直观出位置姿态曲线。捷联惯导系统发展概况惯性导航系统是导航技术领域内的重要分支，是种不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统。这就使其不但具有很好的隐蔽性，而且工作环境不仅包括空中，地球表面，还可以在水下。惯导所提供的数据十分完全，它除了能提供载体的位置和速度外，还能给出航向和姿态角而且，它具有数据更新频率高，短期精度和稳定性好等优点。所有这些，使惯性导航系统在军事导航以及民用导航领域中起着越来越大的作用，具有良好的发展前景。捷联惯导系统是惯性导航发展的的趋势，发展非常快。回顾捷联惯导的发展，早在年美国就有了捷联惯导系统的专利，但当时由于缺乏适用于捷联式的导航元件和计算机，所以无法实现。年代初期，美国联合飞机公司哈密尔顿标准中心研制的入捷联系统，首先在阿波罗登月舱中得到应用，随后公司的型则，成功地制导了普莱姆飞行器。年代后期，捷联系统有了很大的发展。年，美国联合公司制造的，先后装备了登月舱三级火箭登月舰等。美国海军空军于年决定为飞机和导弹研制捷联式导航惯性导航系统，其中较为出色的有洛克韦尔公司研制的采用静电陀螺的中等精度低成本机载捷联式系统公司的激光陀螺捷联系统。前者定位精度为，测速精度为，平均无故障时间为。后者的定位精度也是，测速精度则为，平均无故障时间为。由于捷联惯导系统有诸多的优点，国外先进国家己在各类飞机包括预替机，战略轰炸机，运输机斗机以及民航客机等，水面舰艇，航母和潜艇普遍装备有惯导，甚至坦克，装甲车以及地面车辆也都打算装备惯导。我国惯导系统起步较晚，惯性导航系统的研制从年代开始，经过三十多年的预研与技术攻关，走过了从液浮陀螺加速度计到挠性从平台到捷联从纯惯性导航到惯性组合导航的过程。目前，我国自行研制的第代中等精度高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成个系列，并已经批量装机使用，低成本中等精度的小型捷联惯导系统相关技术研究挠性捷联惯导己经进入生产。但由于受国内制造工艺技术水平的限制和国外技术先进国家的技术封锁，高等精度的激光陀螺光纤陀螺还处在研制阶段，微机械惯性仪表还处在萌芽期。现在我国自行设计的导弹和卫星用的惯性仪表与系统已投入小批量生产。运载火箭向太平洋发射的成功，标志着这些惯性技术己经达到了相当的水平。本课题的主要研究内容本课题在阐述捷联惯导系统算法的原理下，提出了基于单片机的数据采集的导航数据输出器的方案，即通过单片机输出解算后的的导航数据，并在环境下建立仿真界面，直接将导航数据直观的显示出来。通过本系统能更好理解各个导航数据量之间的关系，在已知导航解算数据的情况下，也可作为直观显示界面种方案。第二章捷联惯导系统原理常用坐标系惯性导航系统用到了大量的坐标系的变换及角度变换运算，因此在介绍惯性导航原理之前有必要明确几种常用坐标系的定义及关系。惯性坐标系坐标系的原点选在地球的中心。轴沿地轴指向北极的方向，轴则在地球的赤道平面内，并与轴构成右手直角坐标系，该坐标系相对惯性空间静止或保持匀速直线运动。地球坐标系坐标系原点位于地心。轴与地球极轴重合。轴指向格林尼治经线。轴指向东经度，该坐标系与地球固连，并相对惯性坐标系以地球自转角速度旋转，小时。地理坐标系坐标系的原点选在载体重心处，地理坐标系的坐标轴有几种不同的设置方式，般情况下有两种东北天坐标系和北东地坐标系，不管哪种设置方式都采用右手坐标系。本文采用东北天坐标系，即水平指东，水平指北，沿垂线方向指天。导航坐标系导航坐标系是在导航时根据导航系统工作的需要而选取的作为导航基准的坐标系。般情况下把导航坐标系选得与地理坐标系重合，也可选为水平面。与地理坐标系重合，方位上有个夹角。本文的导航坐标系选为地理坐标系。平台坐标系平台坐标系的说法来源于平台式惯性导航，即惯导系统中与物理平台台体固连的坐标系。在惯导的整个工作过程中，平台坐标系在原理上跟踪导航坐标系，当惯导系统不存在误差时，此坐标系与导航坐标系重合当存在误差时，两坐标系之间的夹角即为对小型捷联惯导系统相关技术研究准误差角，或称失准角。而在捷联惯导中，平台坐标系是通过存储在计算机中的姿态矩阵来实现的。舰船坐标系舰船坐标系的作用是体现舰船相对与当前地理坐标系的摇摆偏航纵摇横摇程度。因此，这种坐标系与舰船固连，原点为舰船重心，同时，在坐标轴方向设置时要考虑与地理坐标系的设置相符，因此选定指向舰船右舷。轴沿舰船舷尾线方间并指向舰舷，垂直于舰船甲板面向上，构成右手坐标系。惯性导航基本原理惯性导航系统是种典型的自主推算定位系统。假设载体的初始位置已知，利用惯性测量元件陀螺仪加速度能,绕,旋转的坐标变换函数,存图按钮按下函数功能姿态图像保存到特定的文件路径下,保存图形区域图形保存到三维地理位置信息显示模块软件结构图图三维地理位置信息显示模块软件原理图如图所示，通道数据以描点方式显示在三维坐标系中，其中相邻两点用直线连接在起可得到运动轨迹曲线，同时可以图像方式输出。相关软件界面图图三维地理位置信息显示模块软件界面通道数据三维轨迹线界面显示控制器图形存储文件夹如图所示，软件界面主要是用控件进行绘图。同时也能在不同的二维平面进行投影显示，输出图像文件，设置曲线的颜色。相关部分源码代码功能绘制三维轨迹曲线,三维绘图整体仿真界面图整体软件仿真界面第七章系统软硬件调试下位机软硬件联机调试硬件电路的调试，按照原理图在实验室做出板包括原理图打印，热转印，腐蚀打磨等主要步骤，焊接元器件。焊接过程中采用边焊接边测试，焊接个功能电路就测试个功能电路。，测试硬件电路先测试整个系统能否工作，如果不能再按先测电源，再测信号，步步往上检查功能模块方法调试系统。，硬件电路调试成功的标志是能够通过串口下载程序到单片机。下位机系统调试测试方法将下位机程序下载到单片机上，并且在端通过串口调试工具能显示下位机通过采集的不同通道的数据。设置好串口调试工具的串口通信协议。如图图下位机系统调试测试结果从图上可看到串口调试工具显示由串口发送出来的数据，下位机的程序可知串口每帧发送个字节的数据,可以切换到不同的显示方式码和显示，改变玩具遥控器不同通道的手柄的位置，可以看到相应通道值也跟着改变。因为采样模块是位精度，故其范围值是从。上位机软件调试对上位机软件各部分功能模块的测试调试是基于内部数据发生器产生仿真数据的基础上进行的，使用内部数据发生器能保证仿真数据的正确性，而避免了因为数据格式不对而造成显示。数据实时显示模块测试方法启动仿真软件，点击自动演示启动数据发生器点击曲线样式,点样式下拉框改变各条曲线和描点的样式点击曲线颜色块改变相应曲线的颜色点击停止演示停止数据发生器点击图形缩放对图表进行缩放点击保存为表单，保存为图像输出表单图像文件文件还可以进行显示或禁用图表网格，设置曲线条数，数据通道的宽度等等。观察图表区域的现象，如有找到相应源码的处进行修改，尽可能减少系统。图数据实时显示模块测试测试结果由上面截图可知数据实时显示模块具有友好的交互界面和比较简单的操作方法。较好地满足了本设计的要求。详细测试见附录实时姿态显示模块测试方法启动仿真软件，点击自动演示启动数据发生器可对三个姿态量进行相应数据通道的选择。观察图表区域的现象，如有找到相应源码的处进行修改，尽可能减少系统。图实时姿态显示模块测试测试结果由上面截图可知实时姿态显示模块具有较真实的表盘界面。满足了本系统设计的要求。详细测试见附录姿态显示模块测试方法启动仿真软件，点击自动演示启动数据发生器点击模块开关按钮打开显示模块设置图表的背景色，颜色，切换不同的二维界面投影。观察图表区域的现象，如有找到相应源码的处进行修改，尽可能减少系统。图姿态显示模块测试结果由上面截图可知数据姿态显示模块能形象直观的表现载体的三维姿态图满足本设计的要求。三维地理位置信息显示模块测试方法启动仿真软件，点击自动演示启动数据发生器点击模块开关按钮打开模块开关设置图表的背景色，颜色，切换不同的二维界面投影，通过三维标尺测量信息点坐标的。观察图像区域的现象，如有找到相应源码的处进行修改，尽可能减少系统。图三维地理位置信息显示模块测试结果由上面截图可知数据三维地理信息模块能形象直观的表达了载体的三维坐标轨迹图，满足本设计的要求。第八章系统联机测试报告在对下位机和上位机分别进行测试后，满足了本任务设计需求，现对系统联机进行测试。串口数据在线显示功能测试测试方法连接好硬件，打开下位机电源打开仿真程序界面通过串口配置区设置好串口通信格式点击串口开关打开串口下位机摇动不同通道的摇杆观察数据实时显示模块的图表区现象,如有找到相应源码的处进行修改，尽可能减少系统。图串口数据在线测试测试结果从以上截图可知，串口数据通信正常。其他模块在线功能测试其他模块功能在线的测试方法跟在第七章的测试方法基本致，只要通过打开串口模块开关改变数据源，故具体的测试方法不再阐述。测试结果如下图三维地理信息模块在线测试图实时姿态模块在线测试图姿态模块在线测试全部功能模块在线测试将所有的功能模块打开，用同样的测试方法，对所有功能进行在线测试。图全部功能模块在线测试综上所述本设计所完成的方案，系统的各个模块功能正常。较好地满足了题目的要求。第九章总结与展望在老师的指导下，通过自己的努力，最终做成了个较为完善的系统，各项性能指标均达到题目要求。本课题是个综合性较高的题目，涉及到单片机控制技术，捷联惯导技术原理，数字与模拟电子技术，计算机编程技术等多学科知识。不管是在软硬件设计阶段还是在硬件制作和最后的软硬件联调阶段都遇到了种种问题，在肖老师的指导下和同学的交流中，寻找问题解决问题，最终测试通过。在此非常感谢老师的细心指导和同学的帮助,通过此次毕业设计，提高了分析问题，解决问题的能力，且学会了如何将理论运用到实践中去。巩固了理论知识，也增强了动手能力。由于个人的知识结构水平，实验条件等诸多因素，本设计很多性能有待提高。如本系统仿真器通道数不够，采样精度可进步提高，另外仿真界面设计可进步优化，源码结构也需精简等等。这些问题今后亟待完善。毕业设计说明书题目基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的实现学院信息工程学院专业自动化