3DM-GD慣性導航教學實驗系統(tǒng)簡介
（慣導/航姿/運動傳感）
V2.0
第一部分 3DM-GD系統(tǒng)介紹
1 系統(tǒng)用途
3DM-GD慣性導航教學實驗系統(tǒng)（慣導/航姿/運動傳感），該系統(tǒng)標配雙軸電動轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺控制器和一個MEMS器件的AHRS航姿參考系統(tǒng)，該傳感器由九軸慣性測量組合，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁強計傳感器，能滿足導航、制導與控制專業(yè)的學生了解慣性導航及飛行控制原理，有助于學生理解、熟悉、掌握慣性導航/航向姿態(tài)/運動狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及其應用，也可以滿足其它專業(yè)如飛行技術(shù)、航海技術(shù)、無人機技術(shù)、測繪技術(shù)等不同專業(yè)的慣性導航技術(shù)的科研和教學的使用。還可設(shè)計開發(fā)各類飛行器、車輛、船舶、機器人、工程機械、穿戴式等各類運動載體測量及控制的創(chuàng)新實驗。雖然我們完善了該系統(tǒng)的實驗教學功能，同時，該系統(tǒng)也是一個二次開發(fā)平臺，可以作為其他項目的數(shù)據(jù)采集驗證平臺。
2 功能特點
（1）較低的價格，可以讓眾多學生同時動手實驗，引領(lǐng)國內(nèi)慣導/航姿/運動傳感教學和實驗進入普及化時代；
（2）國內(nèi)首家配備低成本電動轉(zhuǎn)臺，可做定量實驗，更好的掌握慣導/航姿/運動傳感技術(shù)；
（3）提供全面的相關(guān)教學和實驗配套服務，減輕教師的負擔；
（4）集成度高，包含了各類運動相關(guān)傳感器；
（5）實驗覆蓋全面，從單一運動傳感器實驗到所有運動傳感器融合的綜合實驗；
（6）通過自身在國內(nèi)慣導/航姿/運動傳感領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，實現(xiàn)慣導/航姿/運動傳感實驗室方案的不斷升級，真正使高校教學/實驗/科研水平跟上技術(shù)發(fā)展的潮流；
（7）可為學校量身定做相關(guān)實驗系統(tǒng)；
（8）系統(tǒng)集成了多種模型，能夠完成各個學科，包括航天，航空，航海，陸地等載體的慣性導航實驗項目；
3 實驗設(shè)備
圖1-1 實驗設(shè)備示意圖
3.1 慣導/航姿模塊(3DM-E10A)
該模塊是一款微型的全姿態(tài)測量傳感裝置，它由三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計、三軸磁阻型磁強計等三種類型的傳感器構(gòu)成。三軸陀螺用于測量載體三個方向的的絕對角速率，三軸加速度計用于測量載體三個方向的加速度，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方向的漂移，三軸磁阻型磁強計測量三維地磁強度，用于提供方向角的初始對準以及修正航向角漂移。可提供的輸出數(shù)據(jù)有：原始數(shù)據(jù)、四元數(shù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等。
3.2 雙軸電動轉(zhuǎn)臺（TT-3DM-2E-10）
機械臺體采用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)動架構(gòu)，采用直流電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)三維空間任意位置和角度的姿態(tài)測量。具有位置、速率和搖擺三種測試功能。技術(shù)指標如下：
|
負載尺寸重量 |
50mm×50mm×50mm / 0.5 kg |
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負載及夾具安裝空間 |
120 mm×120mm×120mm |
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主軸與俯仰軸轉(zhuǎn)角范圍 |
連續(xù)無限 |
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角位置綜合測量精度 |
±0.08º |
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控制到位分辨率 |
±0.01º |
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速率范圍 |
0.1º/s～300 º/s |
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速率精度與平穩(wěn)度 |
1% |
|
測角數(shù)據(jù)采集頻率 |
20Hz |
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用戶導電滑環(huán) |
12 環(huán)/每環(huán)2A |
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臺體重量 |
15Kg～20 Kg |
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測控電箱尺寸 |
300mmW×320mmW×88mmH |
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串口波特率 |
115200 bps |
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工作電源 |
220VAC/200 |
3.3 雙軸采集控制器(CC-3DM-2E-10)
采集控制器通過USB或串行接口連接計算機實現(xiàn)航姿模塊信號的采集與電動轉(zhuǎn)臺的測量控制。
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測角數(shù)據(jù)采集頻率 |
20Hz |
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外形尺寸 |
260mmW×230mmW×88mmH |
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串口波特率 |
115200 bps |
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工作電源 |
220VAC/200W |
第二部分 實驗平臺相關(guān)軟件介紹
1 轉(zhuǎn)臺控制軟件
轉(zhuǎn)臺控制軟件功能豐富，包括位置模式，速率模式，以及搖擺模式等等。能控制轉(zhuǎn)臺兩個軸分別進行運動。可以設(shè)定轉(zhuǎn)臺以某一角速率旋轉(zhuǎn)某一角度，也可以操縱轉(zhuǎn)臺持續(xù)以某一角速率旋轉(zhuǎn)，也可以設(shè)定轉(zhuǎn)臺以某一幅角搖擺運動。
同時，考慮到實驗室安裝，調(diào)試的準確性，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生完成實驗之后，統(tǒng)一調(diào)整轉(zhuǎn)臺至同一姿態(tài)，保證實驗室整齊整潔。
圖2-1 控制軟件截圖
2 航姿顯示實驗平臺
航姿顯示實驗平臺界面簡潔美觀，運行高效穩(wěn)定，操作簡單實用。同時軟件還進行了大量的數(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，便于學生使用matlab和excel進行數(shù)據(jù)處理和姿態(tài)解算等等操作。
考慮到軟件的實用性，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，學生只需要點擊“寫入數(shù)據(jù)文件（txt和xls）”按鈕，即可將選定時間的數(shù)據(jù)保存在文件中，以備后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理操作。這一功能不僅方便于學生進行實驗。在大作業(yè)方面，學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，編寫自己的程序進行不斷的改進，而不需要一直連接轉(zhuǎn)臺才能進行實驗。
第三部分 實驗方案介紹
轉(zhuǎn)臺上的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。基于這些數(shù)據(jù)的采集，我們目前設(shè)計了以下實驗。目前較為完善的實驗方案主要有：
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實驗編號 |
實驗名稱 |
|
1 |
實驗系統(tǒng)安裝和軟件設(shè)置實驗 |
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2 |
AHRS及微慣性傳感器認知實驗 |
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3 |
加速度計測量與結(jié)果驗證實驗 |
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4 |
加速度計標度因數(shù)和零偏的測量與計算實驗 |
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5 |
陀螺靜態(tài)測量與零偏計算實驗 |
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6 |
陀螺動態(tài)測量與標度因數(shù)估計實驗 |
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7 |
采用磁傳感器的電子羅盤設(shè)計實驗 |
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8 |
四元數(shù)法姿態(tài)解算程序設(shè)計實驗（大作業(yè)實驗） |
第四部分 系統(tǒng)配置清單
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序號 |
名稱 |
型號 |
單位 |
數(shù)量 |
|
主要器件 |
||||
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1 |
慣性導航教學實驗系統(tǒng) |
3DM-GD |
套 |
|
|
配置 |
||||
|
1 |
慣導航姿模塊 |
3DM-E10A |
個 |
1 |
|
2 |
動態(tài)傾角傳感器 |
D10A |
個 |
1 |
|
3 |
雙軸電動轉(zhuǎn)臺 |
TT-3DM-2E-10 |
個 |
1 |
|
4 |
雙軸采集控制器 |
CC-3DM-2E-10 |
個 |
1 |
|
5 |
軟件光盤 |
|
張 |
1 |
|
6 |
連接線及電源線 |
|
套 |
4 |
|
7 |
教學配套實驗軟件 |
定制 |
套 |
8 |
|
|
整套合計 |
|
|
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*可定制配套實驗
可根據(jù)經(jīng)費和實驗室的大小來配置實驗系統(tǒng)套數(shù)，效果比較好的配置是分組操作（3人一套設(shè)備），使每個學生都有條件分別獨自操作完成實驗。
實驗室也可以分期建設(shè)，逐步配置齊全。
第五部分 附錄
1.單套慣性導航教學實驗設(shè)備圖片
2.某高校配置的8臺雙軸電動轉(zhuǎn)臺慣導實驗室圖片
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