基于磁阻传感器的姿态测量系统设计与实现

论文摘要

地磁导航是利用地磁场的特征量进行导航的自主导航技术,具有精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点,满足飞机、潜艇、导弹等武器系统对未来导航技术的发展要求,并且在民用领域有广泛应用前景。载体的航向和姿态是导航的重要参数,其精度直接影响导航系统的性能。本文在分析了地磁导航的特点的基础上,进行了基于测量地磁场的载体姿态测量系统的设计与试验。论文首先阐述了地磁导航的发展现状和方法原理,得出通过地磁场获得载体的姿态量的方法:采用三轴磁阻传感器测量地磁三轴分量,采用两轴加速度计测量载体的俯仰角和横滚角,然后通过坐标变换得到航向角。进行了姿态测量系统的软、硬件设计,并研制了原理样机。在硬件设计中,介绍了传感器和系统芯片的特点,完成了电源电路、信号调理电路、置位复位电路、倾角测量模块、串口通信和液晶显示电路的设计。实现了实时测量系统姿态信号并在液晶上显示,同时通过串口传送至PC进行数据处理的功能。在软件设计中,通过数据采集、滤波、姿态角的解算实现航向显示与传输,将中值滤波算法应用于信号处理,得到了稳定的航向输出。还分析了非正交误差、传感器误差、附近铁质材料对航向输出的影响,着重分析了磁罗差,并用最小二乘补偿法进行了试验。试验结果表明,系统输出航向稳定度约为0.7 ,系统在利用最小二乘法进行罗差补偿后,输出航向误差约为1 ,基本达到预期要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 地磁导航的发展现状
• 1.2 本论文的主要工作
• 2 地磁导航的方法和原理
• 2.1 地球磁场和地磁场模型
• 2.2 地磁导航的方式
• 2.3 通过地磁场获得载体的姿态量
• 3 姿态测量系统的硬件设计
• 3.1 磁传感器的选择
• 3.2 加速度传感器的选择
• 3.3 系统芯片体系结构综述
• 3.4 系统硬件整体设计方案
• 3.5 系统硬件模块分析和设计
• 3.6 系统硬件抗干扰设计
• 4 姿态测量系统的软件设计
• 4.1 姿态测量系统的算法概述
• 4.2 姿态测量系统软件流程图
• 4.3 系统芯片集成开发环境选择和配置
• 4.4 系统片上资源初始化
• 4.5 数据采集程序
• 4.6 中值滤波算法
• 4.7 姿态角求解程序
• 4.8 上位机软件
• 5 系统误差分析及补偿方法
• 5.1 磁阻传感器非正交误差与标定
• 5.2 加速度计误差分析与标定
• 5.3 罗差及补偿方法
• 5.4 其他误差来源
• 6 系统试验数据及分析
• 6.1 系统稳定性试验与数据分析
• 6.2 系统误差补偿试验数据与分析
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 电路原理图
• 附录2 Labview程序框图
• 附录3 系统原理样机图