基于FPGA的MEMS航姿测量系统设计

摘要

指南针自古以来就是人们导航定向的重要工具。随着科技的发展，电子罗盘产品以其独有的优良特性，逐渐替代了传统指南针，广泛应用于航海、勘测、户外探险等领域。针对水下载体测向导航应用方向，本论文以新型电子罗盘为研究目标，设计了一套由三轴磁力仪和三轴加速度计构成的航姿测量系统。
　　首先，利用地球磁场模型，深入研究基于电子罗盘的航向、姿态测量原理，形成系统总体设计方案和目标。其次，通过对比各类磁敏感器和加速度计的优缺点，根据系统设计指标选取三轴矢量磁传感器（TMR2309）和MEMS加速度计(ADXL355)作为核心敏感元件，构建航姿测量系统硬件平台。硬件设计是本论文的主要工作，包括:硬件系统的方案论证、芯片选型、电路设计、功能仿真及验证、参数优化、电路调试;基于FPGA的信息采集和数据处理模块设计、仿真、调试。之后，开展了软件滤波算法、误差补偿校正算法和航向角计算等工作，实现了高频干扰抑制、航向角平滑输出。最后，在水平和倾斜两种状态下，对系统进行方位角测量实验，经椭圆拟合，获得磁场干扰误差参数。
　　本课题的研究实现了航姿测量系统原理性样机设计，测试结果验证了三轴矢量磁阻传感器在电子罗盘中应用的可行性，有利于推进微型化电子罗盘在水下无人航行器等载体上的应用。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景与意义

1．2国内外研究发展现状

1．3课题的主要研究内容

第2章姿态测量系统基本理论与工作原理

2．1系统理论基础与数学模型建立

2．1．1地球磁场

2．1．2地磁场模型

2．2磁阻传感器的分类与工作原理

2．2．1磁阻传感器的分类

2．2．2 TMR传感器的工作原理

2．3MEMS加速度计的工作原理

2．4．1载体的姿态表示

2．4．2姿态矩阵的推导

2．5载体姿态测量原理

2．5．1确定载体的纵摇角和横摇角

2．5．2确定航向角

2．6本章小结

第3章航姿测量系统设计

3．1航姿测量系统总体设计

3．2信号处理电路设计

3．2．1电源电路的设计

3．2．2全差分放大电路设计

3．3数据采集电路设计

3．3．1模数转换器性能分析

3．3．2 AD7768-4硬件与时序

3．4倾角测量单元设计

3．5．1主控制单元概况

3．5．2 Nios Ⅱ软核设计

3．6系统的软件设计

3．6．1系统初始化子程序

3．6．2加速度计数据采集

3．6．3姿态角求解程序

3．7系统调试

3．8本章小结

第4章系统误差分析及补偿方法

4．1罗盘测量误差来源分析

4．2罗盘误差补偿算法研究

4．2．1椭圆法补偿

4．2．2最佳椭圆法补偿

4．3本章小结

第5章测姿装置样机测试结果

5．1水平测试

5．2倾斜测试

5．3结果分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢