激光准直系统的姿态测量装置研制

论文摘要

随着激光准直技术的不断发展,激光准直系统在水利工程、农业机械、国防科技、钻井勘探、铁路修筑、隧道挖掘等多个领域得到了广泛应用。利用激光具有的方向性强、单色性好、能量集中以及相干性好等普通光源无法比拟的优点,激光准直系统可以在恶劣环境条件下完成长距离、高精度的监测任务。然而,激光准直系统的各个部件一般是由人工安装和调节,定位过程易产生较大误差。激光准直系统的姿态测量装置弥补了这一缺点,可提高测量精度。全固态电子罗盘作为一种姿态测量装置应用于激光准直系统中,使系统数字化、智能化。本文从磁阻传感器和加速度计的工作原理出发,首先分析了电子罗盘的姿态测量原理,推导了姿态角度的计算过程。然后基于该测量原理,利用三轴磁阻传感器和三轴MEMS加速度计设计了硬件电路,以DSP为核心采集数据并完成角度计算。此后,通过对测量系正交和增益误差问题建模,采用浮点编码遗传算法设计解决该问题的新方法,以数字仿真验证了该方法的可行性。DSP软件设计采用了结构化程序设计思想,详细分析了各个功能模块的设计流程。最后,通过实验测试了本装置的性能。经过详细的实验,验证了本装置可正常运行,完成姿态角度计算和误差修正,系统稳定性和可重复性良好。数据滤波效果对本装置的稳定性和可重复性有较大影响,改进滤波方式可有效提高此性能。实验验证了浮点编码遗传算法的可行性,可通过增加原始数据、增大搜索力度和改进算法等方法提高寻优精度。各项测试实验为进一步改进本设计提供了实验基础和方法论证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究目标
• 第2章 姿态测量原理
• 2.1 磁阻传感器
• 2.1.1 工作原理
• 2.1.2 霍尼韦尔磁阻传感器的特点
• 2.2 MEMS加速度计
• 2.3 姿态角度计算原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 系统总体设计
• 3.2 磁阻传感器电路设计
• 3.2.1 反馈电路总体设计
• 3.2.2 放大电路设计
• 3.2.3 PID控制
• 3.2.4 功放电路设计
• 3.3 加速度计电路设计
• 3.4 数据采集电路设计
• 3.5 DA转换设计
• 3.6 DSP电路设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 正交与增益误差修正算法研究
• 4.1 三轴测量系正交与增益误差修正理论分析
• 4.1.1 三轴测量误差分析及其影响
• 4.1.2 非正交测量系与虚拟正交系模型
• 4.2 参数最优估计
• 4.2.1 目标函数
• 4.2.2 浮点编码遗传算法
• 4.3 仿真实验及结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 DSP软件设计
• 5.1 软件开发环境CCS
• 5.2 软件系统设计
• 5.2.1 总体设计
• 5.2.2 初始化与寄存器设置
• 5.2.3 DA控制流程
• 5.2.4 数据采集流程
• 5.2.5 数据解码与角度计算
• 5.2.6 Flash读写
• 5.2.7 修正计算流程
• 5.3 DSP自举加载
• 5.3.1 自举加载方式
• 5.3.2 自举表的生成
• 5.4 本章小结
• 第6章 测试与分析
• 6.1 硬件测试
• 6.1.1 传感器输出信号测试
• 6.1.2 置位与复位信号测试
• 6.2 实验与数据分析
• 6.2.1 稳定性测试
• 6.2.2 可重复性测试
• 6.2.3 误差修正测试
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 姿态测量装置实物图