3DM-GD慣性導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

（慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感）

V2.0

第一部分 3DM-GD系統(tǒng)介紹

1 系統(tǒng)用途

3DM-GD慣性導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感），該系統(tǒng)標(biāo)配雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制器和一個(gè)MEMS器件的AHRS航姿參考系統(tǒng)，該傳感器由九軸慣性測(cè)量組合，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)傳感器，能滿足導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)的學(xué)生了解慣性導(dǎo)航及飛行控制原理，有助于學(xué)生理解、熟悉、掌握慣性導(dǎo)航/航向姿態(tài)/運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及其應(yīng)用，也可以滿足其它專業(yè)如飛行技術(shù)、航海技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)等不同專業(yè)的慣性導(dǎo)航技術(shù)的科研和教學(xué)的使用。還可設(shè)計(jì)開發(fā)各類飛行器、車輛、船舶、機(jī)器人、工程機(jī)械、穿戴式等各類運(yùn)動(dòng)載體測(cè)量及控制的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。雖然我們完善了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，同時(shí)，該系統(tǒng)也是一個(gè)二次開發(fā)平臺(tái)，可以作為其他項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證平臺(tái)。

2 功能特點(diǎn)

（1）較低的價(jià)格，可以讓眾多學(xué)生同時(shí)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，引領(lǐng)國內(nèi)慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感教學(xué)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)入普及化時(shí)代；

（2）國內(nèi)首家配備低成本電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，可做定量實(shí)驗(yàn)，更好的掌握慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感技術(shù)；

（3）提供全面的相關(guān)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)配套服務(wù)，減輕教師的負(fù)擔(dān)；

（4）集成度高，包含了各類運(yùn)動(dòng)相關(guān)傳感器；

（5）實(shí)驗(yàn)覆蓋全面，從單一運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)驗(yàn)到所有運(yùn)動(dòng)傳感器融合的綜合實(shí)驗(yàn)；

（6）通過自身在國內(nèi)慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)/航姿/運(yùn)動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)室方案的不斷升級(jí)，真正使高校教學(xué)/實(shí)驗(yàn)/科研水平跟上技術(shù)發(fā)展的潮流；

（7）可為學(xué)校量身定做相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

（8）系統(tǒng)集成了多種模型，能夠完成各個(gè)學(xué)科，包括航天，航空，航海，陸地等載體的慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

3.1 慣導(dǎo)/航姿模塊(3DM-E10A)

該模塊是一款微型的全姿態(tài)測(cè)量傳感裝置，它由三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計(jì)、三軸磁阻型磁強(qiáng)計(jì)等三種類型的傳感器構(gòu)成。三軸陀螺用于測(cè)量載體三個(gè)方向的的絕對(duì)角速率，三軸加速度計(jì)用于測(cè)量載體三個(gè)方向的加速度，在系統(tǒng)工作中，主要作用是感知系統(tǒng)的水平方向的傾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滾動(dòng)方向的漂移，三軸磁阻型磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量三維地磁強(qiáng)度，用于提供方向角的初始對(duì)準(zhǔn)以及修正航向角漂移?？商峁┑妮敵鰯?shù)據(jù)有：原始數(shù)據(jù)、四元數(shù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等。

3.2 雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（TT-3DM-2E-10）

機(jī)械臺(tái)體采用UO形鋁合金框架結(jié)構(gòu)，由內(nèi)環(huán)橫滾軸框架和外環(huán)俯仰軸框架組成相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)架構(gòu)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三維空間任意位置和角度的姿態(tài)測(cè)量。具有位置、速率和搖擺三種測(cè)試功能。技術(shù)指標(biāo)如下：

3.3 雙軸采集控制器(CC-3DM-2E-10)

采集控制器通過USB或串行接口連接計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)航姿模塊信號(hào)的采集與電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)量控制。

第二部分 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)軟件介紹

1 轉(zhuǎn)臺(tái)控制軟件

轉(zhuǎn)臺(tái)控制軟件功能豐富，包括位置模式，速率模式，以及搖擺模式等等。能控制轉(zhuǎn)臺(tái)兩個(gè)軸分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。可以設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)以某一角速率旋轉(zhuǎn)某一角度，也可以操縱轉(zhuǎn)臺(tái)持續(xù)以某一角速率旋轉(zhuǎn)，也可以設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)以某一幅角搖擺運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)室安裝，調(diào)試的準(zhǔn)確性，我們還增加了“置水平位”和“歸位”操作，分別能夠使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至初始0度位置，和垂直于水平面的位置。這一功能能夠使在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)之后，統(tǒng)一調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)至同一姿態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)室整齊整潔。

圖2-1 控制軟件截圖

2 航姿顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

航姿顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面簡潔美觀，運(yùn)行高效穩(wěn)定，操作簡單實(shí)用。同時(shí)軟件還進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集操作，以固定步長收集軟IMU輸出的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)寫入文本文件和excel文件中，便于學(xué)生使用matlab和excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和姿態(tài)解算等等操作。

考慮到軟件的實(shí)用性，軟件中還可以自行設(shè)置步長以及自主選擇模型，共10種實(shí)物模型和1種簡單模型。包括：航空，航天，航海，陸地以及立方體模型。

在軟件操作方面，學(xué)生只需要點(diǎn)擊“寫入數(shù)據(jù)文件（txt和xls）”按鈕，即可將選定時(shí)間的數(shù)據(jù)保存在文件中，以備后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作。這一功能不僅方便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在大作業(yè)方面，學(xué)生也只需要采集一組特定的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存下來后，編寫自己的程序進(jìn)行不斷的改進(jìn)，而不需要一直連接轉(zhuǎn)臺(tái)才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第三部分 實(shí)驗(yàn)方案介紹

轉(zhuǎn)臺(tái)上的IMU，能夠輸出以下數(shù)據(jù)：包括線加速度、角速率、磁阻、四元數(shù)和姿態(tài)角?；谶@些數(shù)據(jù)的采集，我們目前設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。目前較為完善的實(shí)驗(yàn)方案主要有：

第四部分 系統(tǒng)配置清單

*可定制配套實(shí)驗(yàn)

可根據(jù)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室的大小來配置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)套數(shù)，效果比較好的配置是分組操作（3人一套設(shè)備），使每個(gè)學(xué)生都有條件分別獨(dú)自操作完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室也可以分期建設(shè)，逐步配置齊全。

第五部分 附錄

1.單套慣性導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖片

2.某高校配置的8臺(tái)雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)慣導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室圖片