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微型智能磁航向系统研究

作　者: 刘诗斌
导　师: 高德远
学　校: 西北工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 磁航向系统 电子磁罗盘 微处理器 智能传感器 磁通门 磁场测量 罗差 误差补偿 虚拟仪表
分类号: V241.611
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


磁航向系统又称磁罗盘，是一种利用地球磁场测量方向的装置。无人机技术的发展对磁航向测量提出了很高的要求。已有的磁航向测量系统面临的体积、重量、功耗偏大和调试、误差补偿试验复杂、费用高的问题亟待解决。本文从微型化、智能化和国产化角度研究磁航向系统，内容涉及材料、电磁学、计算机、微电子、传感器、试验技术和工程应用等方面，是解决目前磁航向测量面临问题的好途径。 本文的主要工作和贡献如下：1 提出一种缩比结构的低功耗磁通门，求出了传统的等截面结构和缩比 结构磁通门最佳激励电流的理论表达式，设计并加工出所有试验用磁 通门传感器。试验结果表明，本文提出的结构可有效地降低磁通门的 功耗。该结构当测量线圈铁心截面积减小到激励线圈的40％时，激励 电流减小到原来的23％（从51.3mA减小到11.6mA）；而等截面结构 以相同比例截面积减小时，激励电流只减小到原来的46％（从44.3mA 减小到20.5mA）。从目前掌握的资料看，还未见到有关这方面的研究。2 设计了在指令级与Intel80X86系列兼容的16位嵌入式微处理器单元 MPU。分析了指令的结构，研究了数据通路和控制通路，提出了MPU的 指令译码器和运算器的结构以及微程序优化方法。较好地解决了复杂 指令集与MPU系统结构设计间的匹配问题，性能指标满足要求。3 提出并实施了给定基准法的误差补偿试验方法，并提出了对该方法的 试验数据正确性检验方法。同时也分析指出了该方法存在的问题。4 研究了飞机平飞时磁航向系统误差的形成过程，并把该过程描述为几 何上从圆到椭圆的变化过程，即所谓椭圆假设。提出了基于该假设的 水平状态空中自动补偿法及其3种行之有效的求解误差系数的算法， 并根据比较结果选择了最合适的算法。5 分析了并指出了椭球面假设用于空中自动补偿时存在问题。针对该问 题，提出了椭圆解决方案及其求解误差系数的算法，还提出了根据试 验数据对地磁场垂水平分量和垂直分量的估算方法，实现了磁航向系 统在任意姿态下的空中自动补偿。这使误差补偿试验更加方便，只需 要飞机左右各盘旋一周即可完成。从目前掌握的资料看，还未见到研 究类似方法的报道。 西北工业大学博士学位论文6 提出并设计了微型智能磁航向系统的开发调试工具—一虚拟仪表，实 现了用虚拟仪表对试验样机的开发与调试。还提出了虚拟仪表借助于 通讯系统实现远距误差补偿和故障诊断的设想。7 提出根据不同应用要求使用不同软件，使微型智能磁航向系统形成系 列的设想，并按系列中的基本型研制了试验样。用试验样机验证了本 文研究的理论和方法，并分析证明了在硅片上实现微型智能磁航向系 统的可行性。工程化的试验样机已经在某无人机上使用，并得到用户 的好评。 本文的研究结合九五预研课题“军用MPU、MCU技术”和无人机应用需要进行，对三维磁场测量、无人机（特别是微型无人机）的航向测量有重要意义。研究成果还可用于其它飞行器、卫星、船舰和地面车辆等领域。

全文目录


第一章 绪论  14-26
  1．1 磁航向系统发展史  14-17
  1．2 捷联数字式磁航向系统及其测量原理  17-18
  1．3 磁航向测量面临的问题  18-20
  1．4 新技术与微型智能磁航向系统  20-23
    1．4．1 微型磁通门  20-21
    1．4．2 微处理器  21
    1．4．3 微系统  21
    1．4．4 智能传感器  21-22
    1．4．5 虚拟仪表  22-23
    1．4．6 微型智能磁航向系统  23
  1．5 本文的研究内容  23-25
    1．5．1 传感器的微型化与低功耗研究  23-24
    1．5．2 拥有自主版权的嵌入式微处理器设计  24
    1．5．3 智能误差补偿的算法和试验方法研究  24
    1．5．4 微型智能磁航向系统模拟实验样机和虚拟仪表研制  24-25
  1．6 本文的结构  25-26
第二章 地磁场传感器  26-46
  2．1 磁场测量传感器的比较与选择  26-28
    2．1．1 霍尔效应磁传感器  26
    2．1．2 磁阻效应传感器  26-27
    2．1．3 磁通门传感器  27-28
  2．2 传统结构磁通门传感器  28-35
    2．2．1 磁通门传感器的原理  28-31
      2．2．1．1 理想变压器与单铁心磁通门  28-30
      2．2．1．2 双铁心磁通门  30-31
      2．2．1．3 磁通门的零磁场工作方式  31
    2．2．2 磁通门传感器的结构  31-33
      2．2．2．1 开磁路结构  31-32
      2．2．2．2 闭磁路结构  32-33
      2．2．2．3 垂直激励结构  33
    2．2．3 磁通门传感器的性能指标  33-35
  2．3 微型磁通门传感器  35-37
    2．3．1 微型磁通门的结构  35-37
      2．3．1．1 线圈与铁心  35-36
      2．3．1．2 平面线圈微型磁通门的结构  36
      2．3．1．3 平面螺线管微型磁通门的结构  36-37
    2．3．2 微型磁通门的加工方法  37
  2．4 磁通门输出信号及其处理电路  37-45
    2．4．1 磁通门的输出信号  37-39
    2．4．2 磁通门输出信号的变换  39-42
      2．4．2．1 相敏整流  39-40
      2．4．2．2 直流信号通过相敏整流器  40
      2．4．2．3 各次谐波通过相敏整流器  40-41
      2．4．2．4 不加选频的磁通门输出信号通过相敏整流器  41-42
    2．4．3 模拟电路设计  42-44
      2．4．3．1 选频放大电路  42-43
      2．4．3．2 相敏整流电路  43
      2．4．3．3 关于隔直电容  43-44
    2．4．4 输出信号的稳定性  44-45
      2．4．4．1 灵敏度温度系数的影响  44-45
      2．4．4．2 零点度温度系数的影响  45
  2．5 小结  45-46
第三章 磁通门传感器的低功耗研究  46-59
  3．1 磁通门的最佳激励磁场  46-47
  3．2 磁通门的最佳激励电流  47-48
  3．3 截面积缩比结构及其最佳激励电流  48-49
  3．4 低功耗磁通门试验  49-54
    3．4．1 试验电路与试验方法  49-50
    3．4．2 试验用磁通门的研制  50-52
    3．4．3 开磁路等截面积磁通门试验结果  52-53
    3．4．4 闭磁路缩比结构磁通门试验结果  53-54
  3．5 试验结果分析  54-58
    3．5．1 试验数据的拟合曲线  54-56
    3．5．2 等截面结构磁通门试验结果分析  56
    3．5．3 缩比结构磁通门试验结果分析  56-57
    3．5．4 几种磁通门的宏观比较  57-58
  3．6 小结  58-59
第四章 嵌入式微处理器MPU设计  59-83
  4．1 MPU的选型  59-61
  4．2 MPU的结构  61-63
  4．3 内部时钟  63
  4．4 寄存器与暂存器  63-64
  4．5 数据通路与控制通路  64-67
    4．5．1 数据通路  64-65
    4．5．2 控制通路  65-67
  4．6 运算器设计  67-70
    4．6．1 运算器的结构  67
    4．6．2 乘法器和除法器  67-68
    4．6．3 除法的溢出判断  68-70
    4．6．4 BCD码调整  70
    4．6．5 移位器  70
  4．7 指令译码器设计  70-75
    4．7．1 指令的结构分析  70-71
    4．7．2 指令读入电路与状态机  71-73
    4．7．3 译码电路与表格技术  73
    4．7．4 译码器输出队列  73-75
  4．8 微程序设计  75-80
    4．8．1 微指令格式  75-77
      4．8．1．1 运算器类微指令  75-77
      4．8．1．2 地址部件类微指令  77
    4．8．2 微程序优化设计  77-79
      4．8．2．1 寄存器操作数指令  77-78
      4．8．2．2 访问存储器例程  78
      4．8．2．3 带存储器操作数的算术逻辑指令  78-79
    4．8．3 中断和异常处理  79-80
  4．9 仿真与测试  80-82
    4．9．1 测试程序  81
    4．9．2 仿真与测试结果  81-82
  4．10 小结  82-83
第五章 误差分析  83-97
  5．1 误差的分类  83-84
  5．2 误差分析方法  84-85
  5．3 制造误差  85-89
    5．3．1 零位误差  85
    5．3．2 灵敏度误差  85-87
    5．3．3 正交误差  87-89
  5．4 安装误差  89-90
  5．5 姿态信号误差  90-92
    5．5．1 俯仰角信号误差引起的航向误差  90
    5．5．2 倾斜角信号误差引起的航向误差  90-91
    5．5．3 姿态信号误差  91-92
  5．6 罗差  92-95
  5．7 误差系数  95-96
    5．7．1 磁航向误差系数  95-96
    5．7．2 姿态角误差系数  96
  5．8 小结  96-97
第六章 智能误差补偿  97-125
  6．1 误差补偿方法与误差补偿系数  97-98
  6．2 给定基准法  98-102
    6．2．1 误差系数求解原理  98-99
    6．2．2 误差补偿试验  99-102
      6．2．2．1 地磁场水平分量与磁倾角的测量  99
      6．2．2．2 标准姿态数量的确定  99-100
      6．2．2．3 姿态基准给定方法  100-101
      6．2．2．4 试验数据获取与检验  101-102
      6．2．2．5 误差系数的求解与验证  102
  6．3 水平状态空中自动补偿法  102-111
    6．3．1 椭圆假设  103-106
    6．3．2 椭圆假设的误差系数求解方法（算法1）  106-108
    6．3．3 三种算法的比较  108-111
      6．3．3．1 算法2  108-109
      6．3．3．2 算法3  109-110
      6．3．3．3 三种算法比较  110-111
  6．4 盘旋状态空中自动补偿法  111-116
    6．4．1 椭球面假设  112
    6．4．2 椭球面假设存在的问题  112-113
    6．4．3 椭圆解决方案  113
    6．4．4 误差系数的求法  113-116
      6．4．4．1 求解误差系数的算法  113-116
      6．4．4．2 地磁场垂直分量的估算  116
  6．5 最小二乘法  116-117
  6．6 补偿结果分析  117-124
    6．6．1 原始数据  117-119
    6．6．2 给定基准法补偿结果  119
    6．6．3 水平状态空中自动补偿结果  119-121
    6．6．4 盘旋状态空中自动补偿结果  121-122
    6．6．5 补偿结果对比分析  122-124
  6．7 小结  124-125
第七章 虚拟仪表与试验样机  125-141
  7．1 智能磁航向系统  125-127
    7．1．1 智能传感器系统的组成  125-126
    7．1．2 智能磁航向系统的基本软件  126
    7．1．3 智能磁航向系统的扩展软件  126-127
  7．2 虚拟仪表  127-132
    7．2．1 虚拟仪表的硬件与功能  127-128
    7．2．2 虚拟仪表的软件  128-129
    7．2．3 智能磁航向系统的间接编程模式  129-130
    7．2．4 虚拟仪表的应用  130-132
      7．2．4．1 智能磁航向系统的调试  130-131
      7．2．4．2 补偿俯仰倾斜角信号误差  131-132
      7．2．4．3 故障诊断  132
      7．2．4．4 远距离调试与远距离故障诊断  132
  7．3 智能磁航向系统的系列化  132-133
  7．4 试验样机  133-135
    7．4．1 试验样机设计  133-135
      7．4．1．1 试验样机的硬件  134
      7．4．1．2 试验样机的软件  134
      7．4．1．3 试验样机的结构  134-135
    7．4．2 稳定性试验及其结果分析  135
  7．5 试验样机的误差补偿试验及其结果分析  135-139
    7．5．1 试验目的  135-136
    7．5．2 试验方法  136
    7．5．3 试验结果分析  136-139
  7．6 试验样机的工程化与应用情况  139-140
  7．7 小结  140-141
第八章 结论  141-145
  8．1 本文总结  141-142
  8．2 本文的主要工作和贡献  142-143
  8．3 需进一步开展的研究工作  143-145
致谢  145-146
参考文献  146-154
博士生期间发表的论文和参加的科研工作  154

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