论文总字数：29502字

摘 要

随着电子技术的不断发展，对飞行器导航控制技术的要求不断提高，在飞行姿态控制的过程中，工程师们需要不断的修改系统参数，才能使精确性和实时性达到系统要求的性能，这也就使得相关的姿态解算技术变得非常重要。

姿态一般用来描述参考坐标系和一个刚体的固连坐标系之间角位置的关系，常用的数学表示方法有：欧拉角，四元数，矩阵和轴角。姿态解算，又叫做姿态分析、姿态估计、姿态融合，将陀螺仪、加速度计和罗盘等的数据融合在一起即可得到姿态结算的结果，进而得出飞行器在空中的姿态。

本文介绍了基于STM32的姿态解算研究的设计，首先对姿态解算做了简单的介绍，以ST公司的STM32芯片作为主要控制模块，通过MPU6050传感器来采集姿态信号，利用IIC协议进行两个模块的通信传输，最终通过PC端软件显示姿态解算的结果。本次设计采用采用MDK-Keil来编写程序并进行编译和调试，利用STM32开发板结合MPU6050传感器作为硬件平台，成功实现了对姿态信号的采集、解算、滤波、显示等姿态解算技术的基本功能， 达到了对姿态信号进行调试和检错的目的。

关键词：姿态解算 传感器 IIC协议 卡尔曼滤波 Processing

Attitude algorithm research based on the STM32

Abstract

With the continuous development of electronic technology and the ever increasing requirement of aircraft navigation control technology, engineers need to constantly modify parameters of the system to make it meet the system requirements of accuracy and instantaneity. This makes the attitude algorithm technology particularly important.

Attitude are used to describe the relationship between the reference coordinate system and the rigid fixed coordinate system about the angular position, and common mathematical representation is the use of Euler Angle, quaternion, matrix or shaft Angle. Attitude algorithm, also called attitude analysis, attitude estimation or attitude fusion, is to measure the relationship between the reference coordinate system and a rigid fixed coordinate system about the angular position, after calculating the result including the gyroscope, accelerometer and compass data, thus concluding the attitude of the aircraft in the air.

This paper introduces the STM32-based Attitude algorithm research which uses ST’s STM32 chip as the main control module．It can capture attitude signals through MPU6050 sensor．This design uses the IIC protocol to communicate with the two modules. Ultimately，it shows the results of the attitude algorithm through PC software.

The design uses MDK-Keil to write programs and compile data．This design uses STM32 development board combined with MPU6050 sensor as the hardware platform，successfully achieving the basic functions of attitude algorithm achieving the purpose of attitude signal debugging and error detection.

Key Words : attitude algorithm；sensor；IIC protocol；Kalman filter；Processing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 设计背景和意义 1

1.2 目前相关技术的发展情况 1

1.3 本文的安排 2

第二章 需求分析及方案论证 4

2.1 姿态解算基本原理和系统结构 4

2.1.1 姿态解算原理 4

2.1.2 姿态解算的分类 5

2.2 MCU部分分析论证 8

2.2.1 主控器件特性与比较 8

2.2.2 主控器件方案选型 9

2.3 位置传感器部分分析论证 11

2.3.1 位置传感器方案选型 11

2.3.2 位置传感器接口方案选型 12

2.4 数据滤波部分分析论证 15

2.5 数据传输部分分析论证 17

2.6 姿态显示部分分析论证 17

第三章 基于STM32姿态解算系统设计 19

3.1 总体方案设计及流程图 19

3.1.1 总体方案设计 19

3.1.2 软件流程设计 20

3.2 模块电路的设计 21

3.2.1 主控模块及其开发平台 21

3.2.2 数据采集模块 23

3.2.3 解算和滤波算法设计 25

3.2.4 姿态显示部分设计 27

第四章 软硬件调试及结果分析 29

4.1 调试过程 29

4.2 结果及分析 32

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 34

参考文献 35

致 谢 37

第一章 绪论

本章节主要介绍了姿态解算算法技术的背景和意义，从姿态解算相关技术的发展现状上来进一步分析姿态解算技术的应用范围和未来发展趋势。最后简介的列出了本次课题设计的具体安排的大致流程。

1.1 设计背景和意义

姿态解算是导航系统中的一项关键技术，能够快速得到俯仰角、偏航角和滚转角等一系列表示姿态的数据，并且在进行姿态解算的过程中需要建立刚体自身的固连坐标系和地球的参考坐标系之间的角度关系用来完成坐标系之间的姿态坐标数据转换，通过姿态矩阵可以得到载体的姿态和导航参数计算需要的数据，然后通过矩阵能够推导出四元数方向余弦的矩阵，完成这一过程后便可以方便快捷的得出所需姿态的角速度及加速度，其中关于四元数法的研究因在描述两个或多个动坐标之间相对参考坐标系的方位关系中有很大优势而在载体动力学中得到了广泛的关注和重视。四元数法用于姿态解算的方程因其计算运算量小、实时计算简单和工作效率高等优势，不仅可以应用在全姿态飞行器上并且可以广泛的用于工程实践。目前，随着载体在导航控制系统的迅速发展和运动控制中数字计算机的广泛应用，载体导航控制系统要求在导航姿态方面的数学计算环节能够更加合理并实时地表现出物体在空间中姿态运动全过程。

姿态解算技术需要解决的问题是能够利用相关数学运算的算法完成对一个载体的姿态中的角速度和加速度等姿态数据解算为相对应的俯仰角、偏航角、滚动角等更为直观的数据，并对这些数据进行相关滤波处理，提高姿态解算后姿态数据的精确度。

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