基于磁场信息的定位原理及应用

摘要

地球周围存在稳定的磁场，称为地磁场。地磁场是具有稳定方向和大小的矢量场。研究表明，地球上许多生物可以根据免费的地球磁场信息来进行定位和导航，季节性迁徙的鸟类、鱼类和海龟的迁徙回巢行为与地球的磁场信息有很大的相关性。磁场导航作为一种新型的导航手段，可以成为当前主流导航手段如GPS导航、惯性导航等的辅助导航手段。高精密的磁场传感器的研制为磁场导航提供了技术基础和保障。基于磁场的导航手段在室内及其他特殊区域有着非常广泛的应用和市场前景。
　　论文首先介绍利用磁场进行定位的基本原理，研究了使用两个磁场要素在同一平面进行磁场导航与定位的可能性及原理。本文创造性地提出了采用总磁场与特定方向的空间夹角的数据信息作为导航依据的方法。
　　论文提出了基于卡尔曼滤波的纯磁场导航方法，与传统磁场导航方法的不同点是，本文提出的磁场导航方法不依赖于事前保存的磁场数据，完全依靠实时测量当地的磁场数据进行导航。
　　论文对提出的磁场导航算法进行了Matlab仿真实验，实验数据读取了全球磁场模型的数据，同时在其中加入一定的噪声和干扰。仿真实验表明，本文提出的导航算法可以适应地球磁场日常的噪声和干扰，顺利完成既定的导航任务。
　　论文从现有的磁场测量技术出发，设计和制作了高精度的磁场测量装置，并提出了一种室内磁场导航的方法，即通过大型通电螺线圈构造一个唯一稳定的磁场源，然后利用该磁场源及本文提出的算法在室内进行导航的方法。
　　论文在最后对本文提出的基于磁场的定位方法的应用前景作了探讨，提出了本次研究的意义及后续工作可以开展的研究。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 问题的提出

1．2 论文的工作

2 磁场的定位原理

2．1 地球磁场

2．2 地球磁场要素

2．3 当前磁场导航研究方向

2．4 基于磁场角度信息进行磁场导航

2．5 地球磁场要素的唯一性

2．6 小结

3 基于卡尔曼滤波的纯磁导航算法

3．1 纯磁导航算法定义

3．2 导航算法的前提

3．3 导航算法的基本原理

3．3．1 预测行进方向模型

3．3．2 扩展卡尔曼滤波(EKF)

3．3．3 基于卡尔曼滤波的纯磁导航算法

3．4 本文算法与传统算法的比较

3．5 小结

4 全球磁场模型导航仿真

4．1 全球磁场导航模型介绍

4．2 仿真环境介绍

4．3 无噪声情况下的仿真

4．3．1 仿真详细步骤

4．3．2 仿真误差分析

4．4 日常波动情况下的仿真

4．5 磁暴状况下的仿真

4．6 通过磁场异常区域情况下的仿真

4．7 导航物体方向感知出现偏差情况下的仿真

4．8 小结

5 室内磁场导航系统及应用

5．1 磁场传感器简介

5．2 精密磁场传感器系统设计

5．2．1 Honeywell系列磁场传感器

5．2．2 磁场测量装置整体架构设计

5．2．3 低噪差分放大器模块

5．2．4 模数转换ADC模块

5．2．5 模数隔离模块

5．2．6 AVR单片系统模块

5．2．7 复位信号调理模块

5．2．8 电源设计

5．2．9 实际测量效果

5．3 一种室内磁场导航方法设计

5．3．1 构建室内磁场导航的方法

5．3．2 室内磁场导航的仿真

5．4 小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果