磁感式电子罗盘的研制及标定方法研究

摘要

电子罗盘依靠测量地球磁场矢量的方向得到方位角信息，以其同时具有尺寸小、功耗小、准确度高、便于集成等优点被广泛应用于航天、航空、航海、机器人、车辆自主导航、室内定位、运动检测等领域。电子罗盘的研制与标定方法一直是研究热点。磁感传感器具有能耗低、温漂小、测量范围大等优点，同时可能够直接提供数字输出，不需要复杂的信号调理电路，可直接通过微处理器采集其输出信号，不仅降低了使用成本，也更容易集成到产品设计当中。因此，本文选用磁感传感器作为地球磁场检测元件，并与加速度计组合构成电子磁罗盘的测量主体。电子罗盘由于传感器误差、安装误差以及外界磁场干扰等导致其计算输出的方位角存在误差。所以，电子罗盘必需在经过校准之后才能正常应用。本文的主要内容便是针对电子罗盘的校准方法展开的研究。
　　文章首先详细阐述了电子罗盘的航向测量原理，推导了利用加速度计测量重力场计算倾角的公式，并给出了磁方位角的计算公式。然后，介绍了电子罗盘的硬件系统设计。给出了硬件的设计框图，详细介绍了磁感传感器的信号采集电路、加速度计应用电路。根据相关标定方法实现与验证的需要，设计制造了一种带有高分辨率光电编码器的可绕独立的三个轴转动的无磁平台。另外，按照电子磁罗盘的具体应用需求，提供了系统软件运行的程序框图，并完成了相关软件的开发。
　　根据误差生成机制的不同，将电子罗盘的测量输出偏差总结归纳为两部分:仪表误差和罗差。针对现在常用的基于椭球假设的标定方法的不足，给出了一种优化的基于矩阵分解的最小二乘椭球拟合方法，可有效提高补偿参数求解的稳定性。针对现有方法存在的不足，提出了一种以无磁三轴转动平台为基础的误差分离校准新方法。该方法能够快速获取电子罗盘相关补偿参数的同时，还能分别评价各误差因子对罗盘导航精度的影响。针对电子罗盘的实际应用需求，研究了温度对电子罗盘性能的影响，并选择采用软件校准的方法消除了电子罗盘的温度漂移，最后通过实验说明了相关方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电子罗盘标定方法研究现状

1．3 选题依据和意义

1．4 本文的主要研究内容

第2章 电子罗盘方位角测量原理

2．1 地磁场概述

2．1．1 地磁场的基本模型

2．1．2 地磁场的分布特点

2．2 方位角测量原理

2．3 本章小结

第3章 电子罗盘的硬件及标定平台设计

3．1 电子罗盘硬件系统设计

3．2 磁感式磁传感器信号处理与采集

3．3 加速度计信号处理与采集

3．4 电路板设计细节

3．4．1 传感器布局细节

3．4．2 电路板设计主意事项

3．5 电子罗盘的封装

3．6 三轴无磁转动平台的设计

3．7 小结

第4章 电子罗盘与标定系统的软件实现

4．1 下位机程序设计

4．1．1 开发环境

4．1．2 传感器数据采集

4．2 上位机端程序设计

4．2．1 电子罗盘数据采集与误差标定软件设计

4．2．2 基于VC++6．0的电子罗盘图形用户界面

4．3 小结

第5章 电子罗盘的误差分析及标定方法

5．1 仪表误差分析

5．1．1 非正交及安装误差

5．1．2 磁感传感器的灵敏度系数误差

5．1．3 磁传感器的零点漂移误差

5．2 罗差分析

5．3 三轴磁传感器综合误差模型

5．4 加速度传感器误差分析与标定

5．4．1 误差分析与补偿

5．4．2 加速度传感器标定实验结果

5．5 电子罗盘的标定方法研究

5．5．1 基于非迭代椭球拟合算法的标定方法

5．5．2 基于无磁转台的电子罗盘误差分离标定方法

5．6 小结

第6章 电子罗盘的温度校准实验

6．1 磁感传感器温度校准

6．2 加速度计温度校准

6．2．1 加速度计的温度模型

6．2．2 加速度计温度模型辨识方法

6．2．3 温度模型辨识的具体实现

6．2．4 加速度计温度校准实验

6．3 电子罗盘温度校准实验

6．4 小结

第7章 总结与展望

7．1 主要工作

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果