论文总字数：23842字

摘 要

当今社会步入了一个信息化的网络时代，各种导航系统无处不在。然而单一的导航系统或多或少地存在着一些问题，组合导航系统则取长补短，融合各种导航系统的特性，具有精度高、稳定、高效等优点。因此，设计一种合适的高精度组合导航系统具有重要意义。

本课题研究的高精度组合导航系统以STM32单片机为控制核心，通过复合六轴传感器芯片MPU6050来测量角速度及加速度以获得载体的姿态信息，通过BD/GPS模块来获得载体的位置信息（经纬度，海拔）并送往LCD显示，以准确地显示载体所处的位姿信息，实现了组合导航系统的数据实时采集，高精度姿态结算，GPS定位，误差修正等功能。为了提高数据的实时性及准确性，课题设计了数据滤波和数据融合算法。数据滤波算法主要基于滑动加权平均滤波算法，并通过加速度传感器数据对其进行误差修正；数据融合算法则采取四元数算法结合PI控制器数据融合的策略处理。匿名上位机软件对姿态及位置进行描述以及前期数据的调试处理。通过对软硬件的联合调试，验证了该组合导航系统具有性能稳定、精度高，实时性强等特点。

关键词：组合导航系统 STM32 GPS 姿态解算 滑动加权平均滤波 数据融合

Software Design of High-precision Integrated Navigation System

Abstract

Today's society has entered an information-based cyber era and various navigation systems are everywhere. However, a single navigation system has problems. The integrated navigation system complements each other and integrates the features of various navigation systems. It has the advantages of high accuracy, stability, and high efficiency. Therefore, it is of great significance to design a suitable high-precision integrated navigation system.

The high-precision integrated navigation system studied in this project uses the STM32 microcontroller as the control core, and measures the angular velocity and acceleration through the six-axis sensor chip MPU6050 to obtain the carrier's attitude information. The position information of the carrier is obtained through the BD/GPS module (latitude and longitude, elevation And sent to the LCD display to accurately display the position information of the carrier, realizing the real-time data acquisition, high-precision attitude settlement, GPS positioning, error correction and other functions of the integrated navigation system. In order to improve the real-time and accuracy of data, the project designed data filtering and data fusion algorithms. The data filtering algorithm is mainly based on the sliding weighted average filtering algorithm, and the error correction is performed through the acceleration sensor data. The data fusion algorithm is based on the quaternion algorithm and PI controller data fusion strategy processing. Anonymous PC software describes the attitude and position as well as the debugging of pre-data. Through the joint debugging of hardware and software, it is verified that the integrated navigation system has the characteristics of stable performance, high precision and strong real-time performance.

Keywords: Integrated navigation system(INS); STM32; GPS; Gesture solution; Sliding weighted average filtering; Data Fusion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 组合导航系统的研究背景及意义 1

1.3 组合导航系统的发展及研究现状 2

1.3.1 组合导航系统的发展 2

1.3.2 国外研究现状 2

1.3.3 国内研究现状 3

1.4 课题研究内容以及目标 5

1.5 论文结构安排 5

第二章 位姿检测原理 6

2.1 坐标系统 6

2.1.1 地理坐标系 6

2.1.2 机体坐标系 6

2.2 位姿 7

2.2.1 位置 7

2.2.2 姿态 8

2.3 位姿检测原理 8

2.4四元数算法 9

2.4.1 四元数 10

2.4.2 四元数的姿态解算 10

第三章 系统硬件设计 12

3.1 组合导航系统的硬件设计方案 12

3.1.1 设计要求 12

3.1.2 工作原理 13

3.2 硬件模块选型 13

3.2.1 微处理器的选择 13

3.2.2 传感器的选择 14

3.2.3 硬件连接 15

3.3 硬件接线 15

3.3.1 MPU6050的硬件连接 15

3.3.2 ATGM332D接线 16

第四章 系统软件设计 17

4.1 组合导航系统软件的总体设计 17

4.1.1 开发环境 17

4.1.2 系统软件设计总框图 17

4.1.3 程序主流程图 17

4.2 MPU6050模块程序设计 18

4.2.1 I²C通信协议 19

4.2.2 MPU6050寄存器读写时序 20

4.2.3 MPU6050重要寄存器 22

4.2.4 MPU6050程序设计 24

4.2.5 四元数算法 26

4.3 GPS模块程序设计 28

4.3.1 GPS程序流程图 28

4.3.2 NMEA-0183协议 29

4.3.3 GPS数据结构 30

4.3.4 GPS数据接收 31

4.3.5 GPS数据解析 32

4.4 上位机通信模块 32

4.4.1 匿名上位机及其通信协议 33

4.4.2 下位机STM32协议实现 33

4.5 LCD显示模块 34

第五章 系统测试 35

5.1 最终硬件结构 35

5.2 载体姿态测试 35

5.3 传感器数据 36

5.4 GPS数据测试 37

5.5 系统问题及改进 38

结语 39

参考文献 40

致谢 42

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