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基于MEMS的航向姿态参考系统是近些年出现的惯性测量设备,能够测量载体的实时的姿态信息。由于系统具有体积小、低功耗、低成本等优势,大量应用在军事领域和民事生活中。随着科技的发展,市场对导航系统的性能要求也是越来越高,系统的可靠性成为衡量航向姿态参考系统优劣的重要指标,在绝大多数军事应用或少数生活领域中,航向姿态参考系统出现故障会造成严重的事故或经济损失。所以当下需要解决的问题是如何提高系统的可靠性。本文针对基于MEMS的航向姿态参考系统工作在极端环境中可靠性偏低的问题,提出一种基于MEMS的冗余式航向姿态参考系统,通过器件级冗余方式提高系统的可靠性。通过系统需求分析、系统可行性方案分析。通过系统硬件平台设计、系统软件开发设计以及标定与解算算法实现展开设计。论文的主要工作如下:首先,叙述本课题的研究背景与意义,通过分析国内外现有系统存在的缺陷,提出需要解决的问题。针对提高系统可靠性性能,对系统冗余配置方式进行分析;为了实现系统低功耗特点,对比并分析系统器件选型;为了实现系统低成本特点,分析并制定硬件设计方案;为了实现系统小型化特点,分析系统冗余结构与电路板配置方式。其次,系统选用ADI公司的4个MEMS陀螺仪和4个MEMS加速度计敏感载体姿态信息,使用Altera公司的FPGA采集MEMS器件的输出信息并发送给Kinetis60处理器,在K60中实现数据解算并输出姿态信息。设计系统硬件电路和PCB板,分别设计了FPGA的最小系统电路和外围EPCS电路、K60最小系统电路和外围RS232电路、MEMS传感器电路以及系统电源电路。再次,分别设计FPGA与K60的底层程序。首先介绍FPGA的开发环境,使用QuartusⅡ与Qsys开发环境配置FPGA的硬件,使用NIOSⅡ开发环境编写FPGA与MEMS器件、K60通信程序。接下来介绍K60的开发环境IAR,在IAR中编写与FPGA的通信程序与姿态解算算法。最后,设计FIR滤波器减小分析出的误差。建立MEMS器件的误差模型并对器件进行标定,得到器件的标定系数并补偿。介绍矩阵转换和四元数解算算法,通过静态与动态实验,证明基于MEMS的冗余式航向姿态参考系统可靠性得到了提高。