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光纤陀螺寻北系统研究

作　者: 张芳
导　师: 孙华
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 光纤陀螺寻北仪加速度计 ALLAN方差法
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以光纤陀螺和加速度计为主要传感器的快速、高精度寻北技术,在现代化战争中的武器系统以及民用勘测领域中发挥着重要的作用。由于光纤陀螺相较于传统的机械陀螺具有很多的优点,诸如灵敏度较高、动态范围较大、成本较低等,十分适合小型化、高精度、低成本要求的寻北系统的研究。因此,基于这些因素,本文设计并研制了一套由单轴光纤陀螺和单轴加速度计构成的寻北系统。本文在充分了解陀螺寻北系统的发展历程以及光纤陀螺发展与应用基础上,分析了光纤陀螺的主要性能指标和测量原理,研究了由单轴光纤陀螺和单轴加速度计组成的寻北仪的测量原理和几种常见的坐标系,并提出了几种寻北方案,并对各种寻北方案进行比较,选择了合适、高效的四位置寻北方案。根据系统设计要求,本文给出了光纤陀螺寻北系统的整体设计方案。首先通过选择合适的光纤陀螺和加速度计传感器,并根据传感器输出信号的特点,设计了相应的信号采集电路,并对加速度计信号进行二阶低通滤波和AD转换；其次以FPGA的最小系统为核心,设计了相应的主控电路,并配置了相关的Nios II软核；最后,根据系统的寻北原理和信号预处理方法,本系统还设计了整个系统的寻北算法流程和相关模块的软件程序,完成了系统的基本设计。本文深入分析和总结了影响光纤陀螺寻北系统精度的误差源。在此基础上,一方面采用ALLAN方差法对光纤陀螺建立误差模型,对光纤陀螺输出特性中的各种误差系数做出分析,同时绘制出本系统的光纤陀螺ALLAN方差曲线图；另一方面通过粗野剔除和平滑滤波等方法对传感器的原始输出信号进行处理,从而提高了光纤陀螺的使用精度。最后,通过本实验室提供的测试环境,设计上位机调试工具,对光纤陀螺寻北系统进行了调试和性能测试。经过多次寻北试验,如在同一方位角、不同姿态条件下寻北实验和四位置多次重复性寻北实验,可以通过实验结果表明,本文所设计的光纤陀螺寻北仪系统基本符合设计要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究的目的和意义  10
  1.2 陀螺寻北技术的发展  10-12
  1.3 光纤陀螺的发展与应用  12-15
  1.4 论文的主要内容  15-17
第2章光纤陀螺寻北仪原理  17-30
  2.1 光纤陀螺  17-19
    2.1.1 光纤陀螺测量原理  17-18
    2.1.2 光纤陀螺的主要性能指标  18-19
  2.2 光纤陀螺寻北原理  19-29
    2.2.1 坐标系  19-21
    2.2.2 光纤陀螺寻北仪测量原理  21-23
    2.2.3 几种寻北方案  23-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章光纤陀螺寻北系统设计  30-54
  3.1 光纤陀螺寻北系统的总体结构  30-31
  3.2 传感器信号采集电路设计  31-38
    3.2.1 光纤陀螺信号采集电路设计  31-32
    3.2.2 加速度计信号采集电路设计  32-36
    3.2.3 通讯接口电路设计  36-37
    3.2.4 电源电路设计  37-38
  3.3 FPGA最小系统设计  38-48
    3.3.1 FPGA处理器选型  38-39
    3.3.2 NiosⅡ软核的设计  39-45
    3.3.3 FPGA主控制器及其最小系统的设计  45-48
  3.4 精密电控转台电机驱动模块设计  48-49
  3.5 光纤陀螺寻北仪程序设计  49-53
    3.5.1 寻北软件主流程  49-50
    3.5.2 接口模块程序设计  50-53
  3.6 本章小结  53-54
第4章光纤陀螺寻北仪误差分析  54-65
  4.1 光纤陀螺寻北仪误差源分析  54-55
  4.2 光纤陀螺误差分析  55-60
    4.2.1 光纤陀螺输出特性  55-56
    4.2.2 ALLAN方差分析光纤陀螺随机误差  56-60
  4.3 数据预处理方法  60-63
    4.3.1 奇异值判定与剔除  60-61
    4.3.2 数据平滑滤波  61-63
  4.4 寻北方案误差分析  63-64
  4.5 本章小结  64-65
第5章系统调试及实测分析  65-71
  5.1 光纤陀螺寻北系统测试环境  65-67
  5.2 光纤陀螺性能测试  67-69
  5.3 寻北实验测试结果  69-70
  5.4 本章小结  70-71
结论  71-72
参考文献  72-74
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-75
致谢  75

光纤陀螺寻北系统研究

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