数字式磁通门设计及其在姿态测量系统中的应用

摘要

磁场测量技术是现代测量、测试中的一项关键技术，地球磁场作为自然存在的矢量场，可以为载体的定位及姿态测控提供良好的坐标参考。现代磁场测量装置研制技术的进步，使精确测量载体的姿态成为现实，研究和发展高性能的磁场测量传感器具有重要意义。本文以国家科学自然基金项目水下重力磁力导航理论与技术研究为依托，以实现数字化、改善其线性、扩大测量范围为目标，深入研究数字式磁通门传感器的设计，研制样机并将其应用到姿态测量系统中。
　　从分析磁通门传感器的工作原理和性能出发，采用环形磁通门结构，设计了一种基于FPGA的数字式磁通门传感器，完成了核心电路硬件设计，采用数字信号处理的方法代替相敏检波（PSD）、FIR低通滤波器等模块的设计。采用闭环理论使传感器工作在零场附近，在协调传感器的灵敏度和动态范围矛盾的同时，也很好的改善三个传感头的跨度效应。论述了产生匀强磁场的球型反馈线圈的设计理论，考虑到球型骨架内部三个传感头安装位置磁场的均匀性和正交性，建立了球型磁场内部分布的数学模型。仿真了均匀度与线圈槽数、线圈间距等参数的关系，仿真结果为球型骨架的设计制作提供了理论依据。以此为基础，完成了球型磁场矢量PID反馈系统的设计。为提高三轴的测量精度，分析了三轴磁通门传感器的误差源，提出了误差修正模型，并基于此模型对其进行了标定。实验验证了系统设计的正确性。
　　论文利用标准三轴磁传感器Mag-03MSB100和校准单元Mag-03MS-CU对设计的数字式传感器在一定磁场范围内进行了磁场输入与传感器输出的线性度标定，标定结果表明所设计的传感器在实测磁场范围内能够达到标准传感器的灵敏度和分辨率，同时实现了较大动态范围的测量。通过对传感器误差源所引起的误差进行修正，可使测量的磁场模值误差控制在0.6T范围以内。最后，搭建了组合姿态测量系统，推导了和微惯性器件进行组合姿态测量的卡尔曼滤波算法，进行了实际转台实验，获得了良好的测量精度，能够很好的应用于姿态测量系统。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 磁通门传感器国内外研究现状

1.3 论文主要工作及章节安排

第2章 数字化磁通门工作原理与理论分析

2.1 磁通门磁场测量工作原理

2.2 磁通门传感器的性能分析和结构设计

2.3 磁通门传感器的数字化

2.4 球型矢量磁场反馈原理建模

2.5 本章小结

第3章 数字式磁通门传感器系统设计

3.1磁通门传感头设计

3.2球型骨架模型设计及线圈绕制

3.3 信号处理硬件电路设计

3.4 FPGA软件电路仿真设计

3.5 本章小结

第4章 磁通门传感器的硬件测试及误差修正

4.1 硬件电路调试

4.2软件硬件化功能测试验证

4.3 磁通门传感器测试与标定

4.4 三轴磁通门测量误差修正

4.5 本章小结

第5章 磁通门传感器在姿态测量系统中的应用

5.1 地磁组合姿态测量基本原理

5.2 磁通门/微惯性器件组合姿态测量系统方案

5.3 磁通门/微惯性器件组合姿态解算与实验测试

5.4 系统硬件测试和实验分析

5.5 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