基于弱磁傳感器的電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)及干擾補(bǔ)償算法研究.pdf

1、電子羅盤(pán)（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(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、車(chē)輛導(dǎo)航、手機(jī)定位、生物醫(yī)學(xué)、地理測(cè)繪等領(lǐng)域。近年來(lái)，電子羅盤(pán)已經(jīng)廣泛研究、取得了很多研究成果，但是電子羅盤(pán)受周?chē)h(huán)境的干擾影響比較大，仍然離工程化、實(shí)用化有一定的差距。本文設(shè)計(jì)了基于弱磁傳感器的電子羅盤(pán)、分析了電子羅盤(pán)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(pán)的測(cè)量原理，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并通過(guò)純數(shù)學(xué)矩陣的方式推導(dǎo)出電子羅盤(pán)航向角與測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，確保了推導(dǎo)過(guò)程的嚴(yán)密性，并設(shè)計(jì)了電子羅盤(pán)系統(tǒng)框架。然后根據(jù)電子羅盤(pán)的系統(tǒng)框架和硬件設(shè)計(jì)需求，本文對(duì)電子羅盤(pán)關(guān)鍵元器件進(jìn)行了選型并設(shè)計(jì)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(pán)硬件測(cè)量系統(tǒng)。最后在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了配套的軟件程序，其中傳感器模塊通過(guò)IIC總線將測(cè)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(pán)的航向角，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)或者通過(guò)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(pán)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(diǎn)為圓心的正圓畸變成一個(gè)原點(diǎn)偏離原點(diǎn)的橢圓。本文同時(shí)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(diǎn)誤差對(duì)于電子羅盤(pán)的干擾效果，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)

4、模型，通過(guò)數(shù)學(xué)模型證明了三軸不正交誤差和靈敏度誤差的對(duì)電子羅盤(pán)的干擾效果可等效為軟磁干擾，零點(diǎn)漂移誤差可以等效為硬磁干擾。最后分析了電子羅盤(pán)被使用在振動(dòng)環(huán)境下時(shí)，振動(dòng)加速度矢量對(duì)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(duì)于電子羅盤(pán)的振動(dòng)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(dòng)環(huán)境對(duì)電子羅盤(pán)的干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法能夠有效地濾除受偶然的振動(dòng)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(duì)電子羅盤(pán)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(zhǎng)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(zhǎng)短軸方法是基于橢圓的幾何特點(diǎn)提出的補(bǔ)償方法，此方法具有快速、運(yùn)算量小的特點(diǎn)，特別適合運(yùn)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(duì)電子羅盤(pán)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(diǎn)且能夠彌補(bǔ)最小二乘橢圓擬合方法的運(yùn)算量極大的缺陷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明橢圓長(zhǎng)短軸補(bǔ)償法和改進(jìn)型最