基于弱磁傳感器的電子羅盤設(shè)計及干擾補(bǔ)償算法研究.pdf

1、電子羅盤（Electric Compass）作為一種定位導(dǎo)航工具，具有精度高、反應(yīng)迅速、體積小、能耗低、成本低、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、車輛導(dǎo)航、手機(jī)定位、生物醫(yī)學(xué)、地理測繪等領(lǐng)域。近年來，電子羅盤已經(jīng)廣泛研究、取得了很多研究成果，但是電子羅盤受周圍環(huán)境的干擾影響比較大，仍然離工程化、實用化有一定的差距。本文設(shè)計了基于弱磁傳感器的電子羅盤、分析了電子羅盤的干擾原因并提出了可行的干擾補(bǔ)償算法。
　　

2、本文首先分析了電子羅盤的測量原理，通過建立數(shù)學(xué)模型并通過純數(shù)學(xué)矩陣的方式推導(dǎo)出電子羅盤航向角與測量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，確保了推導(dǎo)過程的嚴(yán)密性，并設(shè)計了電子羅盤系統(tǒng)框架。然后根據(jù)電子羅盤的系統(tǒng)框架和硬件設(shè)計需求，本文對電子羅盤關(guān)鍵元器件進(jìn)行了選型并設(shè)計了包含主控模塊、傳感器模塊、電源模塊和顯示與傳輸模塊的電子羅盤硬件測量系統(tǒng)。最后在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計了配套的軟件程序，其中傳感器模塊通過IIC總線將測量數(shù)據(jù)傳輸給主控模塊，主控模塊再根據(jù)角度解算

3、公式解算出電子羅盤的航向角，并通過顯示器顯示出來或者通過USART數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)诫娔X。
　　根據(jù)軟磁材料和硬磁材料的材料特性，分別建立了軟磁干擾和硬磁干擾的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)此數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出電子羅盤受到硬磁干擾和軟磁干擾的數(shù)據(jù)分布軌跡表達(dá)式，證明了軟硬磁干擾使得磁傳感器的數(shù)據(jù)分布從以原點為圓心的正圓畸變成一個原點偏離原點的橢圓。本文同時還分別分析了三軸磁傳感器不正交誤差、靈敏度誤差和零點誤差對于電子羅盤的干擾效果，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)

4、模型，通過數(shù)學(xué)模型證明了三軸不正交誤差和靈敏度誤差的對電子羅盤的干擾效果可等效為軟磁干擾，零點漂移誤差可以等效為硬磁干擾。最后分析了電子羅盤被使用在振動環(huán)境下時，振動加速度矢量對于三軸加速度傳感器的影響，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。基于對于電子羅盤的振動干擾的分析與建模，本文提出了限幅濾波法和遞推平均法以補(bǔ)償振動環(huán)境對電子羅盤的干擾，實驗結(jié)果表明此方法能夠有效地濾除受偶然的振動干擾的數(shù)據(jù)并平滑三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)。基于對電子羅盤軟磁、硬磁

5、干擾以及與其等效的干擾的分析及建模，提出了橢圓長短軸補(bǔ)償法和改進(jìn)型最小二乘橢圓補(bǔ)償方法兩種補(bǔ)償方法。橢圓長短軸方法是基于橢圓的幾何特點提出的補(bǔ)償方法，此方法具有快速、運算量小的特點，特別適合運算能力不強(qiáng)的嵌入式處理器。改進(jìn)型最小二乘橢圓補(bǔ)償方法是基于最小二乘法橢圓擬合法提出的，其分兩步分別對電子羅盤的硬磁干擾和軟磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償，此方法具有精度高的特點且能夠彌補(bǔ)最小二乘橢圓擬合方法的運算量極大的缺陷。通過實驗證明橢圓長短軸補(bǔ)償法和改進(jìn)型最