本文關鍵詞：基于弱磁傳感器的電子羅盤設計及干擾補償算法研究

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【摘要】：電子羅盤(Electric Compass)作為一種定位導航工具,具有精度高、反應迅速、體積小、能耗低、成本低、適合大批量生產等優(yōu)點,已經被廣泛地應用于航天、航空、航海、車輛導航、手機定位、生物醫(yī)學、地理測繪等領域。近年來,電子羅盤已經廣泛研究、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、實用化有一定的差距。本文設計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償算法。本文首先分析了電子羅盤的測量原理,通過建立數(shù)學模型并通過純數(shù)學矩陣的方式推導出電子羅盤航向角與測量數(shù)據(jù)的數(shù)學關系式,確保了推導過程的嚴密性,并設計了電子羅盤系統(tǒng)框架。然后根據(jù)電子羅盤的系統(tǒng)框架和硬件設計需求,本文對電子羅盤關鍵元器件進行了選型并設計了包含主控模塊、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量系統(tǒng)。最后在硬件的基礎上設計了配套的軟件程序,其中傳感器模塊通過IIC總線將測量數(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,并通過顯示器顯示出來或者通過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)學模型,并根據(jù)此數(shù)學模型推導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)分布從以原點為圓心的正圓畸變成一個原點偏離原點的橢圓。本文同時還分別分析了三軸磁傳感器不正交誤差、靈敏度誤差和零點誤差對于電子羅盤的干擾效果,并建立了相應的數(shù)學模型,通過數(shù)學模型證明了三軸不正交誤差和靈敏度誤差的對電子羅盤的干擾效果可等效為軟磁干擾,零點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環(huán)境下時,振動加速度矢量對于三軸加速度傳感器的影響,并建立了相應的數(shù)學模型。基于對于電子羅盤的振動干擾的分析與建模,本文提出了限幅濾波法和遞推平均法以補償振動環(huán)境對電子羅盤的干擾,實驗結果表明此方法能夠有效地濾除受偶然的振動干擾的數(shù)據(jù)并平滑三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)。基于對電子羅盤軟磁、硬磁干擾以及與其等效的干擾的分析及建模,提出了橢圓長短軸補償法和改進型最小二乘橢圓補償方法兩種補償方法。橢圓長短軸方法是基于橢圓的幾何特點提出的補償方法,此方法具有快速、運算量小的特點,特別適合運算能力不強的嵌入式處理器。改進型最小二乘橢圓補償方法是基于最小二乘法橢圓擬合法提出的,其分兩步分別對電子羅盤的硬磁干擾和軟磁干擾進行補償,此方法具有精度高的特點且能夠彌補最小二乘橢圓擬合方法的運算量極大的缺陷。通過實驗證明橢圓長短軸補償法和改進型最小二乘法橢圓補償法都能快速有效地對電子羅盤的軟磁干擾和硬磁干擾進行補償與矯正。通過對比分析,經過矯正后的電子羅盤的測量精度能夠達到1°以內,而未經過矯正的電子羅盤測量誤差最大能夠達到23°。
【關鍵詞】：弱磁傳感器 電子羅盤 軟硬磁干擾 振動干擾 最小二乘法
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 電子羅盤的國內外研究歷史與現(xiàn)狀11-14
• 1.3 本文的主要貢獻與創(chuàng)新14-15
• 1.4 本論文的結構安排15-16
• 第二章 電子羅盤的工作原理與系統(tǒng)設計16-23
• 2.1 地磁場的概念16-17
• 2.2 電子羅盤測量模型與姿態(tài)解算17-21
• 2.2.1 坐標系的定義17
• 2.2.2 二維平面電子羅盤的數(shù)學模型17-18
• 2.2.3 三維空間電子羅盤的數(shù)學模型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22-23
• 第三章 電子羅盤的硬件設計23-38
• 3.1 硬件設計方案討論23-24
• 3.2 關鍵芯片的選型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 硬件電路設計29-37
• 3.3.1 STM32F103C8芯片最小系統(tǒng)設計30-34
• 3.3.2 傳感器模塊的電路設計34
• 3.3.3 電源模塊的設計34-35
• 3.3.4 數(shù)據(jù)接.模塊的設計35-36
• 3.3.5 顯示模塊的設計36-37
• 3.4 PCB版圖設計及實物照片37
• 3.5 本章小結37-38
• 第四章 電子羅盤的軟件設計38-46
• 4.1 軟件開發(fā)平臺的介紹38
• 4.2 軟件流程圖設計38-39
• 4.3 各功能子模塊程序設計39-45
• 4.3.1 HMC5883L的驅動39-42
• 4.3.2 ADXL345的驅動42
• 4.3.3 LCD1602驅動42-43
• 4.3.4 USART的驅動43-44
• 4.3.5 FLASH存儲器驅動44
• 4.3.6 上位機界面設計44-45
• 4.4 本章小結45-46
• 第五章 電子羅盤的干擾分析及補償算法研究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 靈敏度誤差和零點誤差分析50-51
• 5.1.4 振動干擾分析51
• 5.1.5 干擾分析的實驗驗證51-55
• 5.2 電子羅盤干擾補償與驗證55-71
• 5.2.1 振動干擾補償與驗證55-57
• 5.2.1.1 限幅與遞推平均振動干擾補償方法55-56
• 5.2.1.2 實驗驗證56-57
• 5.2.2 軟磁、硬磁干擾補償與驗證57-71
• 5.2.2.1 橢圓長短軸補償方法58-60
• 5.2.2.2 改進型最小二乘法橢圓補償方法60-65
• 5.2.2.3 實驗驗證65-71
• 5.3 本章小結71-72
• 第六章 全文總結與展望72-75
• 6.1 全文總結72-73
• 6.2 后續(xù)工作展望73-75
• 致謝75-76
• 參考文獻76-79
• 攻讀碩士學位期間取得的成果79-80

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 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定與補償方法研究[J];傳感技術學報;2013年05期

2 蔣顏瑋;房建成;盛蔚;黃學功;;巨磁阻抗磁傳感器的研究進展[J];儀表技術與傳感器;2008年05期

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本文編號：616423