60000字论文范文基于单片机理论的陀螺经纬仪设计与分析

论文类型：论文范文

论文字数：60000字

论点：陀螺,经纬仪,陀螺仪

论文概述：

作为一种惯性高精度寻北仪器，陀螺经纬仪兼有测角和定向的功能，并且具有机动性、完全自主性、广泛的地理纬度范围、全地理经度范围和全天候等特点

论文正文：

第一章引言

1.1寻北系统
在人类的生产和生活实践中，地理信息无处不在，它在生活中起着重要的作用，定位也是人类生活中非常重要的一部分。所谓的方位是指地面点的参考方向的确定，该参考方向是参照真正的北向校准的，因此该方位是为了找到北[1]。
在古代，人们用太阳、月亮和星星来辨别方向。后来，他们发明了指南针，并用磁场来指示方向。然而，这些方法并不准确，只适用于日常生活中精度要求较低的场合。随着科学技术的进步和时代的发展，在航海空、航海、航空航天、工业、陆运、采矿和建筑等地方，对定向精度的要求越来越高。它们不仅要求灵活性、快速性、准确性和可靠性，还应适应恶劣天气和环境的要求，具有全天候和全方位的性能。近年来，随着高新技术的不断涌现，多种寻北定向技术发展迅速，逐渐向高精度、高效率、自动化和智能化方向发展，也引起了各国的关注。一般来说，有以下几种寻北方法:磁罗盘、天文观测、惯性寻北技术和卫星导航技术[2-4]。
1.1.1磁罗盘
磁罗盘是一种利用地球磁场来确定方向的罗盘。从地理上来说，北极和南极与地球磁场的磁极不重合，但是有磁偏角，所以磁北不是真正的北。因此，由于地球磁偏角和地球表面不同磁场强度的影响，寻北精度较低，只能粗略地找到。
1.1.2天文观测
天文观测通过观测恒星来确定方向，这可以达到高精度(1英寸以内)，但需要较长的观测时间和良好的能见度。最大的缺点是，由于气候条件的限制，不利于野外移动使用，也不能满足全天候测量和保证作业的要求[6】。
1.1.3惯性寻北技术
惯性寻北技术具有自主、隐蔽、全天候、抗电磁干扰、实时、连续测量的特点。它可以为载体提供角运动和直线运动参数，因此被广泛应用于航空航天、导航空、导航、陆地导航、大地测量和机器人等地方。惯性寻北技术是一种带有惯性器件(如陀螺仪、加速度计等)的惯性技术。)，测量、导航和惯性制导为主要研究对象[7]，这是惯性技术领域的重要组成部分。目前，惯性寻北技术可分为两大类:陀螺寻北技术和[8-9无陀螺寻北技术。1.陀螺寻北技术陀螺寻北技术是基于陀螺的基本特性，如定轴和进动。在地球自转的作用下，它受到在大扭矩影响下绕着正北往复运动的原理的引导。陀螺寻北技术具有自主、独立于[11号等条件、灵敏度高、稳定性好、不受磁干扰等优点，因此得到了广泛的应用和研究。陀螺寻北技术根据其寻北机理可分为两类:一类是摆式陀螺，另一类是角速度陀螺寻北仪[10]。摆式陀螺仪是一种基于摆式陀螺仪罗盘的陀螺仪寻北仪。在大扭矩作用下，陀螺转子轴在子午面附近作椭圆简谐运动，其摆动中心位置为正北方向。摆式陀螺仪主要包括悬挂弹簧(也称为悬挂陀螺仪)、液体浮动(也称为浮动陀螺仪)、空气浮动、磁悬浮等类型。它的寻北精度很高，一般达到30英寸甚至高达10英寸。角速度陀螺仪寻北仪(North Finder)是指直接感应地球自转角速度的旋转陀螺仪。基于测量地球自转角速度的原理，它利用安装在转台上的单自由度速率陀螺仪来测量地球自转角速度在不同方向上的分量，计算参考轴偏离真实北向的角度，从而找出真实北向，如光学陀螺仪、动态调谐陀螺仪、微机械陀螺仪、压电陀螺仪、半球谐振陀螺仪等。二、无陀螺寻北技术无陀螺寻北技术是指利用科里奥利效应通过旋转或振动线性加速度计测量角速度和地球旋转角速度。其原理相对简单，摒弃了昂贵的陀螺仪，大大降低了制造成本，采用动态工作模式，反应速度快，避免了陀螺仪漂移等因素对定向精度的影响，成为寻北技术的另一个研究热点，适合形成低成本的快速寻北系统。例如加速计寻北[系统。
1.1.4卫星导航技术
全球导航卫星系统(GNSS)是一个全球位置和时间测量系统，由卫星星座、地面监控系统和用户终端设备组成。它可以为地球表面、近地空之间的任何地方和任何数量的用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度和精确的时间信息。基于该信息，可以计算被测地点的北位置角度信息，[4]。目前，世界上有四个卫星定位和导航系统在运行:美国全球定位系统、全球定位系统、俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)、中国北斗导航系统、第一章导言3(北斗，北斗)，以及欧盟民用卫星定位系统伽利略，目前正在建设中的[13)。

1.2国内外陀螺经纬仪的发展..............................10-13
1.2.1国外陀螺经纬仪的发展..............................10-12
1.2.2陀螺经纬仪在中国的发展现状..............................12-13 [/BR/] 1.3本项目的研究意义和主要工作内容..............................13-14
第二章陀螺经纬仪寻北原理..............................14-20[/溴/] 2.1悬浮陀螺寻北系统结构..............................14-16
2.1.1陀螺经纬仪的基本结构..............................14-15
2.1.2陀螺仪光路系统..............................15-16 [/BR/] 2.2陀螺经纬仪的基本原理..............................16-19 [/BR/] 2.2.1陀螺仪的基本特性..............................16-18[/br/ ] 2.2.2陀螺仪寻北原理..............................18-19 [/BR/] 2.3本章概述..............................19-20
第三章陀螺经纬仪寻北算法研究..............................20-30
3.1初始寻北算法..............................20-21
3.1.1两个反转点法..............................20[/溴/] 3.1.2四分之一周期法..............................20-21[/比尔/] 3.2精细寻北算法..............................21-24 [/BR/] 3.2.1运输方法..............................21-22 [/BR/] 3.2.2集成方法..............................22-24
3.3基于趋势预测多步初始寻北的误差补偿……24-29 [/BR/] 3.4本章概述..............................29-30
第四章陀螺仪双单片机寻北控制系统..............................30-40
4.1双单片机系统原理方案..............................30-32 [/BR/] 4.2双单片机异步串行通信..............................32-36 [/BR/] 4.2.1初始化过程..............................32-34
4.2.2数据传输和接收..............................34[/比尔/] 4.2.3串行通信协议..............................34-36 [/BR/] 4.3自动提升系统..............................36-37
4.4水平旋转系统..............................37-39
4.5本章概述..............................39-40
第五章陀螺仪自反馈控制系统设计..............................40-51
5.1全自动自反馈寻北系统总体设计..............................40-41
5.2系统设计开发环境..............................41-42
5.3..............................42
5.4陀螺仪自反馈控制系统设计..............................42-50[/溴/] 5.4.1中途位置的检测..............................43-48
5.4.2自反馈控制系统的软件设计..............................48-50
5.5本章概述..............................50-51
第6章系统实验和误差分析..............................51-63
6.1全自动寻北系统原型..............................51-52 [/BR/] 6.2全自动自反馈寻北系统实验..............................52-58 [/BR/] 6.2.1双单片机系统寻北初步实验..............................52-53[/溴/] 6.2.2自反馈控制陀螺自动下降实验..............................53-55
6.2.3自反馈系统初始寻北实验..............................55-57
6.2.4自反馈系统的重复性实验..............................57-58 [/BR/] 6.3陀螺经纬仪系统误差分析..............................58-62 [/BR/] 6.4本章概述..............................62-63
[/ Br/]摘要
[/ Br/]陀螺经纬仪作为惯性高精度寻北仪器，兼具角度测量和定向功能，具有机动性、完全自主性、地理纬度范围宽、地理经度范围全、全天候等特点。，因此它已被广泛应用于军事和国民经济建设等地方。
目前，陀螺经纬仪正朝着全自动化、高效率的方向发展。本课题以JT-15陀螺经纬仪为原型，设计并实现了一种基于单片机系统的自反馈全自动陀螺寻北仪。实验结果表明，初始寻北时间控制在4分钟以内，寻北精度在20’以内，满足精确寻北的要求。本文的主要工作如下:
1。研究了基于预测的误差补偿多步初始寻北算法。主单片机实时采集陀螺光标的位置信号，并通过USB实时传输给PC机，PC机对数据进行预测寻北算法，得到预测结果N1，然后根据补偿函数查询得到补偿角度N’，并将实际寻北结果(N1+N’)发送给主单片机，然后主单片机控制精密电控转台将陀螺经纬仪转动到相应位置，从而一次寻北结束；类似地，初始寻北可以在初始寻北的最终结果被控制在1度以内直到它进入北方6度以内时完成。
2。该设计方案完成了两台单片机的控制系统，实现了两台单片机之间的异步串行通信。微控制器触发步进电机自动降低陀螺仪。同时，主微控制器实时采集和监控陀螺光标的运动信息，并通过USB上传到上位机计算寻北结果。PC机将结果返回给主微控制器后，主微控制器控制转盘进行相应的旋转，进一步接近正北方向。这个过程可以完成几次。