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基于地磁场的水平方位角测量研究

作　者: 李翔
导　师: 李智
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 电子罗盘磁阻传感器加速度传感器 CORDIC算法 NMEA0183
分类号: V241.611
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

融合当今先进的传感器与微电子技术,电子罗盘为各种需要精确导航的应用场合提供了高性价比、高可靠性的解决方案。电子罗盘无论在军用或民用领域均有重要的实用价值,其市场需求与发展潜力均十分可观,因而近年来国内外众多厂家、科研机构与高校都投入了研制电子罗盘的行列。电子罗盘的研制涉及到地磁场检测、信号调理、模数转换、数字信号处理、罗盘载体姿态与航向解算、数据显示或传送等各方面,需要有相应的理论研究与实践加以支持,这正是本文研究的出发点与目的。为保证和提升电子罗盘的性能,本文主要进行了以下几方面的工作:⑴对数据采集流程及数字滤波算法进行了设计,以获得可靠的地磁场与重力加速度数据。⑵分析了如何根据地磁场与重力加速度数据求解罗盘载体的姿态与航向,并通过使用CORDIC(坐标旋转数字计算机)算法提高这一计算过程的效率。⑶运用改进的12姿态法对电子罗盘的传感器误差进行校正。⑷验证了基于椭圆假设的罗差校正算法。⑸对基于NMEA0183标准的HMR3000电子罗盘通信协议进行了详细解析,并在电子罗盘样机中实现与该协议兼容的串口通信功能。最后,对采用本文研究成果的电子罗盘样机进行了与HMR3000的对比测试。实验结果显示,该样机在±60°倾角范围内的倾角测量精度优于1°,水平姿态下航向测量精度优于1.5°,并具有完善的串行通信功能,具备良好的实用性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
引言  8-10
第一章电子罗盘硬件方案  10-17
  1.1 磁传感器  10-12
    1.1.1 磁通门传感器  10
    1.1.2 霍尔传感器  10-11
    1.1.3 磁阻传感器  11-12
    1.1.4 磁感传感器  12
    1.1.5 本课题对磁传感器的选择  12
  1.2 倾角补偿  12-13
  1.3 信号调理与模数转换  13-14
  1.4 主控芯片  14-16
  小结  16-17
第二章电子罗盘中的数据采集  17-27
  2.1 地磁场数据采集  17-21
    2.1.1 各向异性磁阻传感器输出特性  17-18
    2.1.2 原理验证机中的磁场数据采集  18-19
    2.1.3 样机及其改进版本中的磁场数据采集  19-21
  2.2 重力加速度数据采集  21-24
    2.2.1 加速度传感器输出特性  21-22
    2.2.2 原理验证机中的加速度数据采集  22-23
    2.2.3 样机中的加速度数据采集  23-24
  2.3 数据采集程序流程  24-26
  小结  26-27
第三章采样数据的数字滤波  27-35
  3.1 数字滤波的必要性  27-28
  3.2 常用数字滤波算法概述  28-30
    3.2.1 算术平均滤波及其衍生算法  28
    3.2.2 FIR 滤波  28
    3.2.3 IIR 滤波  28-29
    3.2.4 非线性滤波算法  29
    3.2.5 各种滤波算法对比  29-30
  3.3 数字滤波算法选择  30-31
  3.4 IIR 滤波器设计  31-33
  3.5 IIR 滤波器的实现  33-34
  3.6 IIR 滤波器效果验证  34-35
第四章载体姿态与航向解算  35-46
  4.1 载体姿态的定义  35-36
  4.2 载体姿态的解算  36-38
    4.2.1 利用地磁场测定航向  36
    4.2.2 水平姿态下的航向  36-37
    4.2.3 任意姿态下的航向  37-38
  4.3 CORDIC 算法的引入  38-40
  4.4 CORDIC 算法的初步验证  40-43
  4.5 CORDIC 算法在载体姿态解算中的应用  43-45
  小结  45-46
第五章传感器误差及其校正  46-54
  5.1 传感器误差模型  46-47
  5.2 基于12 姿态的误差校正方法  47-50
  5.3 十二姿态校正法实验结果  50-53
  小结  53-54
第六章电子罗盘的罗差校正  54-63
  6.1 罗差的成因及其数学模型  54-55
  6.2 罗差系数的测定及其补偿  55-59
    6.2.1 基于泊松模型的罗差校正方法  55
    6.2.2 基于椭球假设的罗差校正方法  55-56
    6.2.3 基于椭圆假设的罗差校正方法  56-57
    6.2.4 基于傅里叶级数模型的罗差校正方法  57
    6.2.5 罗差校正各方法对比  57-58
    6.2.6 HMR3000 的罗差校正方法  58-59
  6.3 基于椭圆假设的罗差校正方法验证  59-62
  小结  62-63
第七章串行通信协议  63-79
  7.1 电子罗盘通信协议的选择  63
  7.2 NMEA0183 标准简介  63-64
  7.3 HMR3000 通信协议解析  64-72
    7.3.1 概述  65
    7.3.2 以$起始的语句  65-68
    7.3.3 以#起始的语句  68-70
    7.3.4 HMR3000 的参数设置  70-72
  7.4 串行通信协议的实现  72-77
    7.4.1 HPR 语句的初步实现  72-73
    7.4.2 HPR 与CCD 语句的自动发送  73-74
    7.4.3 参数读写的实现  74-76
    7.4.4 语句发送频率的调节  76-77
    7.4.5 样机改进版本中的参数配置  77
  小结  77-79
第八章罗盘性能测试与误差分析  79-84
  8.1 姿态与航向精度测试  79-81
    8.1.1 俯仰角与横滚角测试  80
    8.1.2 航向角测试  80-81
  8.2 电子罗盘误差分析  81-84
    8.2.1 电子罗盘的误差来源  81
    8.2.2 磁传感器误差  81-82
    8.2.3 模数转换误差  82
    8.2.4 载体倾角的影响  82-83
    8.2.5 CORDIC 算法的误差  83
    8.2.6 校正手段存在的误差  83-84
结论  84-86
参考文献  86-94
致谢  94-95
作者在攻读硕士期间主要研究成果  95-107

基于地磁场的水平方位角测量研究

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