捷联姿态测量系统是惯导系统的一种,它固定在载体上,通过计算机内建的数学平台,利用陀螺仪和加速度计采集到的信号,完成载体姿态矩阵的实时计算,从姿态矩阵提取出姿态信息。近年来,ARM处理器以其处理精度高、实时性强、功耗低,适合数字信号处理等特点广泛应用到了各种嵌入式系统中。本课题针对无人机小型化、轻量化以及飞行控制需求,提出了一种基于ARM单片机的低成本、高性能的以MEMS陀螺仪为主惯导的姿态测量方案,并由此展开了一系列的研究工作。系统采用AT91SAM7S256单片机作为核心处理器,由三轴正交的MEMS陀螺仪、加速度计组成惯性测量单元分别感应x轴、y轴、z轴的角速度与重力加速度,由三轴正交的磁强计感应地磁场分量,构成组合姿态测量系统。为提高姿态测量精度,采用扩展卡尔曼滤波(EKF)对不同来源姿态数据进行数据融合。论文分析了基于姿态四元数、四阶龙格库塔法的捷联惯导姿态确定方法、基于加速度计/磁强计的姿态确定方法,利用离散卡尔曼滤波对MEMS陀螺仪随机漂移误差进行了建模和补偿。完成了姿态测量系统的总体设计,包括硬件、软件及结构设计,对系统各传感器以及微处理器主板进行了合理布局,使系统结构紧凑,大小只有47×47×33mm~3。完成系统的调试工作,并通过实验验证了算法的可行性。测试结果表明,俯仰角和横滚角静态精度小于0.5°,航向角静态精度小于1°;仿真显示,动态精度优于2°。