基于弱磁传感器的电子罗盘设计及干扰补偿算法研究

摘要

电子罗盘（Electric Compass）作为一种定位导航工具，具有精度高、反应迅速、体积小、能耗低、成本低、适合大批量生产等优点，已经被广泛地应用于航天、航空、航海、车辆导航、手机定位、生物医学、地理测绘等领域。近年来，电子罗盘已经广泛研究、取得了很多研究成果，但是电子罗盘受周围环境的干扰影响比较大，仍然离工程化、实用化有一定的差距。本文设计了基于弱磁传感器的电子罗盘、分析了电子罗盘的干扰原因并提出了可行的干扰补偿算法。
　　本文首先分析了电子罗盘的测量原理，通过建立数学模型并通过纯数学矩阵的方式推导出电子罗盘航向角与测量数据的数学关系式，确保了推导过程的严密性，并设计了电子罗盘系统框架。然后根据电子罗盘的系统框架和硬件设计需求，本文对电子罗盘关键元器件进行了选型并设计了包含主控模块、传感器模块、电源模块和显示与传输模块的电子罗盘硬件测量系统。最后在硬件的基础上设计了配套的软件程序，其中传感器模块通过IIC总线将测量数据传输给主控模块，主控模块再根据角度解算公式解算出电子罗盘的航向角，并通过显示器显示出来或者通过USART数据总线传输到电脑。
　　根据软磁材料和硬磁材料的材料特性，分别建立了软磁干扰和硬磁干扰的数学模型，并根据此数学模型推导出电子罗盘受到硬磁干扰和软磁干扰的数据分布轨迹表达式，证明了软硬磁干扰使得磁传感器的数据分布从以原点为圆心的正圆畸变成一个原点偏离原点的椭圆。本文同时还分别分析了三轴磁传感器不正交误差、灵敏度误差和零点误差对于电子罗盘的干扰效果，并建立了相应的数学模型，通过数学模型证明了三轴不正交误差和灵敏度误差的对电子罗盘的干扰效果可等效为软磁干扰，零点漂移误差可以等效为硬磁干扰。最后分析了电子罗盘被使用在振动环境下时，振动加速度矢量对于三轴加速度传感器的影响，并建立了相应的数学模型。基于对于电子罗盘的振动干扰的分析与建模，本文提出了限幅滤波法和递推平均法以补偿振动环境对电子罗盘的干扰，实验结果表明此方法能够有效地滤除受偶然的振动干扰的数据并平滑三轴加速度传感器的数据。基于对电子罗盘软磁、硬磁干扰以及与其等效的干扰的分析及建模，提出了椭圆长短轴补偿法和改进型最小二乘椭圆补偿方法两种补偿方法。椭圆长短轴方法是基于椭圆的几何特点提出的补偿方法，此方法具有快速、运算量小的特点，特别适合运算能力不强的嵌入式处理器。改进型最小二乘椭圆补偿方法是基于最小二乘法椭圆拟合法提出的，其分两步分别对电子罗盘的硬磁干扰和软磁干扰进行补偿，此方法具有精度高的特点且能够弥补最小二乘椭圆拟合方法的运算量极大的缺陷。通过实验证明椭圆长短轴补偿法和改进型最小二乘法椭圆补偿法都能快速有效地对电子罗盘的软磁干扰和硬磁干扰进行补偿与矫正。通过对比分析，经过矫正后的电子罗盘的测量精度能够达到1°以内，而未经过矫正的电子罗盘测量误差最大能够达到23°。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 电子罗盘的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 电子罗盘的工作原理与系统设计

2.1 地磁场的概念

2.2 电子罗盘测量模型与姿态解算

2.3 电子罗盘系统框架

2.4 本章小结

第三章 电子罗盘的硬件设计

3.1 硬件设计方案讨论

3.2 关键芯片的选型

3.3 硬件电路设计

3.4 PCB版图设计及实物照片

3.5 本章小结

第四章 电子罗盘的软件设计

4.1软件开发平台的介绍

4.2 软件流程图设计

4.3 各功能子模块程序设计

4.4本章小结

第五章 电子罗盘的干扰分析及补偿算法研究

5.1 电子罗盘干扰分析

5.2 电子罗盘干扰补偿与验证

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果