-
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
姿态测量系统开发——上位机监控
I
摘
要
基于惯性平台的三自由度姿态测量
系统是
《航空测试系统》
课程的核心实验之一。
本文在实验室现有转台及陀螺仪的基础上，
开发一套适用于相关课程姿态测量部
分的
实验系统。
论文设计了一个基于
L
abVIEW
的三自由度姿态测量的上位机系统
,
实现对
转台三自由度姿态的实时监控。通过
RS-
232
串行通信，系统接收下位机的姿态采集
数据，进行实时曲
线显示。串行通信利用
LabVIEW
软件中的
I/O
接口模块的
VISA
库
函数来实现。
曲线显示利用波形表
Ex
pressVI
实现。
接收的姿态数据以
EXCEL
表格的
形式保存，
便于对
数据的查询与检索。
本系统充分利用了
LabVIEW
的强大功能，
实现
了对姿态的实时监控，便于课
程实验的使用。
关键词
：
LabVIEW
；串行通信；姿态测量；
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
Attitude Measuring System
Developing
—
PC Monitor
Abstract
3-DOF attitude
measurement system based on the inertial platform
is one of the core
ex
periments
in
the
class
‘
Aeronautical
Testing
System’.
An
experimental
system
is
developed to be used in the relative
courses, which is based on the existing turntable
and
gyro sensors. This paper presents a
3-DOF attitude measurement system which implements
the
realtime
monitor
to
the
attitude.
With
the
RS-232
serial
communication,
the
system
receives the attitude
data from the slave, display the data curve. The
serial communication
is implemented by
the VISA lib functions in the I/O interface module
of the LabVIEW, the
curve display is
implemented by the waveform Express VI, the data
received is saved in
the
Excel
format,
which
is
convenient
to
query
and
index
the
data.
Using
the
strong
functions of LabVIEW, the system
achieves the realtime monitor for the attitude
data, and
easy to be used in the class
experiments.
Keywords:
LabVIEW; Serial Communication; Attitude
Measurement
III
目
录
1
绪论
.........................
..................................................
..................................................
...... 1
1.1
引言
.
......................................
..................................................
..................................... 1
1.1.1
国外研究现状
.
...............................
..................................................
.................... 1
1.1.2
国内研究现状
.
................................................ .................................................. ... 2
1.1.3
姿态测量在实验室的现状
.
...........................................
......................................
2
1.1.4
应用前景
.
..................................................
..................................................
......... 2
1.2
虚拟仪器
.
..................................................
..................................................
................ 2
1.3
课题任务及要求
.
.................................
..................................................
...................... 3
1.4
课题内容及安排
.
.................................
..................................................
...................... 4
2
系统总体方案设计
...................
..................................................
......................................
5
2.1
系统总体结构框架设计
.
..............................
..................................................
............. 5
2.2
系统总体硬件设计
.
................................
..................................................
................... 6
2.3
系统软件总体设计
.
..............................................
..................................................
.... 6
3
上位机系统的设计
...................
..................................................
......................................
7
3.1
上位机系统的设计
.
..............................................
..................................................
.... 7
3.2
信号采集模块设计
.
................................
..................................................
................... 7
3.2.1
串口通信技术
.
................................
..................................................
.................... 7
3.2.
2 VISA
库的简介
.................
..................................................
................................ 8
3.3
数据处理模块设计
.
...............................
..................................................
................. 10
3.3.1
解算姿态角的方法
.
..............................
..................................................
............ 11
3.3.2
基于四元数法解算姿态角
.
...........................
..................................................
... 13
3.4
数据显示模块设计
.
..............................................
..................................................
.. 14
3.5
数据存储模块设计
.
..............................................
..................................................
.. 15
3.6
历史数据回放模块设计
.
............................................ .............................................. 15
4
系统软件设计的具体实现及界面设计
...........
..................................................
............ 17
4.1
引言
.
..
..................................................
..................................................
.................... 17
4.2
系统具体应用程序的实现
.
...........................................
...........................................
17
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
4.2.1
串口通信程序
.
...............................
..................................................
.................. 17
4.2.2
数据处理程序
.
................................................ .................................................. . 17
4.2.3
数据保存程序
.
................................................ .................................................. . 18
4.2.4
历史数据回放程序
.
..............................................
.............................................
19
4.3
系统面板设计
.
..................................
..................................................
....................... 19
4.3.1
串口通讯面板
.
...............................
..................................................
.................. 19
4.3.2
实时数据显示面板
.
..............................................
.............................................
20
4.3.3
历史数据回放界面
.
..............................................
.................................................
20
5
系统的调试分析
....................
..................................................
.......................................
22
5.1
LabVIEW
与串口的调试
...
..................................................
.....................................
22
5.2
系统联调
.
..................................................
..................................................
.............. 22
5.3
调试问题分析
.
................................................ .................................................. ........ 22
结论
..
..................................................
..................................................
............................... 24
社会经济效益分析
...................
..................................................
........................................
25
参考文献
.........
..................................................
..................................................
................ 26
致
谢
..........................
..................................................
..................................................
... 28
附录
程序清单
.......................
..................................................
..........................................
29
V
1
绪论
测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广
泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。
20
世纪
70
年代以来，计算机、微电子等
技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与
技术不断进步，相继诞生了智能仪器、
PC
仪器、
VXI
仪器
、虚拟仪器及互换性虚
拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，
计算机与现代化仪器设备间的界限日渐
模糊，测控领域和范围不断拓宽。
近年来，
以计算机为中心、
微电子技术和软件技术以及网络技术的网络化虚
拟测控技术与网络化虚拟测控系统得到越
来越多的应用，
尤其是在航空航天等国
防科技领域。
网络化的虚拟测控系统大体上由两部分组成：
测控终端与传输介质，
随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，
其中，软件系统是计算机系统的核心，
甚至是整个测控系统的灵魂，
应用于测控
领域的软件系统称为监控软件。
传输介
质组成的通信网络主要完成数据的通信与
采集，这种数据通信采集系统是整个测控系统的
主体，是完成测控任务的主力。
因此，这种“监控软件－数据通信采集系统”
构架的测控系统结构在很多领域都
得到了广泛的应用，并形成了一种新的技
术——虚拟仪器技术。
1.1
引言
载体的姿态测量是载体进行预计轨道运动的基础。
随着航海、
航
空和宇宙航
行的发展，
对运载体的控制的要求就越来越高。
姿态测试系统在航天科技领域起
着越来越重要的作用。
对确定飞行体各种飞行姿态有着重要的参考意义。
在测试
领域中，低功耗，小体积。噪声小，太容量已是竞争的主要目标。
随着科学技术的发展，
它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。
根据需要，
陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，
以便驾驶员或
用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线，而在导
弹、
卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，
则直接利用
这些信号完成航行体
的姿态控制和轨道控制。
载体的姿态测量有多种方法，
根据对象以及执行任务要求的不同，
姿态传感
器可选用惯性式、、磁感应式等。磁感应传感器由于利用了地球的磁
场，结构中
没有可动部件因而具有良好的抗冲击和抗干扰性，
其
结构简单、
体积小、
重量轻、
启动迅速
、成本低，成为许多载体测量的首选器件。
1.1.1
国外研究现状
在姿态测量系统中，<
/p>
一个很重要的一起就是运动平台。
对转台的研究开始于
航空航天转台的研究，
但不局限于航空航天方面的应用，
< br>而且还广泛应用于船舶
运动、机械化工、测量、勘探等民用领域。所以各发达国家
如美国、俄罗斯、德
国、
法国等都投入了大量资金和人力从事惯
性测试转台的研制。
美国是世界上最
早研制和使用惯性转台的国
家。
其制造水平处于世界领先地位，
代表了当今世界
惯性转台发展的最高水平。
世界第一
台转台于
1945
年诞生于麻省理工学院
(MIT)
，
这种转台后来被命名
为
A
型转台。
这种转台使用滚珠轴承支承
，用交流力矩电机驱动，位置分辨率为
角分级。
由于这种转台存
在很多缺点，
后来没有投入使用。
但是它开创了设计和
使用转台的先河。后来麻省理工学院在此基础上又设计了
B
、
C
型转台。
1954
年
研制成功了
D
型
转台，标志着转台发展到了一个新的水平。
随着科学技术地发
展，
姿态测量方法也多种多样。
现在主要的姿态测量方法
主要分为
GPS
测量姿态与陀螺测量姿态。<
/p>
GPS
测量姿态的优点主要是精度高，应
用十分广泛，
我们可以应用
GPS
信号
可以进行海、
空和陆地的导航，
导弹的制导，
< br>大地测量和工程测量的精密定位，
时间的传递和速度的测量等。
< br>但缺点是容易受
到电子干扰。
而陀螺测量姿态的优点是灵
敏度高，
也就是说是短时间内它测得的
角速度，角加速度非常准
，高过
GPS
，但是陀螺随着时间的延续，它不能很准确
的得到姿态值，也就是通常人们所说的漂移。所以现在测量一般两者结合，
既可
以提高精度，又可实现无缝导航。
1.1.2
国内研究现状
和世界发达国家相比，
我国研制转台起步比较晚，但是发展迅速。我国大约
是在
60
年代中期开始转台的研制工作。结构设计大致经历了单轴、双轴和
三轴
几个阶段。
1966
年
707
所开始研制
DT
—
l
型高速转台，
1974
年进行全面的精度
测定，
1975
< br>年通过技术鉴定。该转台由机械台体和电子控制箱两部分组成，采
用气浮轴承，<
/p>
交流力矩电机直接驱动，
用感应同步器和旋转变压器组成测角系统
。
虽然我国转台事业发展较晚，但是进步很快。从
1980
以后将计算机控制技
术成功的运用于转台
的电控系统，
使测试自动化程度大大提高。
转台台体的结构
设计更加完美，也为进一步提高转台的精度提供了依据。
1.1.3
姿态测量在实验室的现状
姿态测量是
《航空测试系统》课程的核心实验之一，
目前在实验室已经具备
惯性状态和陀螺仪的情况下，
以及虚拟仪器在个打高校都已经普
及，
这也使姿态
测量的实验可以实现。
1.1.4
应用前景
姿态测量系统可以及时的显
示出载体的姿态数据，对控制系统有很大的帮
助，因而姿态测量系统可以广泛的应用于航
空、
航海以及国防事业中。
随着科技
的
发展，姿态测量系统在现代的控制过程中有这更加广阔的应用前景。
1.2
虚拟仪器
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（
National <
/p>
Instruments
）最先提出
的。
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，
如示波器、逻
辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业
控制系统之中；
可自由构建成专有仪器系统。
虚拟仪器是智能仪器之后的新一代
测量仪器。
虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”
。该技术把仪器分为计算
机、
仪器硬件和应用软件三
部分。
虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的
测量仪器<
/p>
（包括
GPIB
、
RS-232
等传统仪器以及新型的
VXI
< br>模块化仪器）
为基础，
将仪器硬件连接到各种计算机平台
上，
直接利用计算机丰富的软硬件资源，
将计
< br>算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）
等
硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯
以及图形用
户界面）有机的结合起来。
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬
件模块和计算机软件构成的电子测试仪
器，而软件是虚拟仪器的核心
[6, 7, 8]
，如图
2.1
所示，其中软件的基础部分是设
备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发
与仪器的硬件变化无
关。这是虚拟仪器最大的优点之一，
有了这
一点，
仪器的开发和换代时间将大大
缩短。虚拟仪器中应用程序
将可选硬件（如
GPIB
，
VXI
，
RS-232
，
DAQ
板）和可
重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模
块间的通信、定时与触发。
源代
码库函数为用户构造自己的虚拟
仪器（
VI
）系统提供了基本的软件模块。由于
VI
的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变
化时可以方便地由用户自己来增减硬、
软件模块，
或重新配置现有系统以满足新
的测试要求。这样，
当
用户从一个项目转向另一个项目时，
就能简单地构造出新
的
VI
系统而不丢失己有的硬件和软件资源。
操作系统
虚拟仪器软件面板
虚拟仪器开
发者
虚拟仪器开发者
虚拟仪器软件开发平台
底层驱动程序
硬件模块
图
1.1
虚拟仪器开发框图
虚拟仪器技术的优
势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，
很容易构建，所以应用面极为广
泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的
“硬件
软件化”的发展
趋势，因而常被称作“软件仪器”
。它功能强大，可实现示波
器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头
和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血
< br>液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符
合
传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。
1.3
课题任务及要求
本课题需要学生熟练掌握虚拟仪器的测量技术原理和方法，
对虚拟仪器的开<
/p>
发平台
LabVIEW
有着深刻的了解并
能运用
LabVIEW
开发出一整套的上位机虚拟仪
器。用此仪器实现对下位机数据的采集、显示和存储。
1.4
课题内容及安排
本文对基于
LabVIEW
虚拟仪器技术实现的上位
机——三自由度姿态监控和
图形显示，进行了详细的介绍，
共分
为
5
章。
第
1
章简要介绍了整个课题的研究
背景、
国
内外现状、科学意义及整个任务的要求安排；第
2
章是对系统总
体设计
方案设计的介绍；第
3
章是上位
机系统的设计，
主要叙述上位机的设计思路和方
法；
第
4
章介绍系统软件设
计的具体实现和仪器的界面设计；第
5
章介绍系统
的调试技术分析。
2
系统总体方案设计
本次设计是利用实验室现有的转台实现对三自由度姿态的测量并显示姿态
的
图形和保存数据。该系统以单片机为核心的下位机和以
PC
机为
核心的上位机
组成。
在下位机中主要实现对传感器数据的采集和
与上位机的串行通信；
在上位
机的部分中主要利用
LabVIEW
软件平台实现对下位机的数据处理、显示和存储。
2.1
系统总体结构框架设计
三自由度姿态测量实验系统开发是由一台
PC
机（上位机）和一台单片机构
成的测量电压模块（下位机）
组成
主从式微机测量系统。
该系统可分为如下
3
个
部分：上位机
PC
机模块、串口
电平转换模块、下位机单片机系统。系统的总体
结构原理框图如图
2.1
所示。
驱动
电路
三路角
度测量
单
片
机
系
统
数据显示
串口
通信
PC
机
数据回放
数据保存
图
2.1
系统总体结构框图
各部分模块实现功能的简介：
1
、上位机
上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是
PC
，屏
幕上显示各
种信号变化。
上位机一般是
PC
机，上位机软件是能够通过
PC
机
控制下位机
（单
片机）或和下位机进行交互（通信，数据交换等
），一般是一个和下位机通信的
PC
接口，上位机和下位机的连
接一般用
RS232
（串口）或
USB
协议。
上位机是整个测量实验系统的
核心部分，主要利用虚拟仪器作为控制平台。
它的主要功能有：
①对串口参数的设计和测试串口通信；
②采集下位机的数据和
处
理电压向角度的转换；③显示当前的角度值和波形曲线；④记录角度信息，
保
存数据和历史数据回放。
2
、串口通信
串口通信是一种在计算机与计算机之间或者计算机与外围设备之间数据的
常用方法。串
行通信使用计算机内建的串口，
用户无需再购买任何特殊硬件，
只
要一根串口线就可以达到发送或接收数据的目的，
而且不失测
试的准确性。
采用
RS-232
接口标准可以实现比较短距离的测量，
若
采用
RS-485
接口标准可以实现
更
远的传输距离。所以，
串口通信现在仍广泛应用于数据采集、
监
测监控以及仪
表控制等场合。本系统采用
RS-232
接口进行串口通信，单片机通过此模块发送
数据给上位机。
3
、单片机系统
单片机系统是下位机的核心，
由数据采集电路组成，
< br>主要完成对传感器信号
的采集和对上位机数据的发送。
2.2
系统总体硬件设计
上位机采用实验室现有的普通
PC
机，
硬件配置：
Pentium(R)
4
CPU
1.70GHz
，
256MB
内存，硬盘
40G
，操作系统
WindowsXP
。
下位机系统的核心是单片机，本设计的单片机采用型号为
STC
；串口电平转
换模块采用
MAX-23
2
芯片进行电平转换；采用
ADXRS401
< br>陀螺仪传感器测量转台
角速度。
2.3
系统软件总体设计
1
、上位机
上位机的设计采用
LabVIEW
进行程序设计，
完成人机交互的人性化友好界面
设计，同时利用
La
bVIEW
中
VISA
库函数的强大通
信能力实现与下位机的通行和
数据传输，并在界面上实时的显示、存储数据和对历史数据
的回放。
2
、下位机
下位机采用
C
语言进行程序设计，
主要
包括
A/D
转换、通道设计、
串口初始
化和串口数据发送。
当单片机上电后，
程序即开始运行，
对传感器信号进行采集，
同时向上位机发送采
集的数据。
3
上位机系统的设计
3.1
上位机系统的设计
系统程序的主要功能为模块划分的标准，
其他包括系统功能选项，
数据采集，
数据保存，数据显示等功能。具体结构见图
3.1
姿态测量上位机功能模块图。
姿态测量系统上位机
串口通讯
数据显示，
保存
数据回放
数
据
位
设
置
<
/p>
波
特
率
设
置
串
口
号
选
择
停
止
位
设
置
图
形
显
示
保<
/p>
存
至
表
格
数
字
显
示
图
3.1
姿态测量上位机功能模块图
< br>
3.2
信号采集模块设计
3.2.1
串口通信技术
串口是一种最通用的设备通信协议。通常的设备都有两个
RS-232
串口。串
口是以
bit
为单位来传送与接收字节，
它可以用一根数据线发送数据时用另一根
数据线来接收。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；
< br>串口通信协议也可
以用于获取远程采集设备的数据。
<
/p>
串口通信是一种在计算机与计算机之间或者计算机与外围设备之间数据的
< br>常用方法。串行通信使用计算机内建的串口，
用户无需再购买任何特殊硬件，
只
要一根串口线就可以达到发送或接收数据的目的，
而且不失测试的准确性。
采用
RS-232
接口标准可以实现比较短距离的测量，
若采用
RS
-485
接口标准可以实现
更远的传输距离。所以，
串口通信现在仍广泛应用于数据采集、
监测监控以及仪
表控制等场合。
传统的串口调试采用高级语言，
程序代码冗长，不便进行功能拓展。
如果对
串口
数据进行分析，则需推翻原有程序结构，
重新编制代码。
而图形
化编程语言
LabVIEW
的出现为串口调试与数据分析带来了极大方便。
3.2. 2 VISA
库的简介
<
/p>
LabVIEW
提供了功能强大的
VIS
A
库。
VISA
（
Virtual Instrument Software
Architect
ure
）
——虚拟仪器软件规范，
是用
于仪器编程的标准
I/O
函数库及其
相
关规范的总称。
VISA
库驻留于计算机系统中，完成计算机与
仪器之间的连接，
用以实现对仪器的程序控制，
其实质是用于虚
拟仪器系统的标准的
API
。
VISA
本
身不具备编程能力，它是一个高层
A
PI
，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的
编程，其层次图如
图
3.2
所以。
应用软件层
应用软件开发层
驱动程序层
I/O
接口软件层
I/O
接口硬件层
VISA
层
Serial
VXI
图
3.2
VISA
库的层次结构
GPIB
与其他现存的
I/O
接口软件相比，
VISA
的
I
/O
控制功能具有如下几个特点：
适用于各种仪器类型（如
VXI
仪器、
GPIB
仪器、
RS-232
串行仪器、消息基器件、
寄存器器件、存储器器件等仪器）；适用于各种硬件接口类型；适用于单、多处
理器结构或分布式网络结构；适用于多种网络机制。
本设计
用到的主要的串口通讯函数调用路径为：
Functions>>Instrument
I/O>>VISA>>VISA Advanced>>Interface Spe
cific>>Serial
。
VISA
库中的串口
通讯函数：
(1)
Serial Port
节点
该
节点主要用于串口的初始化。
在进行串口通信前，首先要配置好串口，即
先初始化串口，
使计算机串口的各种参数设置与仪器设备的串口保持一致，
这样
才能够正确地通信，其节点图如图
3.
3
所示。主要参数如下：
图
3.3
VISA
配置串口函数的节点
VIS
A
资源名称：端口号，用来选定需要通信的串口，可选的值为
0
~8
，分别
对应
COM1~COM9<
/p>
，默认值为
0
。本设计接普通计算机串口
，可选
COM1
和
COM2
。
波特率：
用来设置通
信时的波特率，
可选波特率：
110bps
、
200bps
、
1200bps
、
4800bps
、
< br>9600bps
、
19200bps
、
38400bps
、
57600
bps
、
115200bps
，
默认为
9600bps
，
最高为
115200bps
。本设计选择波特率为
9600bps
。
数
据比特：一帧信息中的有效数据的位数，
LabVIEW
中允许
5~8
位数据，默
认为
8
位。
停止位：一帧信息中
的停止位的位数，可选的值为
0~2
，本别对应
1
位、
1
位半或
2
位，默认值为
0
。
奇偶校验：奇偶校验设置。可选的值为
0~
4
，
0
：无校验
(
默认值
)
；
1
：奇校
验；
2
：偶校验；
3
：标记；
4
：空，默认值为
0
即无校验。
< br>
超时：设置串口读写的时间。
流控制：该参数数据类型为簇，用于串行通讯中的握手方式。
(2) Serial Port
节点
该节点为串口读子
VI
，读出串口中的数据，为后续的数据处理提供条件。
其节点图如图
3.4
所示。主要参数意义：
图
3.4
VISA
读取函数的节点
VISA
资源名称：端口号，同上。
字节总数：用于设置所要读取的字符数。由于
LabVIEW<
/p>
的串行通讯子
VI
只
允许对字符串的读写，
因此本设计在进行数据处理时，
必须
要实现字符串与数字
之间的正确转换。
读取缓冲区：输出串口读取的数据。
VISA
资源名称输出：读完后可接下一个端口继续操作。
错误输出：错误输出端。
错误输入：前面发生错误输入端。
(3) Serial Port
节点
该节点为串口写子
VI
，将需要送出的数据发送至串口的输入缓存，送至仪
器端，其节点图如图
3.5
所示。该子
VI
只有一个主要参数：
图
3.5
VISA
写函数的节点
写入缓冲区：发送至串口的数据接入端。
(4)Close Serial
节点
该节点用于将打开的串口资源关
闭，其节点图如图
3.6
所示。该
VI
只有一
个主要参数：
图
3.6
VISA
关闭函数的节点
VISA
资源名称：端口号，同上。
3.3
数据处理模块设计
传感器陀螺仪输出的是电压信号，
其每一个电压信号都对应转台的一个角
度
值。因此在处理下位机传输过来的数据的时候，应将电压信号转换成角度值，
使
用户能直观的了解转台三自由度的姿态。
<
/p>
由于载体的姿态方位角速率较大
,
所以针
对姿态矩阵的实时计算提出了更高
的要求。
通常假定捷联系统<
/p>
“数学平台”
模拟地理坐标系
,
即导航坐标系
;
而确定
载体的姿态矩阵即为研究载体坐标系
(b)
和导航坐标系
(E)
的空间转动关系
,
一般
用载体坐标系相对导航坐标系的三次转动角确定
,
习惯上俯仰角和偏航角用
θ
和
ψ
表示
,
滚转角用
γ
表示。图
3.7
为捷
联式惯性导航原理图。
加速度计
姿态矩阵
导航计算
陀螺仪
姿态矩阵计算
载
体
速
度
与
位
置
姿态角计算
载体姿态角
图
3.7
捷联式惯性导航原理图
3.3.1
解算姿态角的方法
目前主要的研究方法为
:
欧拉法、方向余弦法
与四元数法。
一、欧拉角微分方程式
一个动坐标系相对参考坐标系的方位可以完全由动坐标系依次绕
3
个不同
的轴转动的
3
个角度来确定。如把载体坐标系作为动坐标系
,
把导航
坐标系作为
参考坐标系
,
则姿态角即为
一组欧拉角
,
按一定的转动顺序得到导航坐标系到载
体坐标系的关系。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
cos
θ
?
?
?
0
?
?
?
?
0
?
< br>?
sin
?
sin
?
cos
?
cos
?
sin
?
cos
?
sin
?
??<
/p>
?
sin
?
co
s
?
??
??
??
cos
?
??
?
Hbx
?
Hby
?
Hb
z
?
< br>
(1)
< br>?
?
?
?
根据欧拉角微分方程
,
由角速度可以求解
3
个姿态角。欧拉角微分方程式只
有
3
个
,
但每个方程
< br>x=f(cos x,sin x)
ω
都含有三角函数的
运算
,
计算速度慢
,
< br>且
方程会出现“奇点”
,
方程式
退化
,
故不能全姿态工作。
二、方向余弦矩阵微分方程式
当一个
坐标系相对另一个坐标系做一次或多次旋转后可得到另外一个新的
坐标系
,
前者往往被称为参考坐标系或固定坐标系
,
后者被称为动坐标系
,
他们之
< br>间的相互关系可用方向余弦表来表示。
方向余弦矩阵微分方程式可写为载体坐标<
/p>
系相对导航坐标系旋转角速度的斜对称矩阵表达式
,
方向余弦表是对这两种坐标
系相对转动的一种数学描述。
b
b
C
E
?
C
E
?
b
E
（
2
）
式中
,
Ω
b
Eb
为载体坐标系相对导航坐标系旋转角速度的斜对称矩阵表达式。<
/p>
用方向余弦法计算姿态矩阵
,
没有方程退
化问题
,
可以全姿态工作
,
但需要求
9
个
微分方程<
/p>
C
ij
(
x
)
?
C
ij
(
x
)
?
三、四元数微分方程式
四元数的数学
概念是
1843
年由哈密顿首先提出的
,
它是代数学中的内容之
一。
随着捷联
式惯性导航技术的发展
,
为了更简便地描述刚体的角运动
,
采用了四
元数这个数学工具
,
用它来弥补通常描述刚体角运动的
3
个欧拉角参数在设计控
制系统时的不足。
四元数可以描
述一个坐标系或一个矢量相对某一个坐标系的旋
转
,
四元数的标量部分表示了转角的一半余弦值
,
而其
矢量部分则表示瞬时转轴
的方向、瞬时转动轴与参考坐标系轴间的方向余弦值。因此
,
一个四元数既表示
了转轴的方向
,
又表示了转角的大小
,
往往称其为转动四元数。
工程上一般运用范
数为
1
的特征四元数
,
特征四元
数的标量部分表示转角的一般余弦值
,
其矢量部
分表示瞬时转轴
n
的方向。比如式
(3)
表示矢量
R
相对参考坐标系
旋转一个转角
θ
,
旋转轴
n
的方向由四元数的虚部确定
,cos
α
、
cos
β
co
s
γ
表示旋转轴
n
与参
考坐标系轴间的方向余弦值。
R'=qR'
q
,
(3)
式中
:R
为某矢量
;
q
?
?
?
i
?
p
1
?
j
?
p
2
?
k<
/p>
?
p
3
；
?
?
cos
p
1
?
sin
p
2
?
sin
?
；
2
?
2
cos
?
；
cos
?
；
?
2
p
3
?
sin
?
2
cos
?
。
四元数姿态矩阵微分方程式只要解
4
个一阶微分方程式组即可
,
比方向余弦
姿态矩阵微分方程式计算量有明显的减少
,
能满足工程实践中对实时性的要求。
因此，这里本设计选用四元数法计算姿态角
3.3.2
基于四元数法解算姿态角
1
、初始四元数的确定，如式
(4)<
/p>
其输入为初始的姿态角。
?
0
?
0
?
0
?
0
?
0
?
?
0
cos
cos
cos
?
sin
sin
sin
?
2
2
2
2
2
2
?
?
?
?
0
?
0
?
0
?
0
?
0
?
0<
/p>
?
cos
cos
sin
?
sin
sin
cos
2
2
2
2
2
2
?
?
?
?
?
?
0
?
0
?<
/p>
0
?
0
?
0
?
0
?
?
cos
sin
cos<
/p>
?
sin
cos
sin
2
2
2
2
2
2
?
?<
/p>
?
?
0
?
0
?
0
?
0
?
0
?
0
?
sin
cos
cos
?
cos
sin<
/p>
sin
?
2
2<
/p>
2
2
2
2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
(0)
?
?
p
1
?
p
2
?
?
< br>p
3
(4)
2
、四元数标量部分与矢量部分
λ
、
p1
、
p2
、
p3
的实时计算
,
输入信号为陀<
/p>
螺仪的数字输出信号
t
??
t
?
?
< br>?
?
?
dt
ib
t
其中
i
为
x,y,z
。计算方法采用龙
格库塔法
,
如式
(5)
。
K1=
Ω
b
(t)q(t)
Y=q(
t)+T
Ω
(t)q(t)
K2=
Ω
(t+T)Y
q(t+T)=q(t)+(T/2)
?
(K1+K2)
(5)
b<
/p>
3
、姿态矩阵的实时计算
,
确定姿态矩阵
C
E
,
输入为
λ
(n)
、<
/p>
p1(n)
、
p2(n)
、
p3(n)
。计算公式如式
(6)
。
2
2
2
?
?
2<
/p>
?
p
1
?
p
2
?
p
3
?
b
C
E
?
?
2(
< br>p
1
p
2
?
?
p
3
)
?
2(
p
1<
/p>
p
3
?
?
p
2
)
?
2(
p
1
p
2
?
?
p
< br>3
)
2
2
?
2
?
p
1
2
?
p
2
?
p
3
2(
p
2
p
3
?
?
p
1
)
?
?
2(
< br>p
2
p
3
?
?
p
1
)
?
2
2
?
?
2
?
p
1
2
?
p
2
< br>?
p
3
?
2(
p
1
p
3
?
?
p
2<
/p>
)
(6)
其简易表示为：
b
C
E
?
T
11
?
?
?
T
21
?
T
?
31
T
12
T
22
T
32
T
13
?
?
T
23
?
T
33
?
?
4
、
载体姿态角计算
,
以确定姿态角
θ
、
ψ
、
γ
,
输入为
T11(n)
、
T12(n)
、
T13(n)<
/p>
、
T23(n)
、
T33(n)
。计算公式如式
(7)
。
?
?
?<
/p>
arcsin(
T
13
< br>(
n
))
?
?
arctan(
T
12
(
n
)
)
T
11
(
n
)
T
23
(
n
)
)
T
33
(
n
)
?
?
ar
ctan(
(7)
3.4
数据显示模块设计
在用
LabVIEW
创建的虚拟仪器程序过程中
，
可以完成一个重要功能是能把测
量数据用图形化的方式直观明
确的表示出来。在
LabVIEW
的图形显示子模块中，
有一些可以直接调用的与图形显示有关的多个对象称为
Graph
和
Chart
。
Graph
和
Chart
的主要区别是两者的显示和刷新数据的方式：在
Graph
< br>中，
通常是把测量数据生成一个数组，然后再把数组中的数一起送到
Graph
中显示，
也可以称其是事后记录图；相反
，
Chart
是把新的数据直接附加在先前显示的数
据后面，
所以在
Chart
上可以同时看到先前和当前的数据，
它可以把数据动态更
新，
故也称为动态数据图。
为了达到实时显示的目的，
本设计采用<
/p>
Chart
图形显
示。
< br>
控件
Chart
如图
3.8
，控件
Graph
如图
3.9
。
图
3.8
控件
Chart
图
3.9
控件
Graph
3.5
数据存储模块设计
在
LabVIEW
的存储功能模块里支持多种存储格式。
可以用数据库模块实现远
程数据控制和管理，
也可以用电子表格
实现数据的实时显示和处理，
还可以存储
成
txt
和
word
文档格式。在本
设计中采用电子表格的形式对数据进行存储。
将字符串、
带符号整数或双精度的二维或一维数组转换为文本字符串，
将字
符串写入新的字节流文件或将字符串添加到现有文件。
连接至二维数
据或一维数
据输入端的数据类型将确定所使用的多态实例类型，同时也可以转置数据。<
/p>
VI
在向文件中写入数据之前，将先打开或创建该文件，并且在完
成操作时，
关闭该
文件。写入电子表格文件的节点图如图
3.10
所示。
图
3.10
写入电子表格文件
3.6
历史数据回放模块设计
将数据按一定
的时间顺序保存到电子表格中，
可以通过时间检索来查看历史
数
据，为了更直观的查看历史数据，将三路的历史数据显示在同一图形中。
在本设计中的读取电子表格文件<
/p>
.vi
的节点图如图
3.11
所示。在数值文本
文件中从指定字符偏移量开始读取指定数量的行或列，<
/p>
并将数据转换成双精度的
二维数组，数组元素可以是数字、字符串
或整数；还可以选择是否转置数组。主
要参数：
图
3.11
读取电子表格文件
格式：指定如何将
数字转化为字符。默认格式为
%.3f
，
VI
将创建包含数字
的字符串，小数点后有三位数字。
文件路径：
指定文件的路径名。文件路径为
空
(
默认值
)
或为
<
非法路径
>
，
VI
将显示一个用于选择文件的文件对话框。
行数：
VI
读取行数的
最大值。行是由字符组成的字符串并以回车、换行或
回车加换行结尾，
< br>以文件结尾终止的字符串，
或字符数量为每行输入字符最大数
量的字符串。
读取起始偏移量：
VI
从文件中开始读取数据的位置，以字符
(
< br>或字节
)
为单
位。
字节流文件中可能包含不同类型的数据段，
因此偏移量的单位为字节而不是<
/p>
数字。
每行最大字符数：
在搜索行的末尾之前，
VI
读取的最大字符数。
默认值为
0
，
表示
VI
读取的字符数量不受限制。
4
系统软件设计的具体实现及界面设计
4.1
引言
软件是虚拟仪器的关键。
设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就
可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。
在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计
算机硬件、
操作系统；
软件是否建立在开放的结构上，
是否需要编程经验？
利用
此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植
?
将来能否方便的扩展虚拟仪器的
功能。
由于选用专
用的开发软件，
必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使
用
。
4.2
系统具体应用程序的实现
4.2.1
串口通信程序
本设计采用
RS-232
串口通信来实现数据的采集，在这部分中主要设置的参
数有串口的串口号、波特率、
校验位以及停止位和采集数据的字节总数
。
具体程
序见图
4.1
。
图
4.1
串口通信程序
4.2.2
数据处理程序
数据处理部分主要是通
过接受到的下位机角速度，经过调用
LabVIEW
中的
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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