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激光准直系统的姿态测量装置研制

作　者: 邵永丰
导　师: 温强
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光准直姿态测量磁阻 DSP 正交修正
分类号: TN24
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着激光准直技术的不断发展,激光准直系统在水利工程、农业机械、国防科技、钻井勘探、铁路修筑、隧道挖掘等多个领域得到了广泛应用。利用激光具有的方向性强、单色性好、能量集中以及相干性好等普通光源无法比拟的优点,激光准直系统可以在恶劣环境条件下完成长距离、高精度的监测任务。然而,激光准直系统的各个部件一般是由人工安装和调节,定位过程易产生较大误差。激光准直系统的姿态测量装置弥补了这一缺点,可提高测量精度。全固态电子罗盘作为一种姿态测量装置应用于激光准直系统中,使系统数字化、智能化。本文从磁阻传感器和加速度计的工作原理出发,首先分析了电子罗盘的姿态测量原理,推导了姿态角度的计算过程。然后基于该测量原理,利用三轴磁阻传感器和三轴MEMS加速度计设计了硬件电路,以DSP为核心采集数据并完成角度计算。此后,通过对测量系正交和增益误差问题建模,采用浮点编码遗传算法设计解决该问题的新方法,以数字仿真验证了该方法的可行性。DSP软件设计采用了结构化程序设计思想,详细分析了各个功能模块的设计流程。最后,通过实验测试了本装置的性能。经过详细的实验,验证了本装置可正常运行,完成姿态角度计算和误差修正,系统稳定性和可重复性良好。数据滤波效果对本装置的稳定性和可重复性有较大影响,改进滤波方式可有效提高此性能。实验验证了浮点编码遗传算法的可行性,可通过增加原始数据、增大搜索力度和改进算法等方法提高寻优精度。各项测试实验为进一步改进本设计提供了实验基础和方法论证。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 本课题的研究目标  12-14
第2章姿态测量原理  14-20
  2.1 磁阻传感器  14-17
    2.1.1 工作原理  14-15
    2.1.2 霍尼韦尔磁阻传感器的特点  15-17
  2.2 MEMS加速度计  17
  2.3 姿态角度计算原理  17-19
  2.4 本章小结  19-20
第3章系统硬件设计  20-32
  3.1 系统总体设计  20-21
  3.2 磁阻传感器电路设计  21-25
    3.2.1 反馈电路总体设计  21-22
    3.2.2 放大电路设计  22-23
    3.2.3 PID控制  23-25
    3.2.4 功放电路设计  25
  3.3 加速度计电路设计  25-26
  3.4 数据采集电路设计  26-28
  3.5 DA转换设计  28-30
  3.6 DSP电路设计  30
  3.7 本章小结  30-32
第4章正交与增益误差修正算法研究  32-41
  4.1 三轴测量系正交与增益误差修正理论分析  32-34
    4.1.1 三轴测量误差分析及其影响  32
    4.1.2 非正交测量系与虚拟正交系模型  32-34
  4.2 参数最优估计  34-37
    4.2.1 目标函数  34
    4.2.2 浮点编码遗传算法  34-37
  4.3 仿真实验及结果分析  37-40
  4.4 本章小结  40-41
第5章 DSP软件设计  41-51
  5.1 软件开发环境CCS  41-42
  5.2 软件系统设计  42-48
    5.2.1 总体设计  42-43
    5.2.2 初始化与寄存器设置  43-44
    5.2.3 DA控制流程  44-45
    5.2.4 数据采集流程  45-46
    5.2.5 数据解码与角度计算  46
    5.2.6 Flash读写  46-47
    5.2.7 修正计算流程  47-48
  5.3 DSP自举加载  48-50
    5.3.1 自举加载方式  48-49
    5.3.2 自举表的生成  49-50
  5.4 本章小结  50-51
第6章测试与分析  51-66
  6.1 硬件测试  51-54
    6.1.1 传感器输出信号测试  51-53
    6.1.2 置位与复位信号测试  53-54
  6.2 实验与数据分析  54-65
    6.2.1 稳定性测试  54-60
    6.2.2 可重复性测试  60-62
    6.2.3 误差修正测试  62-65
  6.3 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  71-72
致谢  72-73
附录A 姿态测量装置实物图  73

激光准直系统的姿态测量装置研制

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