论文总字数：21863字

摘 要

导航技术是能够快速准确的引导载体到达目的地的一项技术，纯惯导技术自主性强、实时性好、更新率高，但是系统误差会随时间累积；GPS系统能把误差控制在一定范围内，但更新速度慢，易受到外界干扰，目前，将GPS和IMU结合的组合导航技术已经成为研究的热点。

本课题主要工作是实现一类基于GPS和IMU的组合导航系统，本系统采用了Arduino UNO单片机为控制核心，采用三轴加速度计和三轴陀螺仪作为惯性测量器件，构成了一个惯性测量装置（IMU），然后将IMU与GPS模块搭配构成组合导航系统。本次课题主要是关于系统设计的硬件部份选型，硬件原理图的绘制，元件性能特点介绍，最主要的工作是三个模块之间的连接及与计算机的通信。

关键词 ： Arduino 全球定位系统（GPS） 惯性测量装置（IMU）

The design of navigation system based on GPS and IMU

Abstract

Navigation technology is rapidly and exactly can guide the vehicle to arrive a technology, pure inertial navigation technology autonomy is strong, good real-time, high update rate, but the system error will be accumulated over time; GPS limit error within a certain range, but update slow, easy to receive interference, the combination of the combination of GPS and IMU navigation technology has become a current research hot spot.

This design mainly for the hardware design part, USES the Arduino UNO microcontroller as the control core, designed a low cost based on GPS/IMU integrated navigation system, using three-axis accelerometer and three-axis gyroscope as inertial measurement device, a inertial measurement unit (IMU), and then combines IMU and GPS integrated navigation system. This design mainly completed the hardware connection is the basis of mutual communication, mapped the hardware schematic diagram, and give the final results of the system design.

Keywords ：Arduino ；Global positioning system (GPS) ；Inertial measurement unit（IMU）

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 5

1.1 选题背景 5

1.2 国内外导航技术的发展 5

1.2.1 卫星导航技术发展 7

1.2.2 惯性导航技术发展 7

1.3 设计研究内容 8

1.4 研究方法及措施 8

1.5 论文安排 8

第二章 系统设计综述 9

2.1 系统设计方案综述 9

2.2 主控单元方案比较与选择 10

2.3 惯性测量装置方案比较与选择 11

2.4 GPS模块的选择 11

第三章 组合导航系统设计模块 12

3.1 中心运算模块-Arduino 12

3.1.1 基本结构 12

3.1.2 基本应用 14

3.1.3 主控制器ATmega328P-PU介绍 14

3.1.4 Arduino开发环境-Arduino IDE 15

3.2 卫星定位模块-GPS模块 16

3.2.1 GPS芯片NEO-M8N 16

3.2.2 GPS NEO-M8N介绍 17

3.3 惯性导航系统 18

3.3.1 惯性测量装置——IMU 18

3.3.2 MPU6050介绍 18

第四章 硬件平台设计实现 21

4.1 Arduino与计算机通信 21

4.1.1 Arduino驱动安装 21

4.1.2 Arduino与计算机连接 21

4.2 基于Arduino的GPS与计算机通信 22

4.2.1 GPS NEO-M8与Arduino的连接 22

4.2.2 GPS NEO-M8N通信 23

4.3 基于Arduino的IMU与计算机通信 24

4.3.1 MPU6050与Arduino的连接 24

4.3.2 MPU6050与计算机通信 25

4.4 硬件平台总结构 26

4.4.1 软件模拟串口 26

4.4.2 硬件平台搭建 26

4.5 硬件平台在小车上的应用 27

第五章 总结 29

参考文献 30

致 谢 32

附录1： 33

附录2： 34

附录3： 37

第一章 绪论

随着现代技术及工业的发展，单独的GPS卫星导航技术已经不能满足人类在精度等方面的要求了，所以我们把GPS全球定位系统与惯导系统结合起来使用，极大地提高了导航系统的定位精度，提高了稳定，减少了误差，改善了导航系统的性能。

1.1 选题背景

鉴于组合导航系统设计一直是设计研究的热点，本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。从当今的社会发展来看，导航技术在民用和军事方面上的应用愈发受人关注。设计的最终目的是能充分发挥组合导航系统的优势，验证其可靠性和可发展性。卫星导航的出现，使民用和军事航行对导航的要求得到了较好的满足。卫星导航系统的缺点是易于受到外界的干扰，而且对于目前情况来说，只能被少数国家拥有的技术，并且还存在当处在山区或者水下时，卫星信号可能会被遮挡掩盖。所以为了保持可执行任务的多样性，尤其是军事及一些特殊任务时，因此对导航系统的要求愈发地高。时代在变迁，科技在进步，导航技术不可能一成不变，它正在以可预见的速度不断发展进中，这个时代科技和工业技术的迅猛发展为导航技术奠定了坚实的发展基础，提供了新的研究方法和措施，为了迎合这个快速发展进步的时代，导航技术必须向更高层次发展^[7]。应用方面，导航技术起源于人类的生活，作用于人类的生活，导航技术的出现可以说是人类智慧的凝结，从远古时代就流传下来的一种生活手段，经由后代人的不断发展，积累经验，慢慢地由陆地发展到空中、海里，这是智慧传承，所以直到今天，人类人就在不断地研究他，为后代创造更多的智慧和积累经验。总之，导航技术的发展必须跟上时代的步伐，是不允许过时的东西，会不断地被研究，发展。在这样的时代背景这下，很难不去注意这样的设计课题。

1.2 国内外导航技术的发展

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