專利名稱：一種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)及其溫度補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)及其溫度補償方法，屬無線通信、數(shù)字信號處理及智能傳感器技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類的發(fā)展，導(dǎo)航定向技術(shù)已變得必不可少，無論是航空、航天、地質(zhì)勘測，還是軍事、航海、海洋勘測等都需要定向技木。定向技術(shù)在科學(xué)研究、工程運用方面有著非常重要的意義?，F(xiàn)階段的導(dǎo)航定位手段，主要有衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航等幾個類另|J。這些導(dǎo)航系統(tǒng)雖然應(yīng)用較為廣泛，但是各自都存在ー些缺陷。衛(wèi)星導(dǎo)航，以GPS為例，雖然導(dǎo)航精度很高，但是衛(wèi)星信號容易受到干擾，容易造成遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致難以實現(xiàn)全地域?qū)Ш?。天文?dǎo)航，容易受天氣變化的影響。地形匹配導(dǎo)航，不僅受氣候影響，在缺乏地貌特征的地區(qū)，將無法進行導(dǎo)航。
地磁場是矢量場,理論上近地空間任何一點都有卩隹一的磁場矢量以之對應(yīng)，這為地磁導(dǎo)航的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。地磁導(dǎo)航，不受位置和環(huán)境的影響，而且是ー種無源導(dǎo)航方法，在測量中沒有電磁泄漏，在軍事上有很重要的應(yīng)用價值。而且地磁導(dǎo)航不會隨時間累計測量誤差，是ー種很有發(fā)展前景的導(dǎo)航系統(tǒng)。但是現(xiàn)階段在地磁導(dǎo)航中，存在如下問題
I)現(xiàn)階段地磁導(dǎo)航系統(tǒng)中的地磁測量模塊，普遍使用磁通門技術(shù)或者普通磁阻材料，導(dǎo)致地磁場測量敏感度不夠高，不能滿足高精度地磁測量系統(tǒng)的需求。2)由于價格因素，在普通地磁導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于缺少運動測量単元，導(dǎo)航系統(tǒng)只能進行靜態(tài)工作。在導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)運行的過程中，將受系統(tǒng)運動加速度的影響，増大導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測量誤差，從而大大降低導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。3)地磁敏感単元和后續(xù)處理単元通常是一體化設(shè)計，為了便于使用，這導(dǎo)致整個地磁導(dǎo)航系統(tǒng)將只能被安裝于運載體的控制室附近。這將大大限制了導(dǎo)航系統(tǒng)安裝位置的選擇，同時控制室附近經(jīng)常會有人員和物品的移動，而且有很多電子設(shè)備，很可能人為造成導(dǎo)航系統(tǒng)周圍磁場的變化，從而導(dǎo)致地磁導(dǎo)航系統(tǒng)測量精度下降。4)地磁導(dǎo)航系統(tǒng)通常隨運載體工作于戶外，工作環(huán)境溫度變化很大，溫度對傳感器的影響，常常導(dǎo)致地磁測量系統(tǒng)導(dǎo)航精度的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足，提出ー種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)及其溫度補償方法。在利用巨磁阻傳感器作為地磁測量模塊，大大提高地磁測量精度的基礎(chǔ)上，結(jié)合三軸加速度傳感器和磁編碼器實現(xiàn)動態(tài)導(dǎo)航，同時應(yīng)用無線傳輸技術(shù)將傳感器模塊和處理終端進行分體設(shè)計，大大擴展了導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，最后結(jié)合基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補償算法實現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度的溫度補償。根據(jù)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方法ー種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)，由傳感器部件和處理終端兩部分組成。其特征在于所述傳感器部件是磁編碼器、溫度傳感模塊和三軸重力傳感模塊通過三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊連接微處理器，三軸巨磁阻傳感模塊通過三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊和信號調(diào)理模塊連接微處理器，微處理器還連接射頻電路和編程接ロ，電池經(jīng)電源管理模塊為各器件提供工作電源；所述處理終端是ー個ARM處理器連接以太網(wǎng)ロ、信號放大模塊、射頻 電路、EEPROM、WIFI模塊、液晶觸摸屏和DSP，電源模塊為各器件提供エ作電源。對于傳感器部件，電池為微處理器和電源管理模塊提供穩(wěn)定電源，同時電源管理模塊在微處理器的控制下周期性的為磁編碼器、溫度傳感模塊、三軸重力傳感模塊、三軸巨磁阻傳感模塊、三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊、三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊、信號調(diào)理模塊、射頻電路和編程接ロ提供穩(wěn)定電源。磁編碼器采集傳感器部件的運行速度，溫度傳感模塊采集溫度信息，三軸重力傳感模塊采集重力信息并經(jīng)三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊補償，三軸巨磁阻傳感模塊采集磁場信息并經(jīng)三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊補償及信號調(diào)理模塊處理后與速度信息、溫度信息和重力信息一起傳送給微處理器，微處理器進行信息整合后通過射頻電路將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給處理終端。對于處理終端，電池模塊為以太網(wǎng)ロ、信號放大模塊、射頻電路、EEPROM、WIFI模塊、ARM處理器、液晶觸摸屏和DSP供電。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，ARM處理器將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過信號放大模塊進行處理后由射頻電路發(fā)送；在數(shù)據(jù)接收過程中，ARM處理器從射頻電路接收數(shù)據(jù)，井根據(jù)需要將數(shù)據(jù)送入EEPROM和DSP進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。液晶觸摸屏用于信息顯示和命令輸入，以太網(wǎng)ロ通過Internet實現(xiàn)處理終端與PC機之間的通信。所述WIFI模塊通過無線模式實現(xiàn)處理終端與Internet之間的信息交換。對于傳感器部件和處理終端，一個處理終端可以同時和多個傳感器部件進行通信，可以根據(jù)實際使用需求選擇傳感器部件的數(shù)量。一種地磁測量系統(tǒng)的基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補償方法，采用上述基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)進行溫度補償，其特征在于運行的步驟如下
1)系統(tǒng)上電后初始化傳感器部件中微處理器、處理終端中ARM處理器、EEPROM及DSP初始化；
2)建立無線連接處理終端與傳感器部件之間建立無線通信連接；
3)信號采集處理終端向傳感器部件發(fā)出采集命令后，微處理器控制電源管理模塊周期性的為磁編碼器、溫度傳感模塊、三軸重力傳感模塊、三軸巨磁阻傳感模塊、信號調(diào)理模塊、射頻電路供電，同時微處理器將采集到的信息周期發(fā)送給處理終端，ARM處理器將接收到的磁場、溫度、重力、速度數(shù)據(jù)輸入到DSP中；
4)DSP根據(jù)基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好的模型對接收到的磁場和溫度信息進行處理，減小三軸巨磁阻傳感模塊的零點溫漂和靈敏度溫漂，提高磁場測量的精度；然后，DSP將經(jīng)過溫度補償?shù)拇艌鰯?shù)據(jù)結(jié)合重力信息和速度信息計算出地磁坐標(biāo)系下的地磁場測量值；
5)ARM處理器將DSP處理后的數(shù)據(jù)存入EEPROM中并經(jīng)液晶觸摸屏顯示出來，同時PC機可以通過以太網(wǎng)接ロ查看測量結(jié)果；返回步驟4)。在上述溫度補償方法中，步驟4)中基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的具體步驟如下
(D歸ー化數(shù)據(jù)樣本值，公式如下
權(quán)利要求
1.ー種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)，由傳感器部件和處理終端兩部分組成；其特征在于所述傳感器部件是磁編碼器(I)、溫度傳感模塊(2)和三軸重力傳感模塊(3)通過三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊(5 )連接微處理器(8 )，三軸巨磁阻傳感模塊(4 )通過三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊(6 )和信號調(diào)理模塊(9 )連接微處理器(8 )，微處理器(8 )還連接射頻電路(11)和編程接ロ( 12 )，電池(10 )經(jīng)電源管理模塊(7 )為各器件提供エ作電源；所述處理終端是ー個ARM處理器(18)連接以太網(wǎng)ロ(13)、信號放大模塊(14)、射頻電路(15)、EEPROM (16)、WIFI模塊(17)、液晶觸摸屏(19)和DSP (21)，電源模塊(20) 各器件提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)，其特征在于所述電池(10)為微處理器(8)和電源管理模塊(7)提供穩(wěn)定電源；所述電源管理模塊(7)在微處理器(8)的控制下周期性的為磁編碼器(I)、溫度傳感模塊(2)、三軸重力傳感模塊(3)、三軸巨磁阻傳感模塊(4)、三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊(5)、三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊(6)、信號調(diào)理模塊(9)、射頻電路(11)和編程接ロ(12)提供穩(wěn)定電源；所述磁編碼器(I)采集傳感器部件的運行速度，溫度傳感模塊(2)采集溫度信息，三軸重力傳感模塊(3)采集重力信息并經(jīng)三軸重力傳感器溫度硬件補償模塊(5)補償，三軸巨磁阻傳感模塊(4)采集磁場信息并經(jīng)三軸巨磁阻傳感器溫度硬件補償模塊(6)補償及信號調(diào)理模塊(9)處理后與速度信息、溫度信息和重力信息一起傳送給微處理器(8)，微處理器(8)進行信息整合后通過射頻電路(11)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給處理終端。
3.權(quán)利要求I所述的基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)，其特征在于所述電池模塊(20)為以太網(wǎng)ロ(13)、信號放大模塊(14)、射頻電路(15)、EEPROM (16)、WIFI模塊(17)、ARM處理器(18)、液晶觸摸屏(19)和DSP (21)供電；在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，ARM處理器(18)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過信號放大模塊(14)進行處理后由射頻電路(15)發(fā)送；在數(shù)據(jù)接收過程中，ARM處理器(18)從射頻電路(15)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)送入EEPROM (16)和DSP (21)進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理；所述液晶觸摸屏(19)用于信息顯示和命令輸入；所述以太網(wǎng)ロ( 13)通過Internet實現(xiàn)處理終端與PC機之間的通信；所述WIFI模塊(17)通過無線模式實現(xiàn)處理終端與Internet之間的信息交換。
4.權(quán)利要求I所述的基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)，其特征在于一個處理終端可以同時和多個傳感器部件進行通信，可以根據(jù)實際使用需求選擇傳感器部件的數(shù)量。
5.ー種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)的基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補償方法，采用權(quán)利要求I所述基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)進行溫度補償，其特征在于運行的步驟如下 ·1)系統(tǒng)上電后初始化傳感器部件中微處理器(8)、處理終端中ARM處理器(18)、EEPROM (16)及 DSP (21)初始化; · 2)建立無線連接處理終端與傳感器部件之間建立無線通信連接； ·3 )信號采集處理終端向傳感器部件發(fā)出采集命令后，微處理器(8 )控制電源管理模塊(7)周期性的為磁編碼器(I)、溫度傳感模塊(2)、三軸重力傳感模塊(3)、三軸巨磁阻傳感模塊(4)、信號調(diào)理模塊(9)、射頻電路(11)供電，同時微處理器(8)將采集到的信息周期發(fā)送給處理終端，ARM處理器(18)將接收到的磁場、溫度、重力、速度數(shù)據(jù)輸入到DSP (21)中；4)DSP(21)根據(jù)基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好的模型對接收到的磁場和溫度信息進行處理，減小三軸巨磁阻傳感模塊(4)的零點溫漂和靈敏度溫漂，提高磁場測量的精度；然后，DSP (21)將經(jīng)過溫度補償?shù)拇艌鰯?shù)據(jù)結(jié)合重力信息和速度信息計算出地磁坐標(biāo)系下的地磁場測量值； 5)ARM處理器(18)將DSP (21)處理后的數(shù)據(jù)存入EEPROM (16)中并經(jīng)液晶觸摸屏(19)顯示出來，同時PC機可以通過以太網(wǎng)接ロ(11)查看測量結(jié)果；返回步驟4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)的基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補償方法，其特征在于所述步驟4)中基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的具體步驟如下 (D歸ー化數(shù)據(jù)樣本值，公式如下
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于無線通信技術(shù)的地磁測量系統(tǒng)及其溫度補償方法。本系統(tǒng)包括完成三軸地磁信息、三軸重力信息、溫度信息及磁編碼盤速度信息采集的傳感器部件和完成多傳感器信息融合、系統(tǒng)溫度補償、地磁方位角解算、存儲和顯示功能的處理終端構(gòu)成。其特征在于傳感器部件和處理終端之間采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)采用上述裝置，由處理終端利用基于遺傳算法的Marr小波基Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行溫度補償及多傳感器數(shù)據(jù)融合處理，提高系統(tǒng)測量的精度及智能化程度。本發(fā)明基于無線通信技術(shù)將傳感器部件和處理終端進行分離，可以大大減小傳感器部件的體積、擴展傳感器部件的應(yīng)用范圍。另外本發(fā)明集成度高、開發(fā)成本低、處理能力強。
文檔編號G01V3/40GK102866430SQ20121024386
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者鄭學(xué)理, 吳艷, 付敬奇 申請人:上海大學(xué)