基于多磁传感器的智能航向测定系统

摘要

三轴磁传感器常用于磁场矢量测量,在工程物探,地磁导航和室内定位等军事和生活领域具有很重要的应用价值,在地磁场的测量领域有着不可替代的作用。但由于三轴磁传感器检查到的地磁数据往往受到很多因素的干扰而无法精确测量,包括三轴磁传感器各轴零点漂移、各轴灵敏度不一致和轴间非正交性等仪表误差以及环境中各种磁干扰材料引起多种误差,这些因素严重影响了地磁导航系统和磁场测量系统的精度和稳定性。因此,需要对磁传感器的误差产生机理和在磁干扰环境中测量数据的误差补偿方法与抗干扰措施进行深入研究,解决环境中磁干扰误差与补偿技术中所涉及的理论和技术问题。
　　本论文结合测试环境和误差参数估计理论对抗磁干扰措施和误差补偿方法进行了深入研究,主要的研究工作为以下的几个方面:
　　(1)根据地磁场特点和航行角、姿态角的计算原理,深入分析磁传感器测量误差来源及其对地磁测量的影响,分析了一种基于椭圆拟合的补偿方法。
　　(2)根据地磁场误差的椭圆假设理论确定椭圆的误差模型,结合最小二乘法估算出椭圆系数,实现从椭圆到圆的逆变化过程和确定误差参数。并将基于椭圆拟合的误差校正方法推广到三维空间,实现在任意姿态下磁场的校正和航向的测定。
　　(3)对基于椭圆假设的磁场误差模型和校正算法进行验证。
　　(4)为了实现实时和自适应地补偿误差和计算航向,避免手动旋转单个磁传感器来采集不同方向的磁场的繁琐操作和突破对测试环境的局限性,本文提出了一种基于多个霍尔式磁传感器和MEMS加速度传感器的几何设计结构和改进了一种基于多磁传感器的椭圆拟合的误差补偿技术。
　　(5)利用本文提出和设计的航向测量装置,再结合软件上的补偿算法,对本文提出的误差补偿技术和抗干扰措施进行了实验测试。
　　实验结果表明:上述方法在室内工作环境下能实时地、准确地和稳定地估算出航向值,有效地抑制了传感器的系统误差和环境中的磁干扰,突破了对测试环境的局限性,并且该智能航向测定系统的航向输出误差在±2.5°的范围内,具有一定的实用价值和研究意义。

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第一章 绪论

§1.1课题研究的背景及意义

§1.2论文主要内容及安排

第二章 地磁传感器及航向测量原理

§2.1地磁传感器

§2.2地磁场概述

§2.3 航向测量原理

§2.4本章小节

第三章 误差分析与补偿算法

§3.1误差分析

§3.2基于椭圆拟合的补偿算法

§3.3实验结果与分析

§3.4本章小结

第四章 系统设计与实现

§4.1硬件设计与实现

§4.2软件设计与实现

§4.3本章小结

第五章 系统验证实验与结果分析

§5.1无磁干扰环境下

§5.2强磁干扰环境下

§5.3 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果

附录A 部分电路设计图

附录B 部分算法代码

附录C 实物图