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近年来,随着自动驾驶和无人机等技术迅猛发展和迅速普及,运动控制器对载体位置和姿态检测的要求越来越高。低成本、小体积、轻重量、微功耗的位姿测量系统逐渐成为目前研究的热点。高精度位姿测量技术采用的激光/光纤陀螺、磁悬浮陀螺由于价格高昂、工艺复杂、体积和重量较大,使其无法广泛普及对体积重量及成本敏感的应用,如轻小型无人机;而MEMS技术由于其低廉的造价、极轻的重量、极小的体积使其赢得了广泛的市场,但其零漂、灵敏度等深受诟病。本文通过对惯性组合导航技术的研究,结合无人机位姿测量系统的要求,对以MEMS为核心的具有重量轻、算法轻、平台轻等特征的轻量型低成本位姿测量系统的硬件及部分软件进行设计。具体包括以下内容:1)在分析各类位姿传感器及算法的基础上,设计了以ARMSTM32F407为计算平台、以九轴MEMS姿态传感器MPU9250和GPS模块为硬件核心的低成本位姿测量系统硬件平台;平台还包括I2C接口的铁电存储器FM24CL64、实时钟(Real-Time Clock,RTC)8563、SPI接口 128M位FLASH芯片W25Q128等。在硬件平台实现的基础上,设计了相关的接口驱动程序。2)重点设计了位置和姿态检测模块的数据解析及姿态解算。在分析GPS接口数据NMEA0183协议的基础上,采用字符串检索的方式实现了 NMEA0183协议的解析,获得了UTC(世界统一时)时间、经纬度、海拔等GPS信息;编制了 MPU-9250姿态传感器的接口程序,实现了加速度、陀螺、磁等九轴的信息获取,并根据四元数算法进行了姿态解算。3)针对姿态传感器和GPS数据间数据频度不同的问题,以及多平台(如无人机编队等)时间统一的要求,本文基于1PPS的时钟校时原理,对系统进行了高精度时统设计。时统系统以GPS的PPS上升沿对毫秒计数器进行复位,并对两个上升沿之间的脉冲数进行统计计数,结合温度补偿晶振,使姿态数据能够达到正负1毫秒的时间精度。通过对8563定时器校时边沿的把控,使得秒读数与毫秒读数间达到1毫秒以内的同步;由此保证了姿态和GPS数据以及多平台之间的时间精度统一。最后,对所设计软硬件进行了调试,并对关键技术指标进行了试验验证。调试和运行结果表明本文所设计硬件平台工作稳定、能够满足位姿测量系统要求。