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随着半导体制造工艺,超精密加工技术以及MEMS技术(微机电系统)的迅猛发展,系统的小型化、微型化已经成为发展的必然。现在,微型化技术已从过去自身单一的研究范畴,开始向多功能、集成化的系统方向发展,且研究领域也日渐广泛,微型飞行器就是其中之一。
微型飞行器由于其体积微小,使得它可以在有限尺寸的小范围及复杂环境内进入使用者不能或不宜进入的区域完成侦察和监测等任务,从而为解决狭小空间和特殊条件下的信息获取与传递问题提供了一种很好的选择手段,这使得它在军事应用领域和其他应用领域都得到了广泛的应用。微型飞行器的研制包含了多种学科的高、精、尖技术,其研究水平在一定程度上反映了一个国家在MEMS技术领域内的实力;因此它在科学研究领域也具有极其重要的研究价值。
要实现微型飞行器的自主飞行,就必须先解决其飞行姿态参数的测量问题,从而为飞行控制系统提供准确的控制参数。我们知道,大型飞机或飞行器主要是通过各种航空陀螺仪表来测量其飞行姿态的。要测量微型飞行器的飞行姿态,同样也离不开相应的微加速度计等惯性元器件,其性能优劣也对微飞行器控制系统性能起着非常关键的影响作用。本文对有望解决微型飞行器飞行姿态测量问题的微型惯性MEMS传感器进行了详细介绍,根据现阶段微型直升机的研制目标,设计并完成了一套可以采集并分析微飞行器运动信号的测量系统,该系统包括采集、控制、通讯、计算等部分。
该系统的采集部分采用一个Z轴微加速度计和一个X,Y双轴微加速度计组成微型惯性测量组合(MIMU)以模拟测量微飞行器在空间三维轴向上的运动信号;控制测量部分采用DSP完成数据的输入输出,包括控制AD转换器采样MIMU的输出信号,进行误差补偿,与上位机交换信息等。通讯部分采用RS232串行通讯方式将MIMU的测量数据下载到PC机(上位机)上。上位机对采集来的三维运动信息进行处理计算后给出三维轴向上的姿态角、运动速度等信息。
本文还初步研究了微飞行器姿态算法及其对地速度的解算。
微飞行器是多项学科交叉、综合应用多种电子电路技术、探索新原理、新方法和新设计的前沿科学研究课题。本文在此方面虽然取得了一定的进展,但离真正实用化尚有一定的距离。但我们相信,随着人类科技的不断发展,目前存在于微惯性测量器件设计制作中的许多难点和疑惑将会得到逐步解决,微飞行器飞行姿态测量方法和飞行控制系统也会随之不断进步。希望本文所作的工作和得出的一些结论,可以为微型飞行器后续发展研究提供有益的帮助和借鉴。