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高精度地磁定向磁场干扰修正技术研究

高精度地磁定向磁场干扰修正技术研究

作者：周桂文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,定向技术的应用日趋广泛,在观瞄系统以及航空、航天和航海等领域都起到了的重要作用,而地磁定向作为一种全自主式的定向技术,具有准确、可靠、隐蔽和适用性强的优点,对我国的国防和民生有重要意义。地磁定向技术容易受... 详细信息

随着科技的发展,定向技术的应用日趋广泛,在观瞄系统以及航空、航天和航海等领域都起到了的重要作用,而地磁定向作为一种全自主式的定向技术,具有准确、可靠、隐蔽和适用性强的优点,对我国的国防和民生有重要意义。地磁定向技术容易受到外界环境中的软磁和硬磁干扰以及自身误差因素的影响,导致定向误差增大。本课题设计实现了高精度的地磁定向硬件平台,利用磁干扰和误差修正算法补偿地磁传感器,并在此基础上实现姿态解算算法,完成高精度地磁定向。首先研究了地磁传感器干扰和误差修正算法,分析了地磁传感器的干扰和误差的来源,建立了误差修正模型,并使用滑动均值滤波、牛顿迭代法和总体最小二乘法求解模型参数。然后实现了高精度姿态解算算法,利用地磁传感器和加速度计求解姿态角初值,然后结合陀螺仪求解四元数,更新姿态角,降低定向误差。根据算法的需要设计并实现了高精度地磁定向硬件平台。硬件平台主要包括STM32F411微处理器、RM3100地磁传感器和BMI160惯性测量单元,并搭载了数据通信模块和断电存储模块,具有便携和低功耗的特点。软件部分完成了各个模块的初始化工作,实现了微处理器上各个传感器数据采集和处理程序、通信程序、数据存储程序和高精度地磁定向算法。最后,对高精度地磁定向平台进行了整体功能测试。经过测试,平台的硬件和软件实现了预期的功能,传感器能够稳定地获取和处理相应的数据,能够正确地实现数据通信和存储功能。修正算法可有效补偿地磁传感器的干扰和误差,校正三轴地磁数据的畸变和偏移;定向算法可正确地姿态角,并将误差控制在较小的范围内。

关键词：地磁定向定向精度干扰修正误差补偿定向平台

海洋浮标动态地磁定向精度测试和评估技术研究

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海洋浮标动态地磁定向精度测试和评估技术研究

作者：贾磐石哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

海洋浮标是一种在海洋中浮动的设备，通常用于收集数据和传感器信息，以便监测海洋环境。海洋浮标采集的数据可以用于气象学、海洋学、生态学等行业，例如监测海洋风、波、流参数。由于海洋环境的极度复杂和恶劣，海流、风浪等因素都会... 详细信息

海洋浮标是一种在海洋中浮动的设备，通常用于收集数据和传感器信息，以便监测海洋环境。海洋浮标采集的数据可以用于气象学、海洋学、生态学等行业，例如监测海洋风、波、流参数。由于海洋环境的极度复杂和恶劣，海流、风浪等因素都会影响到浮标的运动状态、位置和方向，因此需要对海洋浮标进行实时的姿态解算，以便进行海洋观测和预报工作。　　本文设计了一套高精度的姿态解算和评估系统。为了能够实时的解算姿态角，设计了一套搭载加速度计、陀螺仪和磁力计的地磁定向平台。在实际的应用中，地磁平台会放置在浮标里面，并且一直处于运动状态，为了能对放置在浮标里且一直运动的地磁平台进行评估，使用非接触的方式即双目视觉来评估地磁平台在动态环境下解算姿态角的准确性。　　地磁平台的硬件主要实现三个功能：数据采集功能，实时的采集三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计的数据。姿态解算功能，对采集的数据进行修正，进行姿态解算。通讯功能，和上位机通信，将姿态角发送给上位机，和外部设备通信，将姿态角发送给外部设备。使用双目视觉进行姿态解算时，采用三点标记法，在待测物体上放置三个标记点，通过左右摄像机采集图像，提取标记点的边缘信息，根据转动前后这三个标记点世界坐标的变化，可以计算出待测物体的姿态角。在解算姿态前对采集的图像进行预处理，提高姿态解算精度。　　当地磁平台和双目都可以进行姿态解算时，对地磁平台和双目视觉进行精度的测试。经实验，地磁定向精度测试中最大误差为0.86°。双目视觉在双目摄像机离待测物体150cm，标记点为60mm的圆时，双目视觉的定向精度测试中最大误差为0.74°。最后使用双目视觉来评估地磁平台在动态条件下解算角度的准确性，经实验，两者解算角度的差最大值为1.53°，表明地磁平台在动态条件下依然可以很好的解算角度。

关键词：海洋浮标姿态解算地磁定向双目视觉

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基于倾角补偿的地磁定向抗干扰技术研究

基于倾角补偿的地磁定向抗干扰技术研究

作者：杨昊新哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

观瞄系统在多种领域应用广泛,对性能要求较高。定向平台作为观瞄系统的核心装置,对观瞄系统的高性能发挥起着至关重要的作用。定向方法作为设计定向平台的理论依据对于定向平台性能影响深刻。其中基于地磁场的定向方法因稳定性与实时性... 详细信息

观瞄系统在多种领域应用广泛,对性能要求较高。定向平台作为观瞄系统的核心装置,对观瞄系统的高性能发挥起着至关重要的作用。定向方法作为设计定向平台的理论依据对于定向平台性能影响深刻。其中基于地磁场的定向方法因稳定性与实时性高成为定向平台设计的主要方法依据。而基于地磁定向方法设计的定向平台易受外界磁干扰产生定向误差。本课题旨在设计基于地磁定向方法的定向平台,在此基础上完成地磁定向抗干扰的技术研究。本文首先完成定向平台硬件设计,在硬件设计基础上完成嵌入式软件设计,针对定向角度误差较大的问题,完成误差补偿与抗干扰算法的技术研究,并将该技术移植至嵌入式平台,最后完成定向平台的功能测试与分析。硬件部分设计了主控基于STM32、传感器基于MPU6050与预留某款高精度磁传感器的定向平台底板与基于AD7175-8BCPZ的ADC采样子板。嵌入式软件部分针对硬件相关设计完成了定向平台初始化、传感器数据采集、数据传输与通信及误差补偿与抗干扰算法的软件实现。误差补偿与抗干扰算法部分首先介绍了基于加速度计与磁传感器数据的姿态解算算法及基于陀螺仪数据积分的姿态解算算法,之后设计了加速度计误差补偿算法与磁传感器误差补偿与抗干扰算法,最后根据不同姿态解算算法的特点设计了基于单环PI控制的Mahony互补滤波算法,并使用扩展卡尔曼滤波的方法结合互补滤波算法,减小定向角度误差。最后,本文给出定向平台硬件、软件、抗干扰算法的测试过程及结果,测试结果表明,定向平台硬件、软件功能正常,在外界无强磁场干扰时经算法处理后的角度误差比未经算法处理时的角度误差最大减小了8.36°,外加强干扰磁场时经算法处理后的角度误差比未经算法处理时的角度误差最大减小了18.44°,误差补偿与抗干扰算法效果显著。

关键词：定向平台地磁定向误差补偿抗干扰

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动载台下高精度地磁定向系统设计与实现

动载台下高精度地磁定向系统设计与实现

作者：李聪聪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

海洋是人类的巨大资源宝库,海洋浮标作为一种观测海洋、认知海洋的重要观测工具发挥着越来越重要的作用,而在海上复杂环境的定向问题一直是制约浮标观测能力的核心问题。地磁定向具有无长期积累误差、不易被干扰、无需其他设备辅助的优... 详细信息

海洋是人类的巨大资源宝库,海洋浮标作为一种观测海洋、认知海洋的重要观测工具发挥着越来越重要的作用,而在海上复杂环境的定向问题一直是制约浮标观测能力的核心问题。地磁定向具有无长期积累误差、不易被干扰、无需其他设备辅助的优点,因此本课题设计完成了搭载于海洋浮标的高精度地磁定向平台,解决了海洋环境下的高精度定向问题。根据项目需求,本课题首先完成了整体方案的设计与实现。其中硬件部分主要包括数据处理、数据采集、数据通信以及电压管理模块,同时兼具体积小和功耗低两大优点。软件部分主要是各个模块的硬件驱动。接着分别建立了加速度计、陀螺仪和磁力计的误差模型,使用不同的算法实现对三种传感器的误差修正,以提高定向平台采集数据的准确性。提出了二阶扩展卡尔曼高精度地磁定向算法,一阶过程使用基于陀螺仪和加速度计的扩展卡尔曼滤波算法求解出准确的俯仰角和横滚角,二阶过程使用基于陀螺仪和磁力计的卡尔曼滤波算法求解出准确的航向角。针对海上复杂的环境,提出了自适应姿态更新算法,根据加速度计和磁力计的失真程度动态调整两种传感器参与定向的权值,提高了系统的抗干扰能力。在加速度计和磁力计抗干扰测试中,相比于单纯使用地磁定向算法,自适应姿态更新算法使得航向角的误差分别降低了90.4%和41.2%。最后搭建了测试系统,对定向平台的实际定向精度进行了测试与分析。在稳定性测试中,三种姿态角的误差均小于0.3度;静态定向精度测试中,所提算法的航向角平均误差为0.63度,优于传统的扩展卡尔曼算法和Mahony算法;动态定向精度测试中,航向角平均误差为0.72度,表明该算法具备快速精准定向能力。

关键词：海洋浮标地磁定向传感器误差修正扩展卡尔曼自适应算法

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昆虫迁飞的地磁定向与始发机制研究

昆虫迁飞的地磁定向与始发机制研究

作者：全银华南京农业大学

学位级别：硕士

地磁定向是长距离迁飞昆虫的最重要的定向机制之一。在此研究中,我们选定一种典型的长距离迁飞型昆虫-褐飞虱作为研究对象,利用磁共振成像技术查明磁性物质在昆虫体内的分布情况,并鉴定其磁性物质的属性。结果显示褐飞虱1-5龄及雌雄虫... 详细信息

地磁定向是长距离迁飞昆虫的最重要的定向机制之一。在此研究中,我们选定一种典型的长距离迁飞型昆虫-褐飞虱作为研究对象,利用磁共振成像技术查明磁性物质在昆虫体内的分布情况,并鉴定其磁性物质的属性。结果显示褐飞虱1-5龄及雌雄虫腹部温度退磁曲线在T=220K处有明显拐点,且磁滞回线明显闭合,说明该部位有磁滞(即矫顽力)存在,进而证实存在某种磁性物质;而褐飞虱短翅型和长翅型雌、雄成虫头部的磁滞回线无闭合现象,说明该部位无磁性物质存在。通过对雌雄虫制作成石蜡切片,进行普鲁士蓝染色后,在光学显微镜下可清晰的看出磁性颗粒,并采用扫描电镜、透射电镜技术及EDX能谱分析可推断出此磁性物质为Fe304。从而得出结论,褐飞虱腹部所含有的磁性物质,可能影响其长距离迁飞过程,并为今后进一步研究磁性物质与迁飞定向方面的研究打下了物质基础。同时,本研究构建了昆虫定向飞行模拟系统,该系统由跟踪装置单元、运动目标跟踪单元与虚拟轨迹建立单元三部分组成。构建此飞行模拟器的目的在于设计与搭建跟踪平台、编写运动目标跟踪程序与虚拟轨迹建立程序,在实验室中实现昆虫飞行视频采集与视频数据处理的功能。利用设计的定向飞行模拟系统对棉铃虫与粘虫迁飞的定向情况和定向机制开展研究,分别在地磁环境和分别抵消南北地磁、东西地磁的环境下进行实验。通过对实验获得的视频进行数据处理与分析,本文得出了棉铃虫的定向主要集中在62°至106°之间(视正北方向为Y轴,正东方向为X轴)和粘虫迁飞受南北地磁场的影响大于受东西地磁场的影响的初步结论。通过设计和组建昆虫定向飞行模拟系统,完成了运动视频的采集、目标跟踪和虚拟轨迹建立的功能,为今后对昆虫迁飞定向机制的深入研究奠定了基础。

关键词：褐飞虱地磁定向磁性物质检测与鉴定飞行模拟器

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褐飞虱成虫体内磁性物质检测

昆虫学报 2011年第10期54卷 1189-1193页

作者：解春兰李志毅隋贺潘卫东陈法军中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049 南京农业大学植物保护学院昆虫信息生态实验室南京210095

地磁定向是昆虫远距离迁飞定向的重要机制之一。本研究以褐飞虱Nilaparvata lugens长翅型和短翅型成虫为研究对象,利用MPMS-7型号超导量子干涉磁强计(磁场范围为±4.8mA/m,温度范围为1.9～400K)检测虫体内的磁性物质,明确其体内的分布... 详细信息

地磁定向是昆虫远距离迁飞定向的重要机制之一。本研究以褐飞虱Nilaparvata lugens长翅型和短翅型成虫为研究对象,利用MPMS-7型号超导量子干涉磁强计(磁场范围为±4.8mA/m,温度范围为1.9～400K)检测虫体内的磁性物质,明确其体内的分布状况。结果表明:褐飞虱长翅型雄成虫整个虫体的温度退磁曲线在T=220K处无明显拐点,磁滞回线无明显闭合现象;长翅型雌成虫及短翅型雌、雄成虫整体磁性物质检测结果与长翅型雄成虫类似,说明利用成虫整体进行磁性物质检测效果不明显。分体段检测时,褐飞虱短翅型和长翅型雌、雄成虫腹部温度退磁曲线在T=220K处有明显拐点,且磁滞回线明显闭合,说明该部位有磁滞(即矫顽力)存在,也即存在着磁性物质;而短翅型和长翅型雌、雄成虫头胸部的磁滞回线无闭合现象,说明该部位无磁性物质存在。褐飞虱虫体内磁性物质的存在为其远距离迁飞过程中实现地磁定向提供了物质基础。

关键词：褐飞虱翅型迁飞地磁定向磁性物质

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多尺度多元素形态滤波自适应降噪研究

河北科技大学学报 2011年第3期32卷 228-232,251页

作者：卢志才米东徐章遂孙永谨贾春宁军械工程学院电气工程系中国人民解放军63981部队南京军代局上海代表室

针对基本的数学形态滤波器存在的问题,提出了一种多尺度多元素形态滤波自适应降噪方法,首先利用不同尺度不同元素的基本形态滤波器对信号进行处理,得出各个误差。根据计算误差,设定权重系数级联基本的形态滤波器,对信号进行自适应降噪... 详细信息

针对基本的数学形态滤波器存在的问题,提出了一种多尺度多元素形态滤波自适应降噪方法,首先利用不同尺度不同元素的基本形态滤波器对信号进行处理,得出各个误差。根据计算误差,设定权重系数级联基本的形态滤波器,对信号进行自适应降噪。针对正弦信号中复杂噪声干扰的特点,在信号中加入各种噪声,利用提出的方法对信号进行处理,并与多尺度滤波器进行了比较,证明了改进方法的有效性。通过将多尺度多元素形态滤波器应用于旋转检测地磁定向信号中分析与运算,有效降低了正弦信号中的噪声,提高了地磁定向精度,验证该方法降噪的有效性。

关键词：形态滤波地磁定向多尺度形态滤波结构元素自适应滤波

地层岩心弹性力学参数及主应力方向的超声波测定

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声学技术 2003年第3期22卷 157-161页

作者：张亚萍俞然刚阎向宏石油大学应用物理系东菅257062 石油大学建筑工程系东营257062

文章主要讨论了通过测量超声纵波、横波在地层岩心中的传播速度获取地层岩心弹性力学参数、确定地层岩心主应力方向的原理和方法,并通过对胜利油田五个区块、不同井深地层岩心的实际测量,结合地磁定向,给出了相应岩心主应力相对于地理... 详细信息

文章主要讨论了通过测量超声纵波、横波在地层岩心中的传播速度获取地层岩心弹性力学参数、确定地层岩心主应力方向的原理和方法,并通过对胜利油田五个区块、不同井深地层岩心的实际测量,结合地磁定向,给出了相应岩心主应力相对于地理北极的方向。

关键词：地层岩心弹性力学参数主应力方向超声波测定地磁定向油田开发钻井过程