本文關(guān)鍵詞：基于弱磁傳感器的電子羅盤設(shè)計(jì)及干擾補(bǔ)償算法研究

  更多相關(guān)文章： 弱磁傳感器 電子羅盤 軟硬磁干擾 振動(dòng)干擾 最小二乘法

【摘要】：電子羅盤(Electric Compass)作為一種定位導(dǎo)航工具,具有精度高、反應(yīng)迅速、體積小、能耗低、成本低、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、車輛導(dǎo)航、手機(jī)定位、生物醫(yī)學(xué)、地理測(cè)繪等領(lǐng)域。近年來(lái),電子羅盤已經(jīng)廣泛研究、取得了很多研究成果,但是電子羅盤受周圍環(huán)境的干擾影響比較大,仍然離工程化、實(shí)用化有一定的差距。本文設(shè)計(jì)了基于弱磁傳感器的電子羅盤、分析了電子羅盤的干擾原因并提出了可行的干擾補(bǔ)償算法。本文首先分析了電子羅盤的測(cè)量原理,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并通過(guò)純數(shù)學(xué)矩陣的方式推導(dǎo)出電子羅盤航向角與測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式,確保了推導(dǎo)過(guò)程的嚴(yán)密性,并設(shè)計(jì)了電子羅盤系統(tǒng)框架。然后根據(jù)電子羅盤的系統(tǒng)框架和硬件設(shè)計(jì)需求,本文對(duì)電子羅盤關(guān)鍵元器件進(jìn)行了選型并設(shè)計(jì)了包含主控模塊、傳感器模塊、電源模塊和顯示與傳輸模塊的電子羅盤硬件測(cè)量系統(tǒng)。最后在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了配套的軟件程序,其中傳感器模塊通過(guò)IIC總線將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給主控模塊,主控模塊再根據(jù)角度解算公式解算出電子羅盤的航向角,并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)或者通過(guò)USART數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)诫娔X。根據(jù)軟磁材料和硬磁材料的材料特性,分別建立了軟磁干擾和硬磁干擾的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)此數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出電子羅盤受到硬磁干擾和軟磁干擾的數(shù)據(jù)分布軌跡表達(dá)式,證明了軟硬磁干擾使得磁傳感器的數(shù)據(jù)分布從以原點(diǎn)為圓心的正圓畸變成一個(gè)原點(diǎn)偏離原點(diǎn)的橢圓。本文同時(shí)還分別分析了三軸磁傳感器不正交誤差、靈敏度誤差和零點(diǎn)誤差對(duì)于電子羅盤的干擾效果,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)學(xué)模型證明了三軸不正交誤差和靈敏度誤差的對(duì)電子羅盤的干擾效果可等效為軟磁干擾,零點(diǎn)漂移誤差可以等效為硬磁干擾。最后分析了電子羅盤被使用在振動(dòng)環(huán)境下時(shí),振動(dòng)加速度矢量對(duì)于三軸加速度傳感器的影響,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型�；趯�(duì)于電子羅盤的振動(dòng)干擾的分析與建模,本文提出了限幅濾波法和遞推平均法以補(bǔ)償振動(dòng)環(huán)境對(duì)電子羅盤的干擾,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法能夠有效地濾除受偶然的振動(dòng)干擾的數(shù)據(jù)并平滑三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)�；趯�(duì)電子羅盤軟磁、硬磁干擾以及與其等效的干擾的分析及建模,提出了橢圓長(zhǎng)短軸補(bǔ)償法和改進(jìn)型最小二乘橢圓補(bǔ)償方法兩種補(bǔ)償方法。橢圓長(zhǎng)短軸方法是基于橢圓的幾何特點(diǎn)提出的補(bǔ)償方法,此方法具有快速、運(yùn)算量小的特點(diǎn),特別適合運(yùn)算能力不強(qiáng)的嵌入式處理器。改進(jìn)型最小二乘橢圓補(bǔ)償方法是基于最小二乘法橢圓擬合法提出的,其分兩步分別對(duì)電子羅盤的硬磁干擾和軟磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償,此方法具有精度高的特點(diǎn)且能夠彌補(bǔ)最小二乘橢圓擬合方法的運(yùn)算量極大的缺陷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明橢圓長(zhǎng)短軸補(bǔ)償法和改進(jìn)型最小二乘法橢圓補(bǔ)償法都能快速有效地對(duì)電子羅盤的軟磁干擾和硬磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償與矯正。通過(guò)對(duì)比分析,經(jīng)過(guò)矯正后的電子羅盤的測(cè)量精度能夠達(dá)到1°以內(nèi),而未經(jīng)過(guò)矯正的電子羅盤測(cè)量誤差最大能夠達(dá)到23°。
【關(guān)鍵詞】：弱磁傳感器 電子羅盤 軟硬磁干擾 振動(dòng)干擾 最小二乘法
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN96;TP212
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-16
• 1.1 研究工作的背景與意義11
• 1.2 電子羅盤的國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀11-14
• 1.3 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新14-15
• 1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排15-16
• 第二章 電子羅盤的工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)16-23
• 2.1 地磁場(chǎng)的概念16-17
• 2.2 電子羅盤測(cè)量模型與姿態(tài)解算17-21
• 2.2.1 坐標(biāo)系的定義17
• 2.2.2 二維平面電子羅盤的數(shù)學(xué)模型17-18
• 2.2.3 三維空間電子羅盤的數(shù)學(xué)模型18-21
• 2.2.4 電子羅盤多組傳感器的安裝21
• 2.3 電子羅盤系統(tǒng)框架21-22
• 2.4 本章小結(jié)22-23
• 第三章 電子羅盤的硬件設(shè)計(jì)23-38
• 3.1 硬件設(shè)計(jì)方案討論23-24
• 3.2 關(guān)鍵芯片的選型24-29
• 3.2.1 處理器的選型24-26
• 3.2.2 三軸磁傳感器的選型26-27
• 3.2.3 三軸加速度傳感器的選型27-28
• 3.2.4 電源芯片的選型28-29
• 3.3 硬件電路設(shè)計(jì)29-37
• 3.3.1 STM32F103C8芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)30-34
• 3.3.2 傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)34
• 3.3.3 電源模塊的設(shè)計(jì)34-35
• 3.3.4 數(shù)據(jù)接.模塊的設(shè)計(jì)35-36
• 3.3.5 顯示模塊的設(shè)計(jì)36-37
• 3.4 PCB版圖設(shè)計(jì)及實(shí)物照片37
• 3.5 本章小結(jié)37-38
• 第四章 電子羅盤的軟件設(shè)計(jì)38-46
• 4.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的介紹38
• 4.2 軟件流程圖設(shè)計(jì)38-39
• 4.3 各功能子模塊程序設(shè)計(jì)39-45
• 4.3.1 HMC5883L的驅(qū)動(dòng)39-42
• 4.3.2 ADXL345的驅(qū)動(dòng)42
• 4.3.3 LCD1602驅(qū)動(dòng)42-43
• 4.3.4 USART的驅(qū)動(dòng)43-44
• 4.3.5 FLASH存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)44
• 4.3.6 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)44-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 第五章 電子羅盤的干擾分析及補(bǔ)償算法研究46-72
• 5.1 電子羅盤干擾分析46-55
• 5.1.1 硬磁干擾和軟磁干擾的分析46-49
• 5.1.2 三軸不正交誤差分析49-50
• 5.1.3 靈敏度誤差和零點(diǎn)誤差分析50-51
• 5.1.4 振動(dòng)干擾分析51
• 5.1.5 干擾分析的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證51-55
• 5.2 電子羅盤干擾補(bǔ)償與驗(yàn)證55-71
• 5.2.1 振動(dòng)干擾補(bǔ)償與驗(yàn)證55-57
• 5.2.1.1 限幅與遞推平均振動(dòng)干擾補(bǔ)償方法55-56
• 5.2.1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證56-57
• 5.2.2 軟磁、硬磁干擾補(bǔ)償與驗(yàn)證57-71
• 5.2.2.1 橢圓長(zhǎng)短軸補(bǔ)償方法58-60
• 5.2.2.2 改進(jìn)型最小二乘法橢圓補(bǔ)償方法60-65
• 5.2.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證65-71
• 5.3 本章小結(jié)71-72
• 第六章 全文總結(jié)與展望72-75
• 6.1 全文總結(jié)72-73
• 6.2 后續(xù)工作展望73-75
• 致謝75-76
• 參考文獻(xiàn)76-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果79-80

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 范成葉;李杰;陳文蓉;景增增;劉俊;;電子羅盤安裝誤差標(biāo)定與補(bǔ)償方法研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2013年05期

2 蔣顏瑋;房建成;盛蔚;黃學(xué)功;;巨磁阻抗磁傳感器的研究進(jìn)展[J];儀表技術(shù)與傳感器;2008年05期

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本文編號(hào)：616423