摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现叶恺毕业答辩PPT优秀PPT.ppt

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1、摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现答答 辩辩 人人:叶恺指导老师指导老师:刘玉华 教授书目l三维电子罗盘概述l摄影测量系统简介l硬件电路抗干扰设计l软件误差补偿实现l 结论与展望2/28 三维电子罗盘概述（1/1）l电子罗盘功能简介l电子罗盘国内探讨状况l大连海事高校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。l西北工业高校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。l北京航空航天高校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。l北京理工高校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

2、为测量单元。仿真结果表明该模型效果志向。3/28摄影测量系统简介(1/1)l摄影测量系统4/28u摄影测量系统的功能u摄影测量系统的几何定位问题u摄影测量系统与三位电子罗盘硬件电路抗干扰设计(1/5)l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硬件电路抗干扰设计(2/5)l硬件电路电磁兼容性l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。l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。l l信号反射：信号在传输过程中，

3、传输链路上阻抗发生变更，从阻抗变更点就会有部分能量沿传输线返回。6/28硬件电路抗干扰设计(3/5)l电源电路仿真分析l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水纹产生时，干扰信号会被过滤掉。7/28硬件电路抗干扰设计(4/5)l电源电路仿真分析l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硬件电路抗干扰设计(5/5)l信号反射处理l 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

4、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，有效削减因为信号反射带来的硬件电路的干扰。9/28软件误差补偿实现(1/6)l 加速度传感器与中位值平均滤波法l 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确定相同，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，运用最小二乘法进行误差修正。10/28 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，结合了二者之间的特长。该算法能够很好滤除偶然脉冲干扰。软件误差补偿实现(2/6)l 磁强计测量误差分析11/28u制造工

5、艺与加工水平的制约，三个测量单元并非确定的正交，三个传感器的灵敏度并非完全一样。这类误差在很多文献中都探讨过，也可以很好避开。u温度变更带来的误差，温度对于灵敏度的影响可以忽视，温度对于三个测量单元的灵敏度影响是一样的，不会影响到最终结果。温漂对结果有确定的影响，在一些论文中也探讨过这个问题。u外部磁场造成的误差，由于磁传感器的磁敏感特性，测量的地球磁场特别的微弱，外部磁场的影响对于测量结果影响很大。软件误差补偿实现(3/6)l 应用滤波算法进行航向角度修正12/28 卡尔曼滤波与神经网络的结合协助算法是从补偿的角度去设计，以后者的映射实力修正前者的结果。这个算法的原理是：对于神经网络输入有效

6、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。软件误差补偿实现(4/6)l 航向角实际测量结果分析13/28 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干脆的输出值，红色线条是应用探讨的算法后的输出结果。有图中的对比可以看出，在运用滤波算

7、法之后，使得带有干扰的输出信号能够很好的收敛到真值旁边。软件误差补偿实现(5/6)l 三维电子罗盘的测试与分析14/28 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。蓝色线条是未运用误差修正算法时，罗盘输出横滚角度值差值，红色线条是运用修正算法后的输出结果。有图可以看出，为运用修正算法时误差最大值达到0.8。运用算法误差值最大是0.2。软件误差补偿实现(6/6)l三维电子罗盘测试与分析15/28 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

8、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，这个结果也是牢靠的。结果表明航向角度的测量上满足设计要求。结论与展望（1/2）u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，增加电路的抗干扰特性，试验表明硬件设计是有效的。u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协助结合型算法对于磁强测量值做处理。试验表明算法有效，对实际测量结果有优化作用。u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。l 结论16/28结论与展望（1/2）u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，

9、可以克服卡尔曼滤波算法模型难以建立的问题。l 展望17/28参考文献（1/2）1 罗琳，卫星/磁强计组合动态定向测姿系统探讨D.国防科技高校限制科学与工程，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

10、-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(

11、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 RigsJ.

12、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 Kalman Filteringin Orbit ResultsJ.Simulation Modeling Practice and Theoy,2008,16(3):257-277.15 Geng YR,Deurloo R,Bastos L.A Method for Au

13、tomatic Lever-arm Estimation in Loosely-Coupled GNSS/INS Integration System Using Unscented Particle FilterJ.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 ea

14、rth satellitesJ.Aerospace Science and Technology,2000(4):277-287.18/28参考文献（1/2）17Chen Lifen,Chang Xiaoming,Yao Shixuan.Design and Realization of ADXL203 Posture Detection Platform Base on LabVIEWC.ICISS2011 2011 International Conference on Intelligent Computing and Integrated Systems.Guilin:Word Pub

15、lishing Corporation,2011.10.24-26:492-495.18Chang Xiaoming,Chen Lifen,Chen Xiaoxiang,Wang Zongxia.Design and Ralization of a Magnetic Fied Detetor Dbbugging System Based on LabVIEWC.ISTAI2010 Proceedings of the Third International Symposium on Test Automation&Instrumentation(Vol.1).Beijing:World Pub

16、lishing Corporation,2010.5.22-25:262-265.18 Lifen Chen,Bin Sun,Xiaoming Chang.MS5534B Pressure Sensor and Its Height Measurement ApplicationsC.ICM2011 2011 InternationalConference of Information Technology,Computer Engineering and Management Sciences(Vol.).Nanjing:World Publishing Corporation,2011.0

17、9.24-25:56-59.19Yuan Gannan,Yuan Kefei,Zhang Hongwei.A Variable Proportion Adaptive Federal Kalman Filter for INS/ESGM/GPS/DVL IntegratedNavigationSystem.Fourth International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization.KunMing,China,2011.20Yuan Gannan,Zhang Hongwei,Yuan Kefei,Tao Chu

18、nyan.A Combinational Underwater Aided Navigation Algorithm Based on TERCOM/ICCP and Kalman filter.International Conference on Computational Sciences and Optimization.KunMing,China,2011.21Shaobo Ni,Gui Zhang.Attitude Determination of Nano Satellite Based on Gyroscope,Sun Sensor and MagnetometerJ.Proc

19、edia Engineering,2011,15:959-963.22 Hang Guo,Min Yu,Chengwu Zou，et al.Kalman filtering for GPS/magnetometer integrated navigation systemJ.Advances in Space Research,2012,45(11):1350-1357.23V.D.Merwe,E.A.Wan.The square-root unscented kalman filter for state and parameter-estimationC.Salt Lake City,USA:Acoustics,Speech and Signal Processing,2001:3461-3464.24L.Angrisani,A.Baccigalupi.Ultrasonic Time Of Flight Estimation Through Unscented Kalman FilterJ.IEEE,2006,55(4):1077-1084.19/2820/28感谢各位参与答辩的专家、老师和同学thank you