基于FPGA的MEMS航姿测量系统设计

发布时间：2020-11-06 09:27

　　 指南针自古以来就是人们导航定向的重要工具。随着科技的发展,电子罗盘产品以其独有的优良特性,逐渐替代了传统指南针,广泛应用于航海、勘测、户外探险等领域。针对水下载体测向导航应用方向,本论文以新型电子罗盘为研究目标,设计了一套由三轴磁力仪和三轴加速度计构成的航姿测量系统。首先,利用地球磁场模型,深入研究基于电子罗盘的航向、姿态测量原理,形成系统总体设计方案和目标。其次,通过对比各类磁敏感器和加速度计的优缺点,根据系统设计指标选取三轴矢量磁传感器(TMR2309)和MEMS加速度计(ADXL355)作为核心敏感元件,构建航姿测量系统硬件平台。硬件设计是本论文的主要工作,包括:硬件系统的方案论证、芯片选型、电路设计、功能仿真及验证、参数优化、电路调试;基于FPGA的信息采集和数据处理模块设计、仿真、调试。之后,开展了软件滤波算法、误差补偿校正算法和航向角计算等工作,实现了高频干扰抑制、航向角平滑输出。最后,在水平和倾斜两种状态下,对系统进行方位角测量实验,经椭圆拟合,获得磁场干扰误差参数。本课题的研究实现了航姿测量系统原理性样机设计,测试结果验证了三轴矢量磁阻传感器在电子罗盘中应用的可行性,有利于推进微型化电子罗盘在水下无人航行器等载体上的应用。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U666.1
【部分图文】：

第 1 章 绪论北微传感科技公司专门为存在磁干扰和动态运动环境提供高精度横滚、俯仰和方位测量的惯性产品 HEC395。该产品包涵 9 自由度传感器：3 轴加速度传感器，3 轴磁传感器和 轴陀螺仪。通过优化的扩展卡尔曼滤波算法，产品实时输出高精度姿态信息。航向精度为0.3°，分辨率达到 0.01°。HEC395 专门为提高磁罗盘的抗干扰能力而设计，当铁性干扰物靠近产品时，HEC395 依然可以保持高精度方位信息。HEC395 同时也具有优异的动态性能，保证了动态测量的高精度。高的性价比让 HEC395 非常适合高航向精度要求场合。

第 2 章 姿态测量系统基本理论与工作原理第 2 章 姿态测量系统基本理论与工作原理系统理论基础与数学模型建立1 地球磁场地球的磁场强度约为 0.4 至 0.7 高斯，其方向始终指向磁北，并且具有一个平行面的成分，而这些特点正是所有姿态测量的基础。如图 2-1 所示的双极模型可形地球磁场。如图所示在地球赤道上方处其方向水平指北向，在南半球其向上指北半球中地球磁场向下指向北，也就是说在任何情况下地球磁场的方向始终指而这地球磁场中平行于地球表面的分量信息正是被用来确定载体方向[24]。

第 2 章 姿态测量系统基本理论与工作原理第 2 章 姿态测量系统基本理论与工作原理系统理论基础与数学模型建立1 地球磁场地球的磁场强度约为 0.4 至 0.7 高斯，其方向始终指向磁北，并且具有一个平行面的成分，而这些特点正是所有姿态测量的基础。如图 2-1 所示的双极模型可形地球磁场。如图所示在地球赤道上方处其方向水平指北向，在南半球其向上指北半球中地球磁场向下指向北，也就是说在任何情况下地球磁场的方向始终指而这地球磁场中平行于地球表面的分量信息正是被用来确定载体方向[24]。
【参考文献】

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1 张晓明;杨国欢;赖正喜;赵代弟;;各向异性磁电阻传感器高精度测试技术[J];测试技术学报;2015年01期

2 ;中国科大在二维纳米材料巨磁阻效应研究中取得进展[J];人工晶体学报;2014年10期

3 任尚坤;房坤;周瑞琪;;基于TMR传感器的ACFM检测系统的设计及试验研究[J];无损探伤;2014年01期

4 高呈学;钟磊;张明瑞;;全固态三轴电子罗盘的应用设计[J];价值工程;2013年21期

5 韩秀峰;刘厚方;张佳;师大伟;刘东屏;丰家峰;魏红祥;王守国;詹文山;;新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应[J];中国材料进展;2013年06期

6 吕华;刘明峰;曹江伟;白建民;魏福林;杨正;王建国;;隧道磁电阻(TMR)磁传感器的特性与应用[J];磁性材料及器件;2012年03期

7 朱孟正;赵春然;;浅论霍尔效应的发展及其应用[J];牡丹江师范学院学报(自然科学版);2012年01期

8 邹乐强;;最小二乘法原理及其简单应用[J];科技信息;2010年23期

9 殷克东;张天宇;张燕歌;;我国海洋强国战略的现实与思考[J];海洋信息;2010年02期

10 秦勇;赵杰;王晓宇;;基于椭圆拟合误差补偿算法的数字磁罗盘[J];吉林大学学报(工学版);2009年02期

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1 刘笑阳;海洋强国战略研究[D];中共中央党校;2016年

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1 李悠扬;基于MEMS的姿态测量系统的研究[D];东南大学;2017年

2 梁丽华;基于FPGA的安检采集传输系统设计[D];北华航天工业学院;2017年

3 王琪;基于隧道磁阻传感器的电子罗盘设计[D];中北大学;2015年

4 胡任;基于GPRS无线通讯的水下滑翔机关键技术研究[D];浙江大学;2011年

5 杨培科;基于SOPC的磁阻电子罗盘的设计实现及其误差补偿[D];哈尔滨工程大学;2010年

6 郑义;基于磁阻传感器的姿态测量系统设计与实现[D];华中科技大学;2008年

7 马霖;基于SOPC的高速数据采集系统研究与设计[D];西南交通大学;2007年

8 张晓健;基于NiosⅡ的嵌入式逻辑分析仪系统软件设计[D];西安电子科技大学;2007年

9 陈雁;各向异性磁电阻传感器的研究[D];中国科学院研究生院（电子学研究所）;2006年

10 陈小凤;基于磁通门技术的智能航向测定系统[D];大连海事大学;2003年

本文编号：2872962