开题报告-数字式电子罗盘设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：数字式电子罗盘设计指导教师:2015 年 3 月 21日 毕 业 设 计 开 题 报 告1 结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右文献综述： 文 献 综 述1 本课题的选题背景意义早在我国北宋时期我们的祖先就发明了简单的可以指示方向的罗盘1，用于行军打仗。随着科技的发展，半导体材料的不断出现，集成技术的日益成熟，电子罗盘技术也得到迅速的发展，各种各样的电子罗盘出现在了我们的生活当中，而且扮演着重要角色，尤其是在导航方面。同时电子罗盘在水平孔和垂直孔测量、水下勘探、建筑物定位、设备维护、仿真系统、教育培训、虚拟现实等方面有着广泛的应用2。2 本课题的发展历程和现状国外有多家公司研究和生产电子罗盘，尤其是以Honeywell(霍尼韦尔）公司的磁阻式电子罗盘和KVH公司生产的磁通门电子罗盘3最为著名。 国内的电子罗盘研究由于起步比较晚，国内生产和销售电子罗盘的厂家基本都是以代理国外的品牌为主。国内九十年代末开始电子罗盘的研究4。大连海事大学关政军教授利用磁阻传感器研制了水平状态下的磁罗经西北工业大学刘诗斌教授的博士学位论文应用磁通门技术于无人机中并研制了原理样机5，对实际应用中的误差进行了智能补偿；其余国内的大部分研究仍停留在利用Honeywell公司的磁阻传感器来制作电子罗盘上，并对产生的误 差进行智能补偿6的阶段。因此可以说电子磁罗盘在国内还是有很大的发展空间；3 本文完成的主要研究工作（1）方案及硬件电路的搭建：完成数字式电子磁罗盘方案设计的基础上，设计系统硬件电路原理图、PCB版图，并完成电路焊接调试；（2）系统控制程序编写：编写程序，调试实现完成电子磁罗盘的设计。 （3）实验验证 对所设计完成电子磁罗盘的设计进行实验验证，完成电子磁罗盘的设计，数字显示测量结果，其方位测量精度5，水平测量精度1。 参考文献1.李希胜，王家鑫，汤程，等高精度磁电子罗盘的研制J传感技术学报，2006，19(6)：244124442.高宗余，李德胜多MEMS传感器姿态测量系统的研究J电光与控制，2010，17(3)：68-703.冒晓莉，杨博，杨静秋等基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机J电子技术应用，2013，39(5)：1381404.郑玉冰、 章雪挺、刘敬彪. AMR电子罗盘的设计及其误差补偿5.周献，王强，缪志农，等基于RBF神经网络的三维温度场重建算法J仪表技术与传感器J.2013(5)：99-1026.田丰，孙小平，邵富群，等基于高斯函数与正则化法的复杂温度场图像重建算法研究J中国电机工程学报，2004，24(5)：212-2157.彭义刚，索津莉，戴琼海，等从压缩传感到低秩矩阵恢复：理论与应用J自动化学报，2013，39(7)：98l-9948.CANDS E J，RECHT BExact matrix completion via convex optimizationJFoundations of Computational mathematics，2009.9(6)：717-7729.陈敏铭矩阵重建的算法与实现D北京：中国科学院研究生院，20109(6)：517-57210.RECHT BA simpler approach to matrix completionJThe Joumal of Machine Learning Research，201 1(12)：3413343011.CAI J F，CAND立S E J，SHEN ZA singular value thresholdingalgorithm for matrix completionJSIAM Journal on Optimization，2010，20(4)：1956-198212.DE LATHAUWER L，DE MOOR B，VANDEWALLE JAmuhilinear singular value decompositionJSIAM Journal on Matrix Analysis and Applications，2000，21(4)：12531278毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 本文主要研究的问题电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角, 因而在实际应用中, 不希望有其它磁场叠加到地磁场上, 影响磁场的大小和方向, 并造成航向角误差,本文研究的主要是传感器姿态计算、系统误差、补偿等问题。2本课题拟采用的研究途径及方案2.1.整体方案基于现状，本文我们采用磁阻传感器来设计电子磁罗盘。设计电子磁罗盘的基本思路：首先考虑到三轴磁阻传感器和加速度计的一些特性，我们采用HMC5883L三轴磁阻传感器7进行地球磁场矢量测量，加速度计ADXl202敏感地球重力场中测量载体的姿态8，然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系。其次我们将磁阻传感器的输出电压信号进行放大，之后送到AD转换器进行模数转换。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载 体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。最后在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换,系统误差补偿，得到载体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。传感器模块 数据采集模块 MCU模块HxHYHZ信号调理电路置位/复位 电路A/D转换模块三轴磁阻传感器MCUGXGYGZ 三轴加速计上位机 图12.2.电子罗盘的基本原理地球的磁场强度为0.50.6Gauss9 , 无论何地, 磁场的水平分量永远指向磁北,这是所有磁罗盘的制作基础2 。传统的导航定位, 通过3 个角度(航向角、俯仰角和横滚角) 定义了姿态参数, 实际上就是载体坐标系和地理坐标系之间的方位关系。 航向角() : 载体纵轴在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角。 俯仰角() : 载体纵轴和纵向水平轴之间的夹角。 横滚角() : 载体纵向对称平面与纵向铅垂平面之间的夹角。将磁阻传感器的3 个敏感轴沿载体的3 个坐标轴安装, 分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3 个坐标上的投影分量( HX , HY , HZ) 。在地平坐标系中, 磁阻传感器的3 轴输出为( HR - X , HR - Y , HR - Z) 。 HR-X=HXcos+HY sinsin-HZ sincos; HR-Y=HX cos+HZ sin 两轴加速计测得的重力加速度为GX、GY已知当地的重力加速度值为g，可得： =arcsin(Gx/g) （1） =arcsin(GY/g) （2） =arctan(HR-Y /HR-X) （3）2.3.传感器模块本系统所用的磁阻传感器是HMC5883L三轴磁阻传感器，可测量X，Y，Z轴的磁场分量。其磁场测量范围是8G，分辨率可达2mG。传感器尺寸小精度高功耗低，而且内置自测试电路，方便量产测试，无需增加额外昂贵的测试设备。加速计采用了可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗的两/三轴加速度计，测量范围 是2g。因为传感器本身自带了信号调理电路，所以不需要外路，可以直接接入AD转换器。2.4.数据采集模块在传感器测量范围内, 磁阻传感器输出的是与磁场成正比的差分电压信号, 在5V 供电的情况下产生30mV 的偏置电压, 因此可通过信号调理电路把双极性的电压信号转换成单极性信号, 同时通过模拟低通滤波, 消除高频噪声, 最终得到05V 的电压范围。ADXL330 和信号调理电路输出的模拟量, 需要经过A/ D转换, 才可输入微处理器, 所以A/ D 转换芯片的选择是整个系统设计的关键。ADS1256 是一款高分辨率、低噪声的24 位- A/ D 转换器, 支持8 路单端信号输入满足6 路信号的采集要求。2.5.MCU模块 作为整个设计的核心部分，微处理器负责对传感器采集的信号进行实时处理，通过姿态矩阵和误差补偿，可以碍到载体的姿态参数10。但其计算量较大, 普通的单片机不能满足使用要求, 必须选用TMS320VC5402 芯片作为微处理器3 。TMS320VC5402 是一款性价比极高的16bit 定点数字信号处理器, 最高工作频率可达100MHz , 提供了两个高速、双向、多通道带缓冲的串行接口, 即MCBSP0 和MCBSP1 。本系统把MCBSP0 配置为通用的I/ O 口与ADS1256 进行通信, 输入的信号经过DSP 处理完毕后通过MCBSP1 送到上位机。置位/ 复位电路是用于消除高强度的磁场对磁阻传感器的影响, 使其恢复到测量磁场的高灵敏度状态。置位/ 复位信号是在微处理器的控制下产生, 置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本一样, 唯一的区别是传感器的极性改变。设计置位/ 复位脉冲电路的方法有多种, 可以对特定的应用场合根据成本预算和磁场分辨率来选择最佳的设计方案。3.系统误差分析及其校正方法 电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角，因而不希望有其它磁场叠加到地磁场上，影响磁场的 大小和方向，造成航向角误差。由于磁阻传感器本身的构造和环境因素的影响，误差是不可避免的。主要有磁阻传感器误差、加速度计误差、A/D转换器的误差、温度的影响、近磁场的影响等，主要误差可分为制造误差、安装误差和环境误差。3.1.环境误差环境误差是由磁阻传感器周围的铁磁材料影响而引起的磁罗差, 可以通过参考文献中提出的方法进行校正补偿。本文主要研究制造误差和安装误差的校正方法, 假定载体是安装在无铁磁材料的环境中。3.2.制造误差 制造误差与多种因素有关, 主要表现为这3 方面: 一是由于PCB 生产工艺以及芯片的安装, 并不能保证传感器的3 轴完全的正交而引起的误差, 称为正交误差; 二是由于传感器的灵敏度和放大倍数的乘积不相等, 而引起的误差, 称为灵敏度误差; 三是由于传感器、模拟电路和A/ D 转换的零点不为零,所引起的误差称为零位误差6 。针对以上的误差, 可以利用标量场补偿方法7 进行误差校正。假设载体是工作在均匀的磁场内, 由于制造误差的存在,磁阻传感器的3 个敏感轴不正交, 如图2 所示, 分别为X , Y , Z。式(6) 中H 是经过校正后的磁场3 轴矢量( HX , HY ,HZ) , K 是3 轴磁阻传感器的比例因子( KX , KY , KZ ) , U是3 轴磁阻传感器经过A/ D 后的输出电压列矢量(UX , UY ,U Z) , O 是3 轴磁阻传感器偏移量的列矢量, B 是3 轴正交化矩阵。因此, 要得到经过误差校正的HX , HY , HZ , 实际上就是计算出K, O, X , Y , Y这9 个未知量。由于在均匀磁场中, H2值是恒定的, 所以结合式(5) 、式(6) 可以采用特定的算法对其进行求解, 在本实验中, 采用了Newton 迭代 H2X + H2Y + H2Z = H2 (5) H = ( K U - O) T B- 1 (6) （7）4.结论基于三轴磁阻传感器HMC5883L和加速传感器设计的三轴电子罗盘，通过采用信号差分放大电路、置位复位电路及合理的软件补偿，有效地抑制了传感器的失调、漂移以及外界磁场对传感器的影响，并借助高性能微处理器完成了电子罗盘误差的校正，最终实现了电子罗盘的小型化、数字化，并获得了较高的精度。具有很大的应用前景，是定向设备发展方向。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：1 对“文献综述”的评语：该论文的文献综述详细阐述了本课题的选题背景、数字式电子罗盘的发展和国内外现状。提出一套方便实用的研究的论文设计方案。有关毕业论文设计各方面的工作能满足老师的要求，同时整体进程也符合学校对于毕业论文设计时间安排。2 对本课题的深度、广度及工作量的意见和对论文结果的预测：该生对于所开课题进行了较为详尽的调研，参考了许