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微型智能磁航向系统研究

刘诗斌

  磁航向系统又称磁罗盘,是一种利用地球磁场测量方向的装置。无人机技术的发展对磁航向测量提出了很高的要求。已有的磁航向测量系统面临的体积、重量、功耗偏大和调试、误差补偿试验复杂、费用高的问题亟待解决。本文从微型化、智能化和国产化角度研究磁航向系统,内容涉及材料、电磁学、计算机、微电子、传感器、试验技术和工程应用等方面,是解决目前磁航向测量面临问题的好途径。本文的主要工作和贡献如下:1 提出一种缩比结构的低功耗磁通门,求出了传统的等截面结构和缩比结构磁通门最佳激励电流的理论表达式,设计并加工出所有试验用磁通门传感器。试验结果表明,本文提出的结构可有效地降低磁通门的功耗。该结构当测量线圈铁心截面积减小到激励线圈的40%时,激励电流减小到原来的23%(从51.3mA减小到11.6mA);而等截面结构以相同比例截面积减小时,激励电流只减小到原来的46%(从44.3mA减小到20.5mA)。从目前掌握的资料看,还未见到有关这方面的研究。2 设计了在指令级与Intel80X86系列兼容的16位嵌入式微处理器单元MPU。分析了指令的结构,研究了数据通路和控制通路,提出了MPU的指令译码器和运算器的结构以及微程序优化方法。较好地解决了复杂指令集与MPU系统结构设计间的匹配问题,性能指标满足要求。3 提出并实施了给定基准法的误差补偿试验方法,并提出了对该方法的试验数据正确性检验方法。同时也分析指出了该方法存在的问题。4 研究了飞机平飞时磁航向系统误差的形成过程,并把该过程描述为几何上从圆到椭圆的变化过程,即所谓椭圆假设。提出了基于该假设的水平状态空中自动补偿法及其3种行之有效的求解误差系数的算法,并根据比较结果选择了最合适的算法。5 分析了并指出了椭球面假设用于空中自动补偿时存在问题。针对该问题,提出了椭圆解决方案及其求解误差系数的算法,还提出了根据试验数据对地磁场垂水平分量和垂直分量的估算方法,实现了磁航向系统在任意姿态下的空中自动补偿。这使误差补偿试验更加方便,只需要飞机左右各盘旋一周即可完成。从目前掌握的资料看,还未见到研究类似方法的报道。西北工业大学博士学位论文6 提出并设计了微型智能磁航向系统的开发调试工具—一虚拟仪表,实现了用虚拟仪表对试验样机的开发与调试。还提出了虚拟仪表借助于通讯系统实现远距误差补偿和故障诊断的设想。7 提出根据不同应用要求使用不同软件,使微型智能磁航向系统形成系列的设想,并按系列中的基本型研制了试验样。用试验样机验证了本文研究的理论和方法,并分析证明了在硅片上实现微型智能磁航向系统的可行性。工程化的试验样机已经在某无人机上使用,并得到用户的好评。本文的研究结合九五预研课题“军用MPU、MCU技术”和无人机应用需要进行,对三维磁场测量、无人机(特别是微型无人机)的航向测量有重要意义。研究成果还可用于其它飞行器、卫星、船舰和地面车辆等领域。……   
[关键词]:磁航向系统;电子磁罗盘;微处理器;智能传感器;磁通门;磁场测量;罗差;误差补偿;虚拟仪表
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西北工业大学2001年