加速度计寻北仪的数据采集与算法的设计

发布时间：2017-07-15 18:23

  本文关键词：加速度计寻北仪的数据采集与算法的设计

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【摘要】：随着导航定位技术的发展，寻北仪已经广泛应用到各个领域。相比陀螺式寻北仪，加速度计无陀螺寻北仪具有结构简单、响应快、价格低廉、稳定性好等特点。在导航、勘探、采矿、工程测量方面拥有广泛的应用价值，尤其在页岩气勘探、开采上，具有迫切需求。本文根据加速度计无陀螺寻北系统的实际应用环境，以某地质页岩气勘探开采的应用需求为背景，开展了加速度计寻北系统的研究与设计。 本文以页岩气勘探开采为背景，充分利用加速度计体积小、结构简单、灵敏度高、可靠性高等优点，研究了以石英挠性加速度计为核心构成的寻北系统。重点研究了基于FPGA的加速度计的数据采集与处理，针对加速度计输出信号比较微弱，电流幅值极低，很容易受到外界条件的干扰，测量难度大等缺点，研究并采用一种离散快速正交小波变换（Mallat算法）的方法对加速度计输出数据进行去噪，得到了较好的滤波效果。在此基础上，对系统进行了动态性能测试。实验结果表明，该系统具有成本低、响应快、稳定性好、结构简单等优点，满足某地质页岩气应用背景的需求。 首先，本文综述了寻北系统的国内外发展状况，并阐述了寻北的基本原理。在此基础上，分析了寻北系统的主要精度影响因素，提出了提高精度的方法。同时对加速度计输出信号的特点进行分析，为后续的设计做准备。 然后，在硬件电路设计方面，主要设计了I/V转换模块与精密数据采集模块。根据FPGA中自顶向下的设计方法，采用Verilog HDL硬件语言对精密数据采集模块与传输模块进行描述，同时给出了各个模块的仿真波形，验证了上述两个模块的正确性。对于数据采集速度远远大于串口传输速度的问题，本文采用平滑的算法进行处理。 最后，学习了小波变换的基本原理，研究并采用Mallat算法对数据进行处理。同时研究并应用了多元拟合和互相关检测两种算法，对数据进行解算，找到北向角。对算法进行matlab仿真，，验证了算法的有效性。对寻北系统性能进行验证，通过动态测试，表明该系统具有响应快、成本低、结构简单、可靠性好等优点。
【关键词】：寻北 加速度计 FPGA Mallat算法 互相关
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P204
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题研究的背景及意义8-9
• 1.2 寻北系统的国内外研究现状9-16
• 1.2.1 陀螺寻北系统9-12
• 1.2.2 捷联寻北系统12-13
• 1.2.3 加速度计寻北系统13-16
• 1.3 本论文的主要内容及结构安排16-18
• 2 加速度计寻北仪基本原理及相关设计方案18-27
• 2.1 系统总体设计方案18-19
• 2.2 加速度计无陀螺寻北的基本原理19-21
• 2.3 寻北系统精度影响因素分析21-25
• 2.3.1 转台基座倾斜误差影响21-22
• 2.3.2 转台端跳动误差影响22-23
• 2.3.3 转台的其他误差影响因素23-24
• 2.3.4 高精度加速度计的误差影响分析24-25
• 2.3.5 信号处理部分误差分析25
• 2.4 加速度计输出信号特性分析及处理25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 加速度计寻北仪的设计及实现27-42
• 3.1 寻北系统核心器件的选择27-31
• 3.1.1 加速度计的选择27-28
• 3.1.2 FPGA 芯片的选择28-29
• 3.1.3 AD 芯片的选择29-31
• 3.2 硬件平台的搭建31-35
• 3.2.1 I/V 转换电路31-32
• 3.2.2 精密数据采集电路的设计32-35
• 3.3 软件设计35-41
• 3.3.1 数据采集模块设计35-38
• 3.3.2 数据传输模块设计38-40
• 3.3.3 FPGA 数据采集速率与 RS232 串口传输速率的匹配40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 寻北仪算法设计42-54
• 4.1 小波去噪42-44
• 4.1.1 小波变换的基本原理42
• 4.1.2 连续小波变换42-43
• 4.1.3 离散小波变换43-44
• 4.2 加速度计寻北系统滤波器设计44-50
• 4.2.1 离散快速正交小波变换原理44-47
• 4.2.2 算法仿真47-50
• 4.3 寻北系统解算算法50-53
• 4.3.1 最小二乘法拟合50-51
• 4.3.2 互相关算法51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 5 系统验证及分析54-60
• 5.1 加速度计寻北系统硬件实物调试54-56
• 5.1.1 采集系统硬件调试54
• 5.1.2 FPGA 系统调试54-55
• 5.1.3 USB 接口调试55-56
• 5.2 实验验证56-59
• 5.3 本章小结59-60
• 6 总结与展望60-62
• 6.1 总结60
• 6.2 展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 附录67
• A.作者在攻读硕士学位期间发表论文目录67

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本文编号：545169