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微型智能磁航向系统研究

刘诗斌  
【摘要】: 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。


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