地球表面的纯磁场导航

摘要

地磁场是一种无源的，稳定的，免费的信息资源。地磁场早已经被人类用于导航和辨向系统，但它至今要么只是其它导航方式的辅助手段，要么需要大量的预存储的地磁数据(譬如在磁图匹配导航中是这样的)。
　　 本论文先在最理想的情况下研究了地球表面上纯磁场导航的可能性，用数学的语言，从信鸽归巢的问题中提取类似的地方，描述了纯磁导航的问题。
　　 接下来论文先研究了在二维笛卡尔直角平面上的“纯磁识途算法”，在此过程中论文提出了利用雅可比行列式简化实际测量的方法，并利用线性化近似和迭代的算法逐次搜寻和逼近目标。经论文改进后的算法不需要在导航过程中测量距离。
　　 然后论文遵循最优化导航中路径最短的原则，将纯磁导航从二维笛卡尔直角平面推广到了二维球面，在此过程中，论文使用动态北极代替了传统概念中的固定北极，利用球面上的测地线代替了直角平面上的直线段。
　　 为了验证算法的可行性，论文借助全球地磁模型，利用MATLAB仿真实验了某些情况下的纯磁导航轨迹，并且在算法里使用了一定精度的数据。算法的仿真结果表明，如果拥有足够精度的磁场传感器，二维理想球面上的某些区域里，纯磁导航是可以实现的。
　　 紧接着，论文从现有的磁场测量技术出发，设计和制作了磁场传感器的信号调理电路，进行了实物测量。论文还借助FPGA开发板，编写VHDL代码设计了从模数转换芯片读取数据的SPI控制器和数码管的显示控制器，对磁场传感电路的输出进行模数转换后显示在数码管上。
　　 最后，论文在算法和传感器的基础上添加了机器人运动控制模块，提出了纯磁导航的系统框图，并为系统的各部分设计了详尽的控制步骤。