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基于磁阻和加速度传感器的三轴电子罗盘研制

作　者: 王勇军
导　师: 李智
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 电子罗盘磁阻传感器加速度传感器误差校正罗差
分类号: V241.61
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 237次
引　用: 2次
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内容摘要

电子罗盘是一种利用地磁场和重力加速度来测量姿态的装置,具有体积小、结构简单、功耗小、成本低等优点,在导航、野外定向、深井勘探、气象监测等各个领域有着广阔的应用前景。本文利用各向异性磁阻传感器和加速度传感器研制了带倾斜补偿功能的三轴电子罗盘,并进行了提高电子罗盘精度的相关研究。论文首先介绍了电子罗盘的测量原理,并建立三轴电子罗盘的数学模型。通过对比各种弱磁测量方法,确定了以磁阻传感器HMC1021/1022和加速度传感器ADXL202E为信号敏感单元的三轴电子罗盘设计方案。在分析传感器性能的基础上,给出了提高电子罗盘精度的实施措施,从电源、信号调理、磁阻传感器置位/复位、偏置电压消除等方面对电子罗盘的硬件进行了优化设计与改进。同时,对电子罗盘的软件算法进行了研究,包括数据采集、数字滤波、姿态解算和兼容NMEA0183标准的通信协议等。论文还对电子罗盘的误差来源进行了分析,并采用十二位置翻滚法和椭圆假设算法分别对电子罗盘的误差进行了补偿。为保证电子罗盘工作的可靠性和抗干扰能力,在软、硬件和制作工艺方面采取了一系列抑制干扰的措施。在成功研制了电子罗盘样机后,制定了罗盘样机的实验测试方案,以验证电子罗盘设计方案的可行性和误差补偿的效果。最后将罗盘样机与美国Honeywell公司的HMR3000电子罗盘进行了对比测试。实验表明:±60°倾角范围内,样机的倾角测量精度为±0.3°;水平姿态下,样机与HMR3000的航向输出差值不超过±0.7°。本文的研究结果对电子罗盘进一步的研究具有重要的借鉴意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 本课题的研究目的和研究意义  10
  1.3 国内外研究现状  10-12
    1.3.1 国外研究现状  10-11
    1.3.2 国内研究现状  11-12
  1.4 课题研究的关键技术与论文内容安排  12-14
第二章电子罗盘的原理与系统构成  14-30
  2.1 电子罗盘测量原理  14-17
    2.1.1 地磁特点及其应用  14-15
    2.1.2 电子罗盘数学模型  15-17
  2.2 电子罗盘制作技术及比较  17-21
    2.2.1 机械磁性罗盘  17
    2.2.2 霍尔效应电子罗盘  17-18
    2.2.3 磁通门式电子罗盘  18-19
    2.2.4 磁感式电子罗盘  19-20
    2.2.5 磁阻式电子罗盘  20-21
  2.3 AMR 磁阻传感器  21-23
    2.3.1 AMR 磁阻传感器工作原理  21-22
    2.3.2 HMC1021/HMC1022 磁阻传感器  22-23
  2.4 倾角传感器  23-26
    2.4.1 加速度传感器测量原理  24-25
    2.4.2 AXDL202E 传感器  25-26
  2.5 本课题的设计方案  26-29
    2.5.1 系统设计需求分析  26-27
    2.5.2 系统设计方案论证与选择  27-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章信号感测与采集电路设计  30-43
  3.1 电源管理电路设计  30-31
  3.2 磁场感测电路设计  31-34
    3.2.1 磁阻传感器激励源  31-32
    3.2.2 信号滤波电路  32
    3.2.3 信号放大电路  32-33
    3.2.4 信号缓冲输出  33-34
  3.3 单电源运放的应用电路设计  34-37
  3.4 姿态角测量电路设计  37-39
    3.4.1 滤波器输出带宽设计及分析  37
    3.4.2 占空比调节（DCM）周期的设定  37-38
    3.4.3 倾角测量电路  38-39
  3.5 信号采集电路设计  39-43
    3.5.1 AD7714 性能概述  40
    3.5.2 AD7714 基准源  40-41
    3.5.3 AD7714 的模拟输入设计  41-42
    3.5.4 AD7714 的接口电路设计  42-43
第四章电子罗盘主控电路设计  43-58
  4.1 系统微控制器电路设计  43-45
    4.1.1 单片机微控制器VRS51L3074 概述  43
    4.1.2 微控制器外围电路  43
    4.1.3 JTAG 接口电路  43-45
  4.2 数据通讯电路  45-46
  4.3 磁阻传感器置位/复位电路的设计  46-52
    4.3.1 置位/复位功能  46-47
    4.3.2 置位/复位电路  47-52
  4.4 磁阻传感器直流偏置的消除  52-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章系统软件设计  58-66
  5.1 软件总体设计  58-59
  5.2 系统初始化  59
  5.3 数据采集子程序  59-62
    5.3.1 磁场数据采集  60-61
    5.3.2 倾角数据采集  61-62
  5.4 数据滤波  62
  5.5 姿态解算  62-64
  5.6 数据通信软件设计  64-65
    5.6.1 NMEA0183 串行通信协议  64
    5.6.2 数据通信实现  64-65
  5.7 本章小结  65-66
第六章系统抗干扰设计  66-74
  6.1 系统干扰来源  66-67
  6.2 硬件抗干扰设计  67-70
    6.2.1 电路的抗干扰设计  67
    6.2.2 印制电路板的抗干扰设计  67-70
  6.3 软件抗干扰设计  70-73
    6.3.1 强尖峰脉冲干扰的抑制  70-71
    6.3.2 工频干扰的抑制  71-72
    6.3.3 程序抗干扰设计  72-73
  6.4 制作工艺干扰抑制措施  73
  6.5 本章小结  73-74
第七章系统误差补偿与测试  74-87
  7.1 罗盘误差分析  74-76
    7.1.1 罗盘传感器误差  74-75
    7.1.3 罗差  75-76
  7.2 误差补偿  76-80
    7.2.1 罗盘传感器误差的标定  76-77
    7.2.2 罗差校正  77-80
  7.3 系统测试方案  80-81
  7.4 实验测试结果  81-86
    7.4.1 圆周实验  81-82
    7.4.2 倾角测量实验  82-83
    7.4.3 罗盘航向角测试  83-85
    7.4.4 倾角补偿实验  85-86
  7.5 本章小结  86-87
第八章总结与展望  87-89
  8.1 总结  87-88
  8.2 展望  88-89
参考文献  89-95
致谢  95-96
作者在攻读硕士期间主要研究成果  96-97
附录A 电子罗盘电路原理图  97-98
附录B 电子罗盘实物图  98

基于磁阻和加速度传感器的三轴电子罗盘研制

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