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摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现

摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现. 答 辩 人 : 叶恺 指导老师 : 刘玉华 教授. 目录. 三维电子罗盘概述 摄影测量系统简介 硬件电路抗干扰设计 软件误差补偿实现 结论与展望. 2 /28. 三维电子罗盘概述 （1/1）. 电子罗盘功能简介 电子罗盘国内研究状况 大连海事大学的关政军教授利用磁阻传感器研制了水平状态下的磁罗经。 西北工业大学刘诗斌教授博士学位论文中应用磁通门技术研制原理样机，并对实际应用中的误差做智能补偿。 北京航空航天大学研制过姿态敏感器件，内部集成三轴磁场计和双轴电解倾斜仪，可以测量三维姿态信息。

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摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现

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Presentation Transcript

  1. 摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现 答 辩 人:叶恺 指导老师:刘玉华 教授

  2. 目录 三维电子罗盘概述 摄影测量系统简介 硬件电路抗干扰设计 软件误差补偿实现 结论与展望 2/28

  3. 三维电子罗盘概述（1/1） 电子罗盘功能简介 电子罗盘国内研究状况 大连海事大学的关政军教授利用磁阻传感器研制了水平状态下的磁罗经。 西北工业大学刘诗斌教授博士学位论文中应用磁通门技术研制原理样机，并对实际应用中的误差做智能补偿。 北京航空航天大学研制过姿态敏感器件，内部集成三轴磁场计和双轴电解倾斜仪，可以测量三维姿态信息。 北京理工大学也开发设计一款基于LabVIEW模型，是由三轴加速度计、三轴陀螺仪作为测量单元。仿真结果表明该模型效果理想。 3/28

  4. 摄影测量系统简介(1/1) • 摄影测量系统 • 摄影测量系统的功能 • 摄影测量系统的几何定位问题 • 摄影测量系统与三位电子罗盘 4/28

  5. 硬件电路抗干扰设计(1/5) 三维电子罗盘硬件结构图 图中磁强测量单元通过SPI接口、加速度测量单元通过IIC接口将采集到的数据分别送入处理器中，经过算法补偿，由UART接口输出最终的姿态信息。 5/28

  6. 硬件电路抗干扰设计(2/5) 硬件电路电磁兼容性 电磁兼容包括系统整体与外部环境之间的电磁兼容和系统内部分系统与分系统之间的电磁兼容。 电源的纹波是影响数据采集终端电磁兼容性的最大噪声源之一。 信号反射：信号在传输过程中，传输链路上阻抗发生变化，从阻抗变化点就会有部分能量沿传输线返回。 6/28

  7. 硬件电路抗干扰设计(3/5) 电源电路仿真分析 图中是高频干扰经过滤波的仿真图，红色线条是干扰输入，绿色是干扰输出。图中分析可以知道，当高频干扰叠加到电源电路或者是电源波纹产生时，干扰信号会被过滤掉。 7/28

  8. 硬件电路抗干扰设计(4/5) 电源电路仿真分析 图中是低频干扰经过滤波的仿真图，红色线条是低频输入，绿色线条表示滤波后的输出。有图中可看出，当有低频干扰叠加到电源电路或是电源文波产生，电源输出端能够保持稳定。 8/28

  9. 硬件电路抗干扰设计(5/5) 信号反射处理 对于硬件电路中关于反射信号处理的四种方式做仿真析，并分析四种方式的优缺。选择合理电路设计三维电子罗盘的信号电路，有效减少因为信号反射带来的硬件电路的干扰。 9/28

  10. 软件误差补偿实现(1/6) • 加速度传感器与中位值平均滤波法 中位值平均滤波法又称作防脉冲干扰平均滤波法，它是中位值平均滤波法和算术平均滤波法的综合，结合了二者之间的长处。该算法能够很好滤除偶然脉冲干扰。 • 加速度传感器与最小二乘法 在传感器进行批量生产过程中，由于实际工艺水平的制约，三轴加速度传感器的三个测量单元并不能做到绝对相同，这种灵敏度不同带入的测量误差客观存在。为了减小这类误差，使用最小二乘法进行误差修正。 10/28

  11. 软件误差补偿实现(2/6) • 磁强计测量误差分析 • 制造工艺与加工水平的制约，三个测量单元并非绝对的正交，三个传感器的灵敏度并非完全一致。这类误差在很多文献中都讨论过，也可以很好避免。 • 温度变化带来的误差，温度对于灵敏度的影响可以忽略，温度对于三个测量单元的灵敏度影响是一致的，不会影响到最终结果。温漂对结果有一定的影响，在一些论文中也讨论过这个问题。 • 外部磁场造成的误差，由于磁传感器的磁敏感特性，测量的地球磁场非常的微弱，外部磁场的影响对于测量结果影响很大。 11/28

  12. 软件误差补偿实现(3/6) • 应用滤波算法进行航向角度修正 卡尔曼滤波与神经网络的结合辅助算法是从补偿的角度去设计，以后者的映射能力修正前者的结果。这个算法的原理是：对于神经网络输入有效的卡尔曼滤波状态量、滤波增益，让其学习了滤波精度并计算与真实值的误差大小，神经网络经过训练就可以学习卡尔曼滤波的精确性，就可以给出经过卡尔曼滤波的结果与真实值之间误差。在实际应用的时候，就是将测量的数据送入到卡尔曼滤波器，经过更新之后就得到滤波的结果。此时，将卡尔曼滤波的状态参量与滤波增益输入给学习过的神经网络，神经网络会给出滤波结果误差。最终依据滤波结果与误差量就可以修正卡尔曼滤波结果。 12/28

  13. 软件误差补偿实现(4/6) • 航向角实际测量结果分析 • 图中是航向角度输出对比图，图中的蓝色线条是没有经过组合算法直接的输出值，红色线条是应用讨论的算法后的输出结果。有图中的对比可以看出，在使用滤波算法之后，使得带有干扰的输出信号能够很好的收敛到真值附近。 13/28

  14. 软件误差补偿实现(5/6) • 三维电子罗盘的测试与分析 • 图中是以精度为两秒的电子经纬仪为标准，记录实际测量值与电子经纬仪之间的误差值。蓝色线条是未使用误差修正算法时，罗盘输出横滚角度值差值，红色线条是使用修正算法后的输出结果。有图可以看出，为使用修正算法时误差最大值达到0.8°。使用算法误差值最大是0.2°。 14/28

  15. 软件误差补偿实现(6/6) • 三维电子罗盘测试与分析 • 以上Matlab图形，是依据实际测量结果而绘制的。图中横坐标表示电子经纬仪输出的航向角度值，纵坐标表示三维电子罗盘输出的航向角度值与电子经纬仪输出的航向角度值之间的差值。从上图可以很清晰的看出此误差值最大值是0.3°。这里是用高精度的电子经纬仪做比较，这个结果也是可靠的。结果表明航向角度的测量上满足设计要求。 15/28

  16. 结论与展望（1/2） • 结论 • 设计中较充分考虑硬件电路的电磁兼容性，并对硬件电路做优化设计，增强电路的抗干扰特性，实验表明硬件设计是有效的。 • 应用最小二乘法修正加速度传感器的测量误差，应用BP神经网络与卡尔曼滤波的辅助结合型算法对于磁强测量值做处理。实验表明算法有效，对实际测量结果有优化作用。 • 设计了一款三维电子罗盘，满足设计要求。便于集成，价格低廉。 16/28

  17. 结论与展望（1/2） • 展望 • 结合神经网络与卡尔曼滤波的优越性能，以神经网络给卡尔曼滤波算法建立模型，可以克服卡尔曼滤波算法模型难以建立的问题。 17/28

  18. 参考文献（1/2） [1] 罗琳，卫星/磁强计组合动态定向测姿系统研究[D].国防科技大学控制科学与工程，2006. [2] 史连艳，杨树新，张夏庆.MR/GPS制导在旋转火箭弹中的应用分析[J].弹箭与制导学报.2006. [3] 吴长瑞.FPGA与DDR2 SDRAM互联的信号完整性分析[J].计算机工程与应用，2011,47（29）：158-160. [4] 张剑湖，叶峰.人工神经网络的模型、特征及其发展方向.现代电子技术[J].2004；（12）：57-60. [5] 韩刚.基于FPGA的高速高密度PCB设计中的信号完整性分析[J].计算应用，2010，30（10）：2853-2856. [6] 周志敏，纪爱华.电磁兼容技术[M].北京：电子工业出版社，2007.9. [7] Eric Bogation著，李玉山，李丽平译.信号完整性分析[M].电子工业出版社，2005. [8] R. P. Winsher,J. A. Tabaezynski. A comparison of Three Nonlinear Filters. Automatica 1969,(5):457-496. [9]C.T.Leondes,J.B.Peller,E.B.Stear.Nonlinear Smoothing Theory.IEEE Trans.Systems Science and Cybernetics. 1970,6(1):63-71. [10] R. S. Bucy, K. D.Renne. Digital Synthesis of Nonlinear Filters. Automatica.1971,7(3):287-289. [11] 王常虹，吴志华，李葆华.一种大角加速度下星跟踪算法[J].中国惯性学报，2010,18(6):706-710. [12] 张晓霞，曹咏弘.卡尔曼滤波在陀螺漂移时间序列模型中的应用[J].弹箭与制导学报，2012,1. [13] Fossen, Perez T. Kalman filtering for Positiong and Heading Control of Ships and Offshore Rigs[J]. IEEE Transactions on Control Systems, 2009, 29(6):32-46. [14] SiMohammed A M, BenyettouM, Boudjemai A,Hashida Y, SweetingM N.Simulation of Micro- Satellite Attitude U-sing KalmanFilteringin Orbit Results[J]. Simulation Modeling Practice and Theoy,2008,16(3): 257-277. [15] Geng YR, Deurloo R, Bastos L.A Method for Automatic Lever-arm Estimation in Loosely-Coupled GNSS/INS Integration System Using Unscented Particle Filter[J]. PROCEEDINGS OF THE 2011 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION,2011,21(8):841-849. [16] Montenbruck O.An epoch state filter for use with analytical orbit models of low earth satellites[J]. Aerospace Science and Technology,2000(4):277-287. 18/28

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  20. 感谢各位参加答辩的专家、老师和同学 thank you 20/28

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