文档介绍：硕士学位论文
(工程硕士)

基于 MEMS 传感器的姿态检测系统设计

RESEARCH ON ATTITUDE MEASUREMENT
BASE ON MEMS SENSOR

刘娜娜

哈尔滨工业大学
2011 年 12 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开

工程硕士学位论文

基于 MEMS 传感器的姿态
检测系统设计

硕士研究生: 刘娜娜
导师: 王祁教授
申请学位: 工程硕士
学科: 仪器仪表工程
所在单位: 黑龙江省计量检定测试院
答辩日期: 2011 年 12 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering

RESEARCH ON MINI-TYPEATTITUDE
MEASUREMENT BASE ON MEMS SENSOR

Candidate: Liu Nana
Supervisor: Prof. Wang Qi
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Instrumentation Engineering
Affiliation: Heilongjiang Provincial Institute of
Measurement and Verification
Date of Defence: December, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
随着航空航天、远洋航运、军用卫星等事业的发展,对于系统的姿态测量
要求也越来越高。为了能够实现对各种载体的轨迹的有效控制,就要求姿态检
测系统的高精度、实时性。本文利用加速度传感器、陀螺传感器和磁阻传感器
组成的惯性导航系统,来实现载体的姿态检测。
本文对姿态检测系统的所涉及的坐标系定义,姿态算法等进行研究,分析
了姿态检测系统的检测原理,针对载体的航向角、俯仰角和翻滚角的测量进行
了研究,并给出了利用四元数法解算各运动轴的角度测量方法。
本文所设计的姿态检测系统主要用于机器人运动过程中进行位置校正。按
照姿态检测的设计要求,选取了 MEMS 传感器作为姿态检测的数据采集单元。
其中包括一个三轴陀螺仪、一个三轴的加速度计和一个三轴磁阻传感器搭建了
姿态检测系统的传感器模块。并利用 STM32 单片机作为主控制单元来实现数
据处理,采用 I2C 的接口实现传感器与单片机的连接,使得单片机可以获得载
体姿态的实时检测。同时采用串口通信用于上位机的数据传输。
文中还完成了姿态检测系统的控制软件的设计。为保证姿态检测的精度,
可以通过控制软件对姿态检测系统的传感器进行零点标定和温度补偿等工作来
提高测量精度。通过控制软件可以对姿态控制系统的系统参数、输出参数和传
感器参数进行设置工作,充分发挥了姿态检测系统的功能。利用 OpenGL 技术
实现了载体运动状态的模拟仿真。通过软件的三维模拟可以能够直观的观察到
载体的运动状态与姿态的变化。
本文所设计的姿态检测系统具有精度高、体积小、功耗小等优点,能够满
足机器人平衡、云台稳定控制、游戏机、虚拟现实、人体运动检测等多种用途。
这在国民经济建设以及国防建设中具有重要战略意义和广泛应用前景。

关键词:惯性导航系统;磁阻传感器;姿态测试;数据采集

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
As technology development of aerospace, ocean shipping, military satellite and
process improvement of semiconductor, the requirements has also more and more
high for the posture measurement system. In ord