本文關(guān)鍵詞：加速度計尋北儀的數(shù)據(jù)采集與算法的設(shè)計

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【摘要】：隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，尋北儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。相比陀螺式尋北儀，加速度計無陀螺尋北儀具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、價格低廉、穩(wěn)定性好等特點。在導(dǎo)航、勘探、采礦、工程測量方面擁有廣泛的應(yīng)用價值，尤其在頁巖氣勘探、開采上，具有迫切需求。本文根據(jù)加速度計無陀螺尋北系統(tǒng)的實際應(yīng)用環(huán)境，以某地質(zhì)頁巖氣勘探開采的應(yīng)用需求為背景，開展了加速度計尋北系統(tǒng)的研究與設(shè)計。 本文以頁巖氣勘探開采為背景，充分利用加速度計體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、可靠性高等優(yōu)點，研究了以石英撓性加速度計為核心構(gòu)成的尋北系統(tǒng)。重點研究了基于FPGA的加速度計的數(shù)據(jù)采集與處理，針對加速度計輸出信號比較微弱，電流幅值極低，很容易受到外界條件的干擾，測量難度大等缺點，研究并采用一種離散快速正交小波變換（Mallat算法）的方法對加速度計輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，得到了較好的濾波效果。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)性能測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有成本低、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，滿足某地質(zhì)頁巖氣應(yīng)用背景的需求。 首先，本文綜述了尋北系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并闡述了尋北的基本原理。在此基礎(chǔ)上，分析了尋北系統(tǒng)的主要精度影響因素，提出了提高精度的方法。同時對加速度計輸出信號的特點進(jìn)行分析，為后續(xù)的設(shè)計做準(zhǔn)備。 然后，在硬件電路設(shè)計方面，主要設(shè)計了I/V轉(zhuǎn)換模塊與精密數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)FPGA中自頂向下的設(shè)計方法，采用Verilog HDL硬件語言對精密數(shù)據(jù)采集模塊與傳輸模塊進(jìn)行描述，同時給出了各個模塊的仿真波形，驗證了上述兩個模塊的正確性。對于數(shù)據(jù)采集速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串口傳輸速度的問題，本文采用平滑的算法進(jìn)行處理。 最后，學(xué)習(xí)了小波變換的基本原理，研究并采用Mallat算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。同時研究并應(yīng)用了多元擬合和互相關(guān)檢測兩種算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，找到北向角。對算法進(jìn)行matlab仿真，，驗證了算法的有效性。對尋北系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證，通過動態(tài)測試，表明該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等優(yōu)點。
【關(guān)鍵詞】：尋北 加速度計 FPGA Mallat算法 互相關(guān)
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P204
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-18
• 1.1 課題研究的背景及意義8-9
• 1.2 尋北系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-16
• 1.2.1 陀螺尋北系統(tǒng)9-12
• 1.2.2 捷聯(lián)尋北系統(tǒng)12-13
• 1.2.3 加速度計尋北系統(tǒng)13-16
• 1.3 本論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排16-18
• 2 加速度計尋北儀基本原理及相關(guān)設(shè)計方案18-27
• 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案18-19
• 2.2 加速度計無陀螺尋北的基本原理19-21
• 2.3 尋北系統(tǒng)精度影響因素分析21-25
• 2.3.1 轉(zhuǎn)臺基座傾斜誤差影響21-22
• 2.3.2 轉(zhuǎn)臺端跳動誤差影響22-23
• 2.3.3 轉(zhuǎn)臺的其他誤差影響因素23-24
• 2.3.4 高精度加速度計的誤差影響分析24-25
• 2.3.5 信號處理部分誤差分析25
• 2.4 加速度計輸出信號特性分析及處理25-26
• 2.5 本章小結(jié)26-27
• 3 加速度計尋北儀的設(shè)計及實現(xiàn)27-42
• 3.1 尋北系統(tǒng)核心器件的選擇27-31
• 3.1.1 加速度計的選擇27-28
• 3.1.2 FPGA 芯片的選擇28-29
• 3.1.3 AD 芯片的選擇29-31
• 3.2 硬件平臺的搭建31-35
• 3.2.1 I/V 轉(zhuǎn)換電路31-32
• 3.2.2 精密數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計32-35
• 3.3 軟件設(shè)計35-41
• 3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計35-38
• 3.3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計38-40
• 3.3.3 FPGA 數(shù)據(jù)采集速率與 RS232 串口傳輸速率的匹配40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 4 尋北儀算法設(shè)計42-54
• 4.1 小波去噪42-44
• 4.1.1 小波變換的基本原理42
• 4.1.2 連續(xù)小波變換42-43
• 4.1.3 離散小波變換43-44
• 4.2 加速度計尋北系統(tǒng)濾波器設(shè)計44-50
• 4.2.1 離散快速正交小波變換原理44-47
• 4.2.2 算法仿真47-50
• 4.3 尋北系統(tǒng)解算算法50-53
• 4.3.1 最小二乘法擬合50-51
• 4.3.2 互相關(guān)算法51-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 5 系統(tǒng)驗證及分析54-60
• 5.1 加速度計尋北系統(tǒng)硬件實物調(diào)試54-56
• 5.1.1 采集系統(tǒng)硬件調(diào)試54
• 5.1.2 FPGA 系統(tǒng)調(diào)試54-55
• 5.1.3 USB 接口調(diào)試55-56
• 5.2 實驗驗證56-59
• 5.3 本章小結(jié)59-60
• 6 總結(jié)與展望60-62
• 6.1 總結(jié)60
• 6.2 展望60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 附錄67
• A.作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄67

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