研究论文-一种高精度电子罗盘的设计.pdf

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提出了一种高精度电子罗盘设计方案.完成了硬件电路设计,给出了主要软件的设计思路.电子罗盘以DSP为核心处理器,采用磁阻传感器敏感地磁场三维分量、微惯性测量单元实现载体姿态和地磁扰动补偿,实现了载体磁方位的高精度测量.设计了本机数据显示和以太网接口,既可以作为个人导航设备,也可作为导航系统的一个节点.
应用科技 第38卷 其主要功能包括:DSP控制AD转换器完成地 5V 磁场信号的采集,并根据微惯性测量组合测得的载 体姿态信号,进行姿态地磁扰动补偿,解算磁方位IHu1 5VU16 13.3V 信息;LCD用于本机测量信息的显示;以太网口用 2ⅤCCs DGNDIIIVCC SCLK 于接收导航系统給出的定位信息,并将本机测得的 DXU④:DEDR2ADR CC DIN 方位信息按协议上传;SD卡用于存储全球地磁图, RST AI BI 2IGA CS B2 以进行磁偏角修正 X-HDNG B3 HIOGA DIN B4 DOUT X1RNC AUX ADC2团A5B5个E 2硬件电路设计 18DNC A6 B6 B7 A8 B8 鉴于电源、键盘、显示器及SD卡程序存储器 DNCGNDI3 DGND 四 GND GNDH3DAND X24DNC GNDASIDN 扩展电路属常规设计,因此这里仅给出地磁测量及 74LV4245 ADIS16355 DGND AD转换电路、惯性测量组合接口电路以及以太网 接口等硬件电路的设计过程 图3惯性测量单元接口电路 2.1地磁测量及AD转换电路 23以太网接口电路设计 如图2所示,采用2片美国 HONYWELL公司 为实现载体姿态信息的远传,采用 WIZnet公司 的HMC102双轴各向异性磁阻( anisotropic magneto的W5300固件网络芯片设计以太网接口.该芯片集 resistive,AMR)传感器测量地磁场的三维分量(其中TCP/P协议栈、以太网MAC和PHY为一体,支持 轴作为冗余)传感器的输入轴正交布置其输出TCP,UDP,ICMP,PpoE, Ethernet等网络协议;支持 的差动电压(4mV左右)经仪表放大器NA126放8个独立 Socket通信,内部128KB节发送接收缓 大后再絰带通滤波接入AD转换器.为实现信号采冲区可进行快速数据交换,最大通信速率可达 集的高精度同步,选用AD公司6通道同步采样的25MB/s4.如图4所示,W5300的16位数据线和 16位并行AD转换器AD7656.AD转换器的通道选DSP的外部数据总线相连,其10位地址线与DSP 择、量程复位等控制信号由DSP扩展的外部接的EMF的低10位地址线相连,其片选由DSP的存 锁存器输出,转换器的状态和输出数据经由外部锁储区选择及高位地址线经CPD译码后获得,读写 存器读入DSP上述LO锁存器占用内存空间其输控制复位中断信号也经CPLD处理后与DSP相连 入/输出与DS的数据总线相连,通过EMF的地址W5300存器占用DSP外部扩展存储器的1KB,数据 译码实现片选或ⅣO控制,译码电路采用CPLD实收发过程与存储器操作相当. 现.为提高AD的转换精度,采用MAX6126-2.5V 作为AD转换器的外部基准参考电源 3系统的软件设计思路 磁阻传感器在长时间使用或受到外界高强磁场 影响后,其输出信号会出现信噪比降低、幅值减小等 如图5所,系统的应用软件主要包括:数据采 集与处玊软件、航向解算与补偿软件、信息显示及通 问题.为此,设计置位/复位电流带(SI/RS上I 信软件等.其中地磁场数据采集程序主要完成ADC STRAP)电路,采用驱动器IRF7509(U5)实现手动 置位/复位电流的输出2 控制及其数据读取;姿态信息数据采集主要完成 MIMU设定及输出信息读取;信息显示和以太网数 2.2惯性测量组合接口电路 据的收发只是相应数据的读写过程.限于篇幅,这里 采用美国AD公司的ADIS16355微惯性测量仅给出主要算法的设计思路 单元(MIMU)实现载体姿态测量3和环境磁场扰动 3.1磁方位角的计算方法 补偿 当地地磁场在地理坐标系中可表示为 如图3所示,MMU的串行输入输出信号经由 74LV4245电平转换后接人CPLD,由CPLD按 H=LH H, HI ADS1635的申行通信协议实现并/申和串/并转 则载体的磁方位可表示为 换,并通过锁存器与DSP接口,实现MMU设定与 y= arctan (1) 数据读入 第2期 刘玥:一种高精度电子罗盘的设计 45· H700R701 IXD ADIGMD 509_Adress AB(_.13 2K1%)3001%) U7(() 1040 EANAB1O 4SADI W53ORIS 的 ESET R72 R703 5 J70I DR(O15 NABT 09 Data A BIS 都R根 0.1 SFCIEDMMII TXM V⊥3. 15 R70 )B11 CI FDMI IXIE 51 B】0 Ce Hll02NL R/ RDYo16 DG ND HY901170A DGND IGND R7>)R712 BRDY ⅠODE30 YAA3 C705 RED R706 DND R707330 MII RXCHL DGND 1)702 R让N VCC1 MII R Lc R708 330YVDD33 VAA33 VDD33 8 ddl I vOU 180 C76 C79 兴业 C707 C708 C/1 C711 N 0.1uh 10uF/16V 10F/6V33u 10uF/16V O.luh 10u上/16V aGND NDA C713 DGND AGND DGN⊥AGN 25M WS300 图4以太网接口电路 若磁阻传感器测量的地磁场表示为 开始 H =He HH 通过MIMU求得的载体横摇角利纵摇角分别为γ 系统初始化 和,于是有 Hx =ha cos 8 Hay sin ysin 8-H cos sin O 采集地磁强度信息 H H CoS y+ Ha sin y (3) 式(1)~(3)联立即可求得载体的航向角 读取MIMU信总 在载体静止且环境磁场于扰极小的情况下,采 用上述算法可以获得较高精度的磁方位,这也是常 航向角解算 规电子罗盘的基本方案;但是在载体机动或有在较 强外部磁场十扰情况下,无论是加速度计测量的姿 本地显示、以太网数据收发 航向信息融合算法 态还是磁阻传感器测量的地磁场都存在一定误差 图5应用软件流程 3.2航向角的解算算法 微机械陀螺的长期精度较差,但其瞬时测量值 46 应用科技 第38卷 仍具有重要的参考意义.因此,可以用MIMU的瞬时动,摇摆周期为10s,幅度为15° 航向角输出补偿巾于水平姿态失准和磁场干扰带来 表1实验测试数据 的磁方位计算误差.另一方面,由于地磁测量获得的 理论航向 y 磁方位误差不随时间累积,因此,当载体运行平稳且 356.4-005.3358.3-004.2 外部磁场于扰较小时,可以用于初始化/校正MIMU 45 042.7-047.5043.5-046.2 解算的航向角,以消除其累积误差.航向角解算的基 087.4-092.1088.3-091.1 135 133.2-137.3134.5-136.6 本流程如图6所示.其中的低动态且低磁扰状态 178.2-183.1178.6-181.3 判断仅在手动复位后用于MMU的初始航向对准, 225 223.4-227.1224.2-226.3 正常运行时MIMU的航向角解算采用常规的姿态解 268.4-273.1269.1-272.1 算方法 313.2-317.5314.2-316.3 360 357.3-004.6358.2-003.8 开始 由表1数据可以看出,在姿态变化时,融合后的 航向输出比融合前绝对精度提高了近2°(忽略安装 低动态且低磁扰? 误差),说明文中提出的方案可以提高电子罗盘在 载体姿态发生较大变化时的输出精度.由于载体做 计算磁罗盘航向 摇摆运动时加速度计同样敏感哥氏加速度,因此可 以推断,在载体机动时,电子罗盘也会得到同样的性 初始化MIMU航向角 能当然,从实验结果也可看出,由于转台转动时存 在工频于扰,电子罗盘的输出还存在波动,有必要在 解MIMU钪向 其中加入阻塞工频下扰的数字滤波,以提高其抗工 航向信总融合算法 频干扰的能力.实验中未对陀螺偏置误差、标度因数 误差等进行补偿,因此,电子罗盘的系统精度还有进 图6航向角解算流程 步提高的潜力 需要说明的是,航向信息融合过程中同样需要5结束语 对载体的机动情况和外部磁环境进行判断(流程图 中略),融合的速率与磁环境有关,当三维磁强的矢 提出了以磁阻传感器和DSP为核心的电子罗盘 量和变化较大或严重偏离正常值时,可以适当降低设计方案,给出了主要硬件的设计结果.针对常规电 滤波速率;当三维磁强的矢量和相对平稳时可以用罗盘在载体机动和存在强磁干扰下精度降低的问 固定时间间隔进行融合解算滤波算法可以采用如题,提出了磁阻传感器与MIMU组合实现高精度方位 式(4)或式(5)2种:其中式(4)对应于磁场环境相修正的基本思想,可以有效改进电子罗盘的可用性, 对平稳且载休机动较小的情况;式(5)对应于磁环提高测量精度,具有一定的工程应用价值 境较差或载体大机动的情况 y=yk+K(重-重Mt); (4) 参考文献 y=奶1Mu+K(M-重i) (5)1高延滨蒋智勇基于DSP+MCU的小型捷联惯性导航 式中:和ym分别为磁罗盘和MMU解算的方位 计算机系统[].应用科技,2008,35(4):34-37 角为权重根据三轴加速度计和三轴磁阻传感器的21 CARUSO M. A new perspective on magnetic field sensing 测量值,适当选择K值可以有效提高方位角v的精度 Leb/Ol].[201001-12].http://www.ssec.honeywell.com [3] ADI Co. ADIS16350/ ADIS16355 high precision tri-axis inertial 4实验测试及结果分析 sensor[eb/ol].[201001-14].Http//www.analogcom 4 WIZnet Co. High-performance intemet connectivity solution 表1中给出了利用高精度三轴转台测试获得的 W53meb/ol].[201001-14].http://www.wizmet.co.kr 测试结果其中融合算法釆用式(4),K=075,理论5]TERW, MaRSHALL RR Gyr aided rmayrmeLic coss 航向是指转台的航向环(外环)与真北方向的夹角 USA,6829].0001-18 将航向环锁定在固定值后,2个内环做简谐摇摆运

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