MIMU及载体空间姿态演示软件设计+文献综述(7)
键技术在于元器件误差特性分析、结构一体化设计、软件设计、MIMU 的集成与
标定以及动态初始对准技术研究这几个方面[23]
。 本科毕业设计说明书（论文） 第9 页 共37 页
1.3 课题的主要研究内容
一般来说一个 MIMU 导航系统包括 MIMU，解算模块以及上位机软件。本
文主要解决的是 MIMU 部分的结构以及航姿软件的设计。目标是在结合国内外
该方向的相关资料之后，设计出一个可靠性高功能好价格低的 MIMU，并编写出
易操作的载体空间姿态 3D模拟显示软件。最后接收姿态测量信息，验证载体空
间姿态显示软件的功能和性能。
本文的主要内容安排如下：
第一章：介绍本课题的研究目的与意义，交代相关技术的国内外发展现状以
及发展方向。明确本文的研究内容，给出内容安排。
第二章： 首先介绍MIMU的工作原理，主要是介绍MEMS加速度计和MEMS
陀螺仪的工作原理。再给出两种 MIMU 的结构设计方案，分别为折叠式金字塔
形结构和优尔面体形结构，并对后者进行有限元分析。
第三章：设计一个航姿软件，首先给出相关软件的介绍，再给出大概的设计
方案，最后详细介绍每一个部分的具体实现。
第四章：验证航姿软件的准确性与可操作性。
第五章：总结本文得出的成果并给出进一步完善的建议。 本科毕业设计说明书（论文） 第10 页 共37 页
2 惯性测姿原理和 MIMU 结构设计
一个MEMS惯性导航系统包括MIMU、信号变换处理电路、嵌入式计算机及
相应的导航软件。MIMU负责提供载体的位置、速度和姿态信息，处理电路负责
调理信号，计算机负责解算出姿态角，导航软件则面向客户，显示可读的载体信
息。本文中结合自身所学专业， 我们只研究这个系统的始端与终端，也就是MIMU
以及姿态显示软件的设计。MIMU的结构决定了传感器能否被稳定地固定在需要
测量的载体上，同时也决定了载体姿态角信息的初始值，这些都对载体航行时测
量的数据产生很大的影响。因此一个合理的MIMU结构是航姿系统精度的保证。
图2.1 MEMS惯性导航系统示意图
2.1 惯性姿态测量原理
坐标系统定义了测量的基准点，以下阐述了惯性导航系统中常用的四种坐标
系及其相互转换关系，同时也交代了我们将在第三章中所要用到的姿态角概念。
(1) 惯性坐标系（i系）。i系是指满足牛顿第一运动定律的坐标系，由于在宇
宙中几乎找不到一个绝对不受力或所受合外力为零的物体，所以i系是一种理想
参考系，严格的i系构建也非常困难[24]
，在实际应用中常采用近似惯性参考系。
其原点在地球质心，Z轴为地球自转轴方向，X轴在平均赤道平面内指向春分点，
Y轴垂直于Z轴和X轴，并形成右手坐标系，如图2.2所示。i系是惯性导航系统
(Inertial Navigation System, INS)导航计算的基本坐标系，但由于不直观，在最终
的导航计算和导航参数表达上较少使用。 本科毕业设计说明书（论文） 第11 页 共37 页
图2.2 惯性坐标系i
(2) 地球坐标系(e系)。e系也称地固坐标系(ECEF系)，其原点在地球质心，Z
轴为地球自转轴方向， X在平均赤道面内指向零度子午线， Y轴垂直于Z轴和X轴，
并形成右手坐标系。由于计算方便，e系在导航、测绘等领域经常被采用。e系相
对于i系的旋转角速度向量表达式如式(2-1)所示。