嵌入式的信息处理系统，它实时测量载体 沿各方向的加速度、角速度以及地磁场，并根据捷联算法计算出载体的航甸姿 态。因此是 个实时性强、运算密集、精度要求高的嵌入式系统。 嵌入式系统是一个以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减 . 适巧应用系统对功能、可靠性，成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统 K。嵌入式系统出现至今 d经有 30多年历史了，以 8位单片机或微控制器 统 |S|。 嵌入式系统出现至今 B经有 30多年历史了，以 8位单片机或微控制器 1.1.3课题研究的意义 为了完成导航的任务，即正确的引导航行体沿着预定的航线在规定的时间 内到达目的地，需要随时
19、知道航行体的瞬时地理位置、航行速度、航行体的姿 态航向等参数。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，在一定意义上也可以说 航姿系统是 个信息处理系统，即把导航仪表所测量的航行信息处理成需要的 各种航姿参数 7。因此，航向和姿态是惯性导航系统中必不可少的重要参数。 作为惯导系统中的关键惯性测量单元 OMU)， 它是由陀螺仪和加速度计组 成的用来测量载体的航向姿态。虽然这种方法在短时间内精度很高，且不易受 外界电磁环境的影响，但由于整个系统中积分环节的存在，测量
20、误差会不断积 累，长时间的运行会造成误差积累越來越大，因此往往需要通过数字罗盘对姿 态进行修正。这样，不但增大了体积，还增加了成本。由于无人直升机，尤其 是超小型无人直升机对体积、重量要求比较高，对航姿测量系统提出了规格小、 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，研制这种满足新要求的航姿测量系统 成为一种可能。 本课题正是以超小型无人直升机 （ Unmanned Aerial Vehicle,简称 UAV)为 背景、根据新的要求所提出的一种基于 ARM处理器的，由三轴磁阻传感器、 三轴加速度计和三轴陀螺仪组成的航向姿态参考系统
21、，简称航姿系统。 1.2航姿系 的硬件实现技术 航向姿态参考系统实际上是一个嵌入式的信息处理系统，它实时测量载体 沿各方向的加速度、角速度以及地磁场，并根据捷联算法计算出载体的航向姿 态。因此是一个实时性强、运算密集、精度要求高的嵌入式系统。 嵌入式系统是一个以应用为中心，以计算机技术为基础：软硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统 嵌入式系统出现至今已经有 30多年历史了，以 8位单片机或微控制器 (MCU)为核心的嵌入式系统早己广泛应用于工业控制、航空航天、家电等各 个领域。随着嵌入式设备与 Internet的广泛结合，复杂的高端应用对嵌入式
22、处 理器的性能提出了更高的要求，激烈的市场、技术竞争要求不断地降低嵌入式 系统开发的成本，提高嵌入式系统的性价比；同时，也要求缩短嵌入式系统的 开发周期，提髙系统的开发效率。因此， 以 8位为核心的嵌入式技术由于其性 能的局限性，已无法满足未来高性能嵌入式技术的发展需求。而 32位 SoC为 高性能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬件平台，也为实时篏入式操作系统 的广泛使用提供了硬件基础。因此，以 32位处理器作为高性能嵌入式系统开发 的核心已是嵌入式技术发展的必然趋势。ARM处理器正是因其卓越的性能和 显著优点，成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理器核的代名词，在 32位嵌 入式应用领域、全球
23、范围内得到了最广泛的应用，已遍及工业控制、消费类电 子产品、通信系统、网络系统，无线系统等各类产品市场。 由于航姿系统要求体积小、重量轻、功耗低、实时性强、运算处理速度快， 因此我们采用 Samsung公司的 S3C44B0X处理器作为航姿系统的导航计算机， 以此为基础展开整个系统的硬件和软件设计。 1.3航姿系统的软件实现技术 通常在简单的嵌入式系统中，往往采用一个主循环和几个顺序调用的子程 序模块就可以满足要求。但随着嵌入式系统的不断发展，应用系统越來越复杂、 使用范围越来越广，就需要采用实时操作系统 RTOS (Real-Time Operating System),才能实时响应多个处理
24、任务、实现任务间的通讯。同时移植了操作系 统的嵌入式开发也可以减轻开发者的负担，不需要大的改动就可以增加新的功 能。 航姿系统软件中需要实现多传感器的数据采集、航向姿态计算、数据融合、 数据输出等多个任务，为了保证实时性需要采用高效、高可靠性的实时多任务 操作系统，合理的划分任务及任务调度。实时操作系统的种类繁多，大体上可 分为商用型和免费型 -目前流行的商用型操作系统主要有 VxWorks、 pSOS、 VRTX、 WinCE等，它们的优点是功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后 服务，而且提供了如图形用户界面和网络支持等高端嵌入式系统要求的许多高 级的功能；缺点是价格昂贵且源代码封闭。免费
25、型的操作系统主要有 Lmux和 uC/OS-ll， 它们在价格方面有很大的优势，且具有功能强大、易于移植、源码 丌放等优点 81。 针对航姿系统自身的要求以及所选用的硬件平台，我们采用了 uC/OS-II实 时操作系统 uC/OS-II实时操作系统是一个可裁减、源码开放、结构小巧、可 剥夺型的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占 用 空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点 _它提供任务调度、 任务间的通信与同步、任务管理、时间管理和内存管理等基本功能 ， UC/0S41 已经在世界范围内得到广泛使用，包括手机、路由器、集线器、不间断电源、 飞行器、医疗设备及
26、工业控制等诸多领域。而且， uC/OS-II已经通过了非常严 格的测试，并且得到了美国航空管理局 （ Federal Aviation Administration)的认 证，可以用在飞行器上 9。 1.4论文主要内容简介 本论文主要是为了建立一个基于 ARM的嵌入式航向姿态参考系统，以实 现系统的小型化、低成本，实时性强的特性，最终可应用于课题组研制的超小 型无人直升机中。 本文的主要内容是： 第一章，提出了本论文的背景和选题意义，包括惯性导航系统概述及其在 国内外的发展现状，并简要介绍了航姿系统的硬件和软件实现技术。 第二章，介绍了航姿系统的基本理论及基本工作原理。 第三章，给出了系统硬件总体框图，并对各个模块进行了详细的分析和设 汁。 第四章，根据软件总体结构图，分别从硬件驱动程序、 uC/OSI操作系统 在 S3C44B0X上的移植以及任务分配这三方面论述了航姿系统的软件设计。 第五章，首先分析了磁航向误差的来源，给出了 2种误差补偿方法，讨论 了其优缺点，再结合本课题，作了误差补偿试验，并对实验数据进行了分析。 第六章，对全文进行了总结，并对未来的工作进行了展望。