陈小凤[1]2003年在《基于磁通门技术的智能航向测定系统》文中指出基于磁通门技术的智能航向测定系统是一个综合的设计和应用系统。本系统采用磁通门传感器来直接敏感合成磁场,输出罗航向直流感应电压信号送A/D转换器进行转换,并经CPU计算处理得到罗航向度数值,以及利用“旋回法”测定自差时,CPU按照船舶旋回的角速度定时地采集罗航向度数值,在此基础上CPU自动地计算出各采集罗航向上的白差,再由此计算出自差系数,并实时地解算出磁航向值或真航向值,送数码显示器显示。本论文对整个系统的工作原理作了理论上的论述,并对完成系统功能的系统的硬件和软件系统作了具体的阐述。并在上述的基础上,研制出了本系统。实际测定表明,磁通门系统输出航向信号误差小于0°.32,在利用匀速“旋回法”测定基准航向时,若考虑船舶旋回的不均匀性、初始航向测定自差的误差等方面的影响,合成误差可小于1°。综合上述分析:本系统测定自差的精度约为1°左右;本系统显示航向的精度约1°左右。同时本论文提出了船靠码头(单航向)利用所获得的自差系数校正自差的方法。本论文还综述了磁罗经技术及其测校自差技术的发展现状。最后对误差以及进一步扩展和改进本系统的功能进行了分析。
徐搏[2]2008年在《磁通门罗经系统的设计与应用》文中研究表明在各种测磁和测角方法中,磁通门技术最适用于与电子系统和计算机配套,具有在各种恶劣环境和复杂工作条件下的适应性,并且与其它电子设备和计算机配套以后的性能大为改善,便于实现智能化。在国外,磁通门罗盘基本淘汰掉了永磁体罗盘。磁通门探头良好的矢量响应性可以使磁通门罗盘具有很高测角精度,磁通门探头简单、可靠和便于小型化。考虑到磁罗经的缺点和磁通门技术的特点,可以利用磁通门技术研究出一种新式的利用地磁作用力的罗经系统。它可以满足以下几点:1这套系统应该具有旧式磁罗经的一切优点,例如可以仅借助地磁作用力就可独立工作,结构简单,运行可靠等。2磁通门罗经系统保持与原系统的兼容性,即新式的罗经系统应能尽量利用船上原有的航向指示系统,以减小技术改造成本。具体实现起来应表现为,新系统保留与原磁罗经系统的全部接口,且接口标准不变。3本系统中加入了微机控制部分提高自差消除精度。微机控制部分主要完成以下功能:1)航向角的解算。微机把磁通门电路部分处理后的磁通门探头的航向信息解算成数字码。为了满足精度要求,航向角的数字码位宽为16位,即系统动态范围约为0.0055°。2)自差的补偿。本论文参考磁罗经自差补偿的通常所采用的“爱利法”,通过编程利用单片机实现校正算法来得到真实的航向角。3)航向信息的发送和显示。单片机将校正后的航向角信息以数字的方式发送。磁通门技术的基本原理是磁通门探头将环境磁场调制成偶次谐波感应电势,这个偶次谐波感应电势的大小随环境磁场的强弱变化。为实现精确测量,一般在实际应用中多采用双铁芯磁通门,设计成差分输出探头来消除磁通门探头变压器效应的感应电势。根据磁通门探头输出信号的特性,本课题采用二次谐波选择法检测环境磁场。二次谐波选择法即通过检测磁通门探头输出信号的偶次谐波感应电势中二次谐波分量的大小和极性以解算环境磁场的强弱和方向。地球本身是一个带有N、S两个磁极的大球体,其表面的直流磁场大体上是比较均匀的,在地球表面的任意一点都可将磁场的强度分解为水平和垂直两个分量。由于磁通门信号具有良好的矢量响应特性,因此在水平面内垂直放置两个磁通门探头作为水平面内坐标系的两个轴,就可以将地磁场水平分量在水平面内两个轴上分解,即得到与地球磁场北极方向相关的两路正弦和余弦调制信号,其幅值分别正比于测量绕组与地球磁北极方向之间的正弦和余弦角,其正负则与测量绕组的指向相位相关。如果能够解算出这个正弦角或余弦角的大小即可得到载体与地磁北极的夹角,从而也得到了载体的航行方向。因此,在水平面内垂直放置的两个磁通门探头就构成了一个罗经系统的方向传感器。磁通门探头构成的方向传感器、磁通门电路和航向显示发送部分就构成了磁通门罗经系统。方向传感器可由在水平面内垂直放置的两个磁通门探头构成。磁通门电路的主要功能是将磁通门探头的输出信号中的有用信号正确地检测出来,进而将方向传感器输出的航向信息正确表达出来。正确地检测有用信号,需要根据信号特性设计合适的滤波器。表达航向信息的涵义就是将载体航向信息的物理信号转化成为适合我们处理和使用的数字信号。在本系统中,根据系统的应用要求和课题目的,我们采用了跟踪式航向-数字转换方案。系统采用AVR单片机接收航向信息的数字码并对数字码进行解算和补偿,提高系统的精度。磁通门罗经系统是以地磁矢量为基准指示航向的,但由于许多原因,环境磁场对磁通门传感器感应的地磁信号产生干扰,从而导致了磁通门罗经系统的方向传感器的输出存在一定的误差,即自差。自差表现为船磁场致使罗经北偏离磁北方向一个夹角而产生自差。在钢铁船舶上,磁罗经自差一般可达到几十度之多。因此,若不对自差进行补偿,本系统将失去实际应用意义。本系统中自差的补偿是通过在单片机种运行补偿算法程序实现的。实验表明,系统的原理样机的实验结果基本达到了预期指标。
曹永辉[3]2002年在《小型智能水下航行器控制系统设计》文中研究指明水下航行器是进行海洋考察与开发的重要工具，研制与开发新型的智能水下航行器对于我国的海洋资源的开发、利用具有重大意义。 本文以“211”工程项目、西北工业大学航海工程学院设计制造的小型智能水下航行器为平台，设计了其自动导航与控制系统。主要完成了以下内容： 1．根据水下航行器的任务功能，设计了水下航行器的基于PC／104嵌入式计算机的控制系统的硬件组成； 2．设计了水下航行器的总体导航与控制方案：采用GPS与磁通门传感器相结合的路径规划与航向控制系统；以深度信息为参量的深度控制系统。 3．为提高航向控制精度，对航向控制系统中的磁通门传感器的误差进行分析，并提出了误差校正的方法。 4．根据水下航行器进行实航试验的结果，对航行器控制系统的性能进行分析，并提出了将来进一步改进的方案。
张庆[4]2006年在《磁通门罗经系统的研究》文中认为利用地球磁场来测量方向是人类历史上最古老的测量方法之一。尽管这种测量技术一直在改进和发展，但是现代科学技术的发展对磁航向测量提出的要求更高。现有的船舶磁航向测量系统面临的体积、重量、功耗偏大和调试、误差补偿费用偏高等问题。本文研究的新型的磁通门罗经系统的目的就是为了解决这些问题。 磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，只是在一般电器设备中被人们忽视了。在一根铁芯上缠绕激磁线圈和感应线圈，即成为磁通门探头。在激磁作用下，感应线圈出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量电势的特征。如果探头铁心处于周期性过饱和工作状态，那么由环境磁场产生的感应电势将显着变大，这种现象称为磁通门现象，由环境磁场而产生的那部分感应电势就称为磁通门信号。磁通门探头只敏感被测磁场在其轴线的分量，因而具有极好的矢量响应性。因此，磁通门探头也可以用来检测磁场的方向。在水平面内垂直放置两个磁通门探头可以构成一个检测磁航向的传感器。 本文根据磁通门探头的输出信号特性及实际应用要求，采用跟踪式航向-数字转换系统方案，设计出了一套实用可靠的磁通门信号处理电路。在本系统中，我们使用AVR单片机作为整个数字部分的主控制器，实现航向数字信息的读取、解算和显示发送功能。航向解算过程包括有磁通门罗经系统的自差补偿运算。本文针对自差计算公式中的叁角函数运算设计了一种适合于在微控制器上运用的优化算法。磁通门探头传感器、磁通门电路和航向显示发送部分组成了一套完整的基于磁通门技术的新型罗经系统。 本文还给出了针对磁通门罗经自差补偿的实验方法，并提供出一组实验数据。实验数据表明，本文设计的磁通门罗经系统可以满足保证船舶航行安全的精度要求，具有非常好的应用前景。
徐冠雷, 吉春生, 葛德宏, 方永华[5]2003年在《磁通门磁罗经的误差分析与补偿方法研究》文中进行了进一步梳理此文给出了磁通门磁罗经主要误差的简化模型分析,并基于这种分析讨论了误差的自动补偿方法。经过试验与仿真分析,系统补偿后的精度有很大的提高,并具有体积小、结构简单、反应快和可靠性高等优点。
季强[6]2005年在《基于PCI总线的地磁信号采集及处理系统》文中提出磁场信号的测量技术是研究与磁现象有关的物理现象的首要技术。磁通门是一种磁信号测量的工具,磁通门技术原来只在个别领域内应用,近二叁十年来,由于自动控制、工程检测和电子技术的普及和渗透,技术现代化日新月异,磁通门技术也被迅速推广到各个新的应用领域中去。 本文以磁通门在舰船定位中的应用为背景,对磁通门的现象、工作原理和特点进行分析,并主要研究了磁通门信号采集及信号处理系统的设计。 信号采集系统的核心智能器件是DSP芯片。DSP不但可以完成对现场系统的监控管理,还可以进一步扩展系统数字滤波、数据压缩等方面的功能。本地总线上通过一系列的模拟电路,对传输来的信号进行放大、滤波、解调,并通过AD转换器使数据被采集到DSP中,经过简单的信号处理,通过PCI总线把数据传入主机进行更进一步的方位运算。PCI总线是一种性能非常优秀的总线,但不便于直接使用,系统使用桥芯片完成了从标准的PCI总线到易于使用的本地总线的转换。硬件需有软件的配合才能正常的工作,因此为PCI解调器设计了驱动程序。最后设计应用程序,显示出舰船的具体方位。 本系统可以准确的采集磁通门信号,并且计算出舰船的具体方位,可以增添舰船航行的可靠性和安全性。
宋传军[7]2011年在《油田定向井随钻信号检测及处理》文中指出油田定向井钻探过程中需要及时准确地测量出钻具所处井眼方向参数,也要了解已完钻的井眼轨迹,因此随钻信号的检测与处理成为衡量定向井水平的一个重要因素。传统的钻孔测斜仪采用偏重块和罗盘磁针,现代则采用灵敏度和精度很高的加速度计以及防振性能好的磁通门。把新型传感器和计算机技术相结合,出现了多种单、多点和连续测斜仪器。而把井下记录与实时传输相结合的MWD系统,既能实现实时检测,又保证了随钻测量资料的高质量,所以以MWD系统为主的无线随钻测斜技术代表着定向井未来的发展方向。随着石油勘探开发的不断深入,地层结构越来越复杂,深井、超深井和高温、高压井等特殊复杂井变得越来越多。因为油田定向井随钻测量参数主要为磁通门与加速度传感信号,为了提高随钻信号检测精度,建立了磁通门传感器数学模型与加速度传感器数学模型,并对随钻测量误差进行了分析。随钻测量传感器受诸如温度、湿度、电源波动等环境因素的影响,致使其测量准确度大大下降,造成测量精度不高、稳定性差等问题,因此需要对其进行补偿,故开展了磁通门传感器、加速度传感器输出信号的硬件补偿、线性补偿以及非线性补偿,形成了一套综合补偿方案。随钻传感信号硬件补偿和线性补偿具有一定效果,但由于大部分的传感器本身就是非线性的,而且在测量过程中又受到各种环境因素的干扰,所以采用小波神经网络对距离传感器信号进行了非线性补偿,建立了利用BP算法训练小波对传感器信号进行非线性补偿的算法,取得了比线性补偿更好的效果；之后,根据动态神经网络思想,构造了用于随钻测量信号补偿的Elman神经网络,进一步提高了随钻信号补偿精度,并达到了较高的运算速度。再后,又提出了基于遗传Elman神经网络的补偿方案,经过GA-Elman神经网络补偿后的井斜方位与实测井斜方位相比有了很大的改善,基本接近理论值；最后,基于蚁群算法,根据自适应思想,在Elman神经网络的基础上,提出了一种自适应蚁群Elman神经网络对随钻测量信号的补偿方案,使得补偿误差进一步减小基于协同设计思想开展了油田定向井随钻测量系统的设计,采用嵌入式设计提高了实时性；采用在线系统的编程技术,缩短了开发时间,节省了开发成本；采用模块化设计,便于扩展与通信。经测试,所设计的随钻测量系统精度高于油田在用的随钻测斜系统,提高了定向井钻井水平,且系统的稳定性、实时性、准确性和安全性均相应提高。目前,绝大多数的无线随钻测量系统都是采用泥浆脉冲传输方式,因而信号的传输速度是关键因素。然而,钻井液中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质,并且其中存在着的游离状态的气体往往形成气泡,从而增加了信号传输速度问题的复杂性。为此,基于泥浆脉冲传输速度的计算模型,分析了钻井液脉冲的传输速度是随着钻井液密度的关系,以及与含气量的关系；分析了固体、液体之间密度和压缩性的差异对传输速度的影响,以及正、负脉冲的传输速度的变化。
林凯[8]2010年在《未知环境下移动机器人路径规划》文中研究指明移动机器人是集合环境感知、定位、控制决策等于一体的综合性系统,主要涉及机械、电子、计算机、自动控制等多门学科,是目前研究课题中的一个热点。移动机器人的用途十分广泛,现主要用于军事探测、道路检测、仓库搬运、智能家居以及娱乐等多个方面。移动机器人的环境感知系统主要由超声波传感器和电子罗盘计组成,为移动机器人提供障碍物距离和航向角度信息。利用强反射特性,超声波的测距原理采用的是时间差测距法；磁通门罗盘根据指南针的原理,通过产生的二次谐波分量对航向角度进行估计。将超声波传感器与电子罗盘合理地配置于不同的位置点,即可对移动机器人周围的环境进行检测。由于超声波的指向性较差,这里需要对多个超声波传感器返回的距离值进行信息融合,并根据融合结果,系统将行驶环境划分为有障和无障两种模式。目前,最常用的驱动机构为双轮差分驱动式移动机器人。它的优点是：结构简单,反应灵敏且易控性强。本文理论地分析了该种机构的运动学模型,并在此基础上阐述了航姿推算定位法,为未知环境下机器人的行为决策奠定了基础。模糊控制不需要对被控对象建立数学模型,且自适应能力和鲁棒性强,常被用于基于行为控制的移动机器人。PID算法原理简单,但容易产生超调,因而对于非线性和时变系统难以实现精确控制。若采用模糊自适应PID控制,可根据环境的不同在线整定PID参数,从而消除超调现象,使移动机器人满足系统对自适应性和鲁棒性的要求。本文对模糊控制和模糊自适应PID控制算法进行了理论分析,并根据环境模式的特点,提出了有障模式下的模糊控制和无障模式下的模糊自适应PID控制的方案。然而,由于控制算法的局限性,当遇到特殊地形时,移动机器人无法实现目标趋近行为。本文对U型陷阱和障碍物附近的目标点趋近两类问题进行了探讨,分别通过设置“虚拟目标点”和“距离放大法”解决了此两类问题。最后,本文对控制系统结构进行了总结,阐述了基于MATLAB GUI的移动机器人控制仿真平台的设计原理；对移动机器人的路径规划进行了仿真研究,并给出了合理地解释。仿真结果表明,在非结构化的未知环境下,系统响应速度快,抗干扰能力强,成功实现了从起点到静态目标点的安全行驶。
侯庆余[9]2014年在《基于MEMS的资料浮标姿态传感器的设计和实现》文中指出资料浮标在海洋气象预报、海洋资源开发和海洋灾害预警等方面起到至关重要的作用，它可以长时间、连续地对某一固定海域的海洋环境和气候进行监测。资料浮标的姿态信息作为风速、风向、海流剖面等观测信息的校正和补偿依据是必不可少的测量参数。随着微电子机械(MEMS)技术的全面发展，基于MEMS惯性器件构建低成本、低功耗、小体积的姿态传感器逐步成为姿态测量领域的发展趋势。由于MEMS惯性器件具有一定的误差和漂移，因此需要采用多传感器获得冗余数据，并通过数据融合技术提高系统的测量精度和稳定性。针对以上需求和问题，本文设计并制造了一种基于MEMS惯性器件的资料浮标姿态传感器。本系统采用具有丰富片上资源的STM32F103C8T6微处理器作为系统的硬件平台，利用叁轴加速度传感器、叁轴磁阻传感器和叁轴陀螺仪等MEMS惯性器件获得载体姿态的冗余信息，使用扩展卡尔曼滤波算法实现多传感器数据融合，并通过串口通信将系统测得的姿态信息传输到上位机进行显示。系统采用源代码公开的μC/OS-II实时操作系统作为系统的软件平台，在软件平台的基础上设计了系统硬件驱动程序和用户应用程序，并将μC/OS-II实时操作系统成功移植到STM32F103C8T6微处理器上，实现各个任务模块在操作系统的调度下根据任务优先级稳定运行。在系统稳定运行的基础上，分析了本系统中各种误差的产生原因和补偿方法，并验证了使用椭圆假设法补偿系统磁航向误差的可行性。通过系统测试表明，以STM32F103C8T6微处理器和μC/OS-II实时操作系统为核心，由叁轴加速度传感器、叁轴磁阻传感器和叁轴陀螺仪组成的姿态传感器，通过FIR数字滤波、扩展卡尔曼滤波、误差补偿等优化过程，得到的载体姿态信息的测量精度可以满足资料浮标姿态信息的测量要求，且与传统的应用于资料浮标的姿态传感器相比，具有体积小、成本低、实时性强等优点，具有丰富的研究价值和应用价值。
伊程毅[10]2013年在《基于地磁和微惯性器件组合的姿态测量系统研究》文中研究说明随着地磁探测技术的发展和地磁场模型的不断完善，对地磁信息的测量精度越来越高，使用地磁与微惯性器件进行组合姿态测量，可以利用地磁场相对稳定，地磁传感器无累积误差、响应速度快的特点克服惯性器件的累积误差问题，实现小体积、低成本、抗高过载的高精度载体姿态测量方案。基于地磁探测的组合姿态测量技术已经发展成为载体姿态测量技术的一个重要分支，在导航系统、旋转弹滚转姿态测量、移动通信终端等领域具有广泛的应用前景。依据这一背景，本文对地磁/微惯性器件组合姿态测量方法进行了深入的研究。本文首先研究了传统的惯性姿态测量方法和地磁场的基本理论以及地磁测姿的原理，通过分析微惯性器件和磁传感器的工作原理和误差来源，建立了系统状态变量的误差模型，并基于四元数加性误差方程推导了卡尔曼滤波器的系统状态方程和观测方程。对组合姿态测量方法进行了仿真验证。深入研究了四元数的更新算法，并进行了仿真分析，选取四阶龙格库塔法作为四元数更新算法。建立了传感器的仿真数学模型，进行了地磁/微惯性器件组合姿态测量系统的仿真实验，提出了载体在加速运动状态下的姿态测量方案。最后进行了姿态测量实验。根据现有条件设计了实验方案，对传感器进行了选型，设计开发了传感器数据采集软件，对传感器的实测数据进行了分析和处理，重点研究了实测磁场数据的补偿方法。进行了实际姿态测量实验，并对影响实验结果的因素进行了分析，实验结果显示组合姿态测量系统有效可靠，姿态测量精度优于0.8。
参考文献：
[1]. 基于磁通门技术的智能航向测定系统[D]. 陈小凤. 大连海事大学. 2003
[2]. 磁通门罗经系统的设计与应用[D]. 徐搏. 哈尔滨工程大学. 2008
[3]. 小型智能水下航行器控制系统设计[D]. 曹永辉. 西北工业大学. 2002
[4]. 磁通门罗经系统的研究[D]. 张庆. 哈尔滨工程大学. 2006
[5]. 磁通门磁罗经的误差分析与补偿方法研究[J]. 徐冠雷, 吉春生, 葛德宏, 方永华. 航海技术. 2003
[6]. 基于PCI总线的地磁信号采集及处理系统[D]. 季强. 哈尔滨工程大学. 2005
[7]. 油田定向井随钻信号检测及处理[D]. 宋传军. 东北石油大学. 2011
[8]. 未知环境下移动机器人路径规划[D]. 林凯. 湖南师范大学. 2010
[9]. 基于MEMS的资料浮标姿态传感器的设计和实现[D]. 侯庆余. 中国海洋大学. 2014
[10]. 基于地磁和微惯性器件组合的姿态测量系统研究[D]. 伊程毅. 哈尔滨工业大学. 2013
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