地球表面的纯磁场导航

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 问题的起源
• 1.1 想法的来源
• 1.2 论文的工作
• 第2章 纯磁导航的定义
• 2.1 纯磁导航的独特之处
• 2.2 导航或识途
• 2.3 磁图的定义和识途的定义
• 2.4 地球磁场的7个分量
• 2.5 磁图的坐标
• 2.6 磁图和地图的对应
• 第3章 纯磁识途的算法
• 3.1 二维笛卡尔直角平面上的纯磁识途
• 3.1.1 识途问题的数学描述
• 3.1.2 线性化近似
• 3.1.3 雅可比行列式的妙用
• 3.1.4 消去距离
• 3.1.5 线性化误差的衡量
• 3.2 推广到理想球面上的纯磁识途
• 3.3 程序框架和部分程序代码
• 3.3.1 程序框架图
• 3.3.2 部分源程序代码
• 3.4 全球地磁场模型仿真
• 3.4.1 在单调区域的识途轨迹
• 3.4.2 非单调区域的识途
• 第4章 磁场测量
• 4.1 现有的磁场测量技术
• 4.1.1 磁阻效应
• 4.1.2 磁通门
• 4.2 KMZ52磁场传感器信号调理电路
• 4.2.1 KMZ52工作特性
• 4.2.2 原理图及电路工作原理说明
• 4.2.3 初步测量结果
• 4.2.4 数模转换芯片的SPI接口的编写
• 4.2.5 实物图以及实验测量结果
• 4.2.6 实验数据的分析和实验的缺点
• 4.2.7 其它更新的磁场传感芯片
• 第5章 纯磁导航系统
• 5.1 纯磁导航系统框图
• 5.2 具体的运动控制步骤:二维球面情况
• 5.3 三维空间情况
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的论文成果