一种快速、低成本寻北定向装置的设计与实现.pdf

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1、一种快速、低成本寻北定向装置的设计与实现郑方舟2015年1月中图分类号：UDC分类号：一种快速、低成本寻北定向装置的设计与实现作者姓名郑方舟学院名称自动化学院指导教师戴亚平教授答辩委员会主席**教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TheDesignandImplementationofARapidandLow-CostNorth-FinderCandidateName：FangzhouZhengSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFac

2、ultyMentor:Prof.YapingDaiChair,ThesisCommittee：Prof.**DegreeApplied:MasterofScienceinEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：1，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含

3、其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要本文针对载体新型分量钻孔应变仪的特性与需求，设计并实现了一种适用范围广泛，带误差补偿、快速、低成本的寻北定向装置。该装置通过地磁定向原理寻找磁北方向并实现定向指北功能，并且针对电子罗盘实际测量中不可避免存在误差的问题，在详细分析电子罗盘工作原理与误差干扰来源的基础上，建立了罗盘误差补偿模型，提出了电子罗盘误差标定和

4、补偿方法。针对误差模型采用了基于椭圆假设的最小二乘拟合方法，将计算理想椭圆的参数转换成一定约束下的求极值问题，从而实现椭圆的拟合并完成补偿过程。并针对有姿态角或较强干扰情况下椭圆拟合算法的精度下降的情况，采用基于径向基函数（RBF）神经网络的补偿算法作为增强方案。此后，本文从寻北定向装置系统设计的硬件与软件角度分析说明了装置整体以及各部分功能模块的设计与实现方案。本文设计的寻北定向装置以电子罗盘作为方位测量传感器，通过直流转位电机在二维平面中调整定向装置与载体的航向姿态，通过步进电机完成标定动作。在下位机上编程实现基于椭圆假设的

5、误差系数补偿算法，通过MATLAB工具箱实现了基于RBF神经网络进行函数逼近的误差补偿方法。装置各功能模块通过单片微机总体控制协调，实现正北方向数据的采集，转位电机的操作与方位数据的综合处理与存储。最后进行实地测量实验与仿真分析对本装置设计的电子罗盘误差补偿算法、电机控制算法以及寻北定向装置的整体功能性能的可靠性与有效性进行了验证。通过实验证明，该寻北定向装置满足设计需求，工作快速可靠，并且具有广泛的适用性。关键词：寻北定向装置，电子罗盘，电子罗盘误差补偿，电机控制IAbstractAccordingtothecharacter

6、isticsandrequirementsoftheworkcarrierthenewboreholecomponentstrainmeter,thispaperpresentsafastandlow-costNorth-finderwitherrorcompensation,whichhasawiderangeofapplication.ThisDevicefindmagneticbynorthgeomagneticdirectionalprincipletoachievedirectionalfunction.Inviewo

7、ftheinevitablyerrorproblemsinactualmeasurementofelectroniccompass,basedonanalyzingtheworkingprincipleofelectroniccompassandcompasserrorgenerationmechanism,thispaperestablishesacompassheadingerrorcompensationmodel,proposestheelectroniccompasserrorcalibrationandcompens

8、ationmethod.Usingtheleastsquarefittingmethodbasedonellipsehypothesisfortheerrormodel,accordingtothepropertiesofellipticalgebraexpre