摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现

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三维电子罗盘是依据地球磁场测量值与加速度测量值计算出姿态信息的器件,它能够实时测量载体平台的航向角度、俯仰角度、横滚角度。三维电子罗盘具有结构简单、价格低廉、便于集成、精度较高等优点,由于其良好的性价比使得它被广泛应用于载体平台的姿态测量,也常用于组合导航系统中。但是,三维电子罗盘测量的地磁场非常微弱,罗盘很容易受到各类电磁波干扰,这直接影响了罗盘的测量精度。因此,本文对于造成三维电子罗盘误差的因素进行分析,在物理硬件上选择合适的电子器件与抗干扰设计,在软件设计中应用滤波算法优化罗盘测量功能,从而提高三维电子罗盘的测量精度。本文研究了三维电子罗盘的测量原理和基本构造,讨论了影响测量精度的各种因素,在此基础上使用三轴加速度传感器、三轴磁强传感器和微处理器来设计罗盘。依据三维电子罗盘电磁敏感特性,应用信号完整性理论,合理布局、布线、应用滤波措施、进行必要的电磁屏蔽保护设计来增强硬件抗干扰能力。由此可以有效地抑制部分干扰。但是在三维电子罗盘所处的复杂环境中无法彻底消除噪声,对于这类噪声干扰再从软件层面上进行处理。另外,使用中位值平均滤波法滤去传感器输出的随机干扰的测量值减少随机干扰信号。使用最小二乘法,进行加速度传感器误差修正使测量结果更逼近真实值。还有应用神经网络补偿卡尔曼滤波的算法,结合神经网络优秀的建模性和卡尔曼滤波优异的估算能力,用神经网络来补偿卡尔曼滤波的结果。以‘标准’的数据训练神经网络,将经过卡尔曼滤波的数据再送到学习过的神经网络进行处理,优化测量结果。最后,在实际环境中结合电子经纬仪进行了实验验证,实验数据分析证实神经网络补偿卡尔曼滤波算法的可靠性,并验证本论文设计的三维电子罗盘的精度优于国内相关产品。
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