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
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LabVIEW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ExpressVI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
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)
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，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，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。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，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。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，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 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（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI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。
虚拟仪器开发者
虚拟仪器软件面板
虚拟仪器软件开发平台
底层驱动程序
硬件模块
虚拟仪器开发者操作系统
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。
单片机系统
驱动
电路
串口
通信
PC机
三路角
度测量
数据显示
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，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-232芯片进行电平转换；采用ADXRS401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LabVIEW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。
图3.1姿态测量上位机功能模块图
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；串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
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。
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 波特率设置 串口号选择 停止位设置 图形显示 数字显示
保存至表格
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
LabVIEW 提供了功能强大的VISA 库。VISA （Virtual Instrument Software Architecture ）——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API ，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。
图 3.2 VISA 库的层次结构 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 Specific>>Serial 。VISA 库中的串口通讯函数：
(1) Serial Port Init.vi 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： 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 Serial VXI
GPIB VISA 层
图3.3 VISA配置串口函数的节点
VISA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，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、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、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。
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 Read.vi 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 Write.vi 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 Drivers.vi 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。
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“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。
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 θsin sin cos sin 0cos cos sin cos 0sin cos Hbx Hby Hb z γγθγθωθθγγθωψγγω?????? ? ???=- ? ??? ? ?????????
(1) 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x=f(cos x,sin x)ω都含有三角函数的运算,计算速度慢,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加速度计 姿态矩阵 导航计算
姿态矩阵计算 陀螺仪 姿态角计算 载体姿态角
载体速度与位置
系相对转动的一种数学描述。
b b b E E E C C =Ω
（2）
式中,Ωb
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。
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
()()ij ij C x C x ω=
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 βco s γ表示旋转轴n 与参考坐标系轴间的方向余弦值。
q R'=qR',
(3)
式中:R 为某矢量;
123q i p j p k p λ=+?+?+?；
cos
2θλ=； 1sin
cos 2p θα=； 2sin cos 2
p θ
θ=； 3sin
cos 2p θγ=。
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)其输入为初始的姿态角。
000000000000120000003
000000cos cos cos sin sin sin 222222(0)cos cos sin sin sin cos 222222cos sin cos sin cos sin 222222sin cos cos cos sin sin 222222p p p ψθγψθγλψθγψθγψψγψθγψθγψθγ??+ ? ??? ?- ?
? ?= ? ? ?+ ? ??? ? -??? (4)
2、四元数标量部分与矢量部分λ、p1、p2、p3的实时计算,输入信号为陀螺仪的数字输出信号
t t
ib
t
dt θω+??=? 其中i 为x,y,z 。计算方法采用龙格库塔法,如式(5)。
b K1=Ω(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)
3、姿态矩阵的实时计算,确定姿态矩阵b E C ,输入为λ(n)、p1(n)、p2(n)、
p3(n)。计算公式如式(6)。
2222123132123222212323112322221322311232()2()
2()
2()2()2()b E p p p p p p p p p C p p p p p p p p p p p p p p p p p p λλλλλλλλλ+-??+--+- ?=--+-+ ? ?--+?? (6)
其简易表示为：
111213212223313233b E T T T C T T T T T T ?? ?= ? ???
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)、T23(n)、T33(n)。计算公式如式(7)。
13arcsin(())T n θ=-
1211()arctan()()
T n T n ψ= 2333()arctan()()T n T n γ=
(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 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Chart 图形显示。
控件Chart 如图3.8，控件Graph 如图3.9。