无线电实验报告.doc

导航技术基础实验报告学号： 姓名： 房伟建 南京理工大学自动化学院目 录实验一 全球定位系统（GPS）实验.2实验二 陀螺仪原理实验.4实验三 HMR3300传感器实验. .7实验四 C100航向传感器实验. . . .9实验一 全球定位系统（GPS）实验 一. 实验目的 1、熟悉GPS的结构和工作原理；2、熟悉GPS信号串口传输技术；3、掌握GRMIN公司GPS25LP OEM板实验系统。二. 设备清单 (1) GPS25LP OEM板 1套(2) 开关电源 1个(3) 五金工具 1套(4) 万用表 1只(5) GRMIN公司GPS25LP OEM板技术资料 1本*上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。三、课堂要求(1) 课前认真预习，精心准备；(2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件；(3) 不同小组的器件不要混用；(4) 课后整理桌面；(5) 不在课堂做任何与学习无关的事；(6) 课后认真填写实验报告。四、注意事项(1) 轻拿轻放加GPS实验系统，防止摔落地面；(2) 避免直接接触GPS实验系统电路板；(3) 禁止带电插拔；(4) 常见问题的处理，参见技术手册。五、实验内容与步骤1、GPS实验系统电路连接(1) 将GPS天线接入电路板；(2) 检查电路连接是否正确；(3) 将GPS天线放至窗外；(4) 接通外接开关电源；(5) 记录所在位置的经纬度、高度、星数。六、实验报告内容1、 记录从GPS接收到数据2、 数据分析当前时间：世界时间 04时44分06秒实验室经度：118.实验室纬度：32.卫星编号：12、24、32卫星数量：3其他信息：海拔高度73.4m，大地水准面高度：2.3m，可视卫星总数：9，定位模式：自动手动2D/3D，定位类型：2D定位。七、思考题 根据GPS的工作原理和特性，分析如何利用两个或多个GPS系统协同工作提高测量精度。 在GPS测量过程中，带有多种误差，如卫星钟差，电离层折射，对流层折射等，还包含传播延迟误差和接收机固有误差等，为消除各种误差，通常使用相对定位或者差分GPS来测量地面点的坐标。将一台GPS接收机安置在已知点上，作为基准站，另一台接收机用于空间目标的测量。由于在已知位置的基点可以确定卫星信号中包含的人为误差和其他某些误差，便可大大降低GPS的定位误差，从而提高测量精度实验二 陀螺仪实验 一. 实验目的 1、熟悉陀螺的结构和工作原理；2、熟悉陀螺信号处理技术；3、掌握Horizon陀螺实验系统。二. 设备清单 (1) Horizon陀螺 1个(2) 开关电源 1个(3) 五金工具 1套(4) 万用表 1只(5) Horizon陀螺技术手册 1本*上课期间，实验设备由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。三、课堂要求(1) 课前认真预习，精心准备；(2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件；(3) 不同小组的器件不要混用；(4) 课后整理桌面；(5) 不在课堂做任何与学习无关的事；(6) 课后认真填写实验报告。四、注意事项(1) 轻拿轻放陀螺，防止摔落地面；(2) 避免直接接触陀螺输入、输出接口；(3) 禁止带电插拔；(4) 常见问题的处理，参见技术手册。五、实验内容与步骤1、陀螺外围电路(1) 将陀螺接入电路板；(2) 检查电路连接是否正确；(3) 接通外接开关电源；(4) 利用万用表测量并记录陀螺输入电压、静止状态下的输出值。2、沿转轴运动特性测量(1) 检查电路连接；(2) 沿陀螺转动轴顺时针由慢至快转动陀螺；(3) 沿陀螺转动轴逆时针由慢至快转动陀螺；(4) 分别利用测量软件测量并记录陀螺的输出值。3、倾斜运动特性测量(1) 检查电路连接；(2) 分别沿与陀螺转动轴约30O、45O、90O倾角顺时针由慢至快转动陀螺；(3) 分别沿与陀螺转动轴约30O、45O、90O倾角逆时针由慢至快转动陀螺；(4) 利用测量软件测量并记录陀螺的输出值；(5) 分析数值的正确性。六、实验报告内容1、 根据实验数据绘制陀螺特性曲线（1）沿与陀螺转动轴约30O倾角顺时针由慢至快转动陀螺（2） 沿与陀螺转动轴约45O倾角顺时针由慢至快转动陀螺（3）沿与陀螺转动轴约90O倾角顺时针由慢至快转动陀螺 （4）沿与陀螺转动轴约30OO倾角逆时针由慢至快转动陀螺（5）沿与陀螺转动轴约90O倾角逆时针由慢至快转动陀螺2、 分析、比较陀螺动态特性； 由于人工操作无法精确保证倾斜角度，同时由于截图不够及时，导致实验结果不够理想。但从上述截图中，人可以得出陀螺仪的动态特性：当陀螺处于静止状态时，输出曲线为水平曲线，而当陀螺有一定加速度时，采样数据为倾斜的直线。通过比较30度、45度、90度的曲线可知，倾角越大时输出值越大；通过比较顺时针和逆时针的曲线可知，陀螺转动方向不同时，曲线的变化方向也不同。七、思考题 根据陀螺的工作原理和特性，考虑陀螺可应用于哪些系统，简述其工作原理。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。陀螺在旋转的时候，不但围绕本身的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴作锥形运动。也就是说，陀螺一面围绕本身的轴线作“自转”，一面围绕垂直轴作“公转”。陀螺围绕自身轴线作“自转”运动速度的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。陀螺高速自转时，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而绕道支点的垂直轴作圆锥运动的现象，就是陀螺原理。利用陀螺原理，能制造出可以保持方向性的东西就是陀螺仪。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。 利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有：陀螺方向仪、陀螺罗盘、陀螺垂直仪、陀螺稳定器、速率陀螺仪、陀螺稳定平台 传感器 光纤陀螺仪 激光陀螺仪 MEMS陀螺仪。详细介绍如下： 陀螺方向仪：能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。 陀螺罗盘：供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。陀螺垂直仪：利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正力矩以指示地垂线的仪表，又称陀螺水平仪。陀螺仪的壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当转子轴偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使力矩器产生修正力矩，转子轴在力矩作用下旋进回到地垂线位置。陀螺垂直仪是除陀螺摆以外应用于航空和航海导航系统的又一种地垂线指示或量测仪表。陀螺稳定器：稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克被动式稳定器实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。斯佩里主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪，其转子沿船横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩，借以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体的稳定作用。速率陀螺仪：用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。陀螺稳定平台：以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定器。陀螺稳定平台根据对象能保持稳定的转轴数目分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台。陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定向的仪表和设备，如测量仪器、天线等，并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的万向支架支承。根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中利用陀螺旋进产生的陀螺力矩抵抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。传感器：陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假象的平面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动，并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便地实现。 陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）。光纤陀螺仪：光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。激光陀螺仪：激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。10MEMS陀螺仪：基于MEMS的陀螺仪价格相比光纤或者激光陀螺便宜很多，但使用精度非常低，需要使用参考传感器进行补偿，以提高使用精度，ADI公司是低成本的MEMS陀螺仪的主要制造商，VMSENS提供的AHRS系统正是通过这种方式，对低成本的MEMS陀螺仪进行辅助补偿实现的。 实验三 HMR3300传感器实验一. 实验目的 1、熟悉HMR3300传感器的结构和工作原理；2、熟悉HMR3300传感器信号处理技术；3、掌握HMR3300传感器使用方法。二. 设备清单每组学生拥有一套H3300实验套件。上课期间由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。(1) H3300 1个(2) 开关电源 1个(3) 五金工具 1套(4) 万用表 1只(5) H3300产品技术资料 1本三、课堂要求(1) 课前认真预习，精心准备；(2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件；(3) 不同小组的器件不要混用；(4) 课后整理桌面；(5) 不在课堂做任何与学习无关的事；(6) 课后认真填写实验报告。四、注意事项(1) 轻拿轻放H3300，防止摔落地面；(2) 避免直接接触H3300输入、输出接口；(3) 禁止带电插拔；(4) 常见问题的处理，参见技术手册。五、实验内容与步骤1、电子罗盘外围电路(1) 将HMR3300接入电路板；(2) 检查电路连接是否正确；(3) 接通外接开关电源；(4) 利用万用表测量并记录加速度计输入电压、静止状态下的输出值。六、实验报告内容1、 记录HMR3300输出数据；（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）2、 数据分析；根据HMR3300器材上的标识可以找到它的旋转轴及方向。随机旋转七次后得到上述截图。三行分别表示航向，俯仰和横滚。下面是相应的ASC语句。总结如下组别1234567航向285.7262.0301.1336.7273.933.629.3俯仰3.9-33.54.90.332.127.12.6横滚-10.0-8.7-20.5-17.8-10.6-18.0-55.9七、思考题 根据HMR3300的工作原理和特性，简述其应用领域。 霍尼韦尔的HMR3200/HMR3300是用于导航和制导系统的电子罗盘解决方案模块。霍尼韦尔的磁阻传感器被用于HMR3200/HMR3300以达到小尺寸，固态罗盘的可靠性和精度。HMR3200/HMR3300，非常易于集成到使用ASCII格式的UART或SPI接口的系统中。 其应用领域： 定向和导航，姿态参考，卫星天线位置，平台水平度，GPS集成系统， 激光测距机等实验四 C100航向传感器实验一. 实验目的 1、熟悉C100航向传感器结构和工作原理；2、熟悉C100航向传感器信号处理技术；3、掌握C100航向传感器实验系统。二. 设备清单每组学生拥有一套C100航向传感器实验系统。上课期间由组长保管，上课期间遗失或损坏的器件须按原价赔偿。 (1) 开关电源 1个(2) 五金工具 1套(3) 万用表 1只(4) C100电子罗盘1只(9) C100电子罗盘技术资料 1本三、课堂要求(1) 课前认真预习，精心准备。(2) 在不损坏器件或愿意赔偿的情况下自由使用器件。(3) 不同小组的器件不要混用。(4) 课后整理桌面。(5) 不在课堂做任何与学习无关的事。(6) 课后认真填写实验报告。四、注意事项(1) 轻拿轻放加实验系统，防止摔落地面；(2) 避免直接接触实验系统电路板、输入输出接口；(3) 禁止带电插拔；(4) 常见问题的处理，参见相关技术手册。五、实验内容与步骤1、实验系统连接(1) 连接C100航向传感器实验系统；(2) 接通外接开关电源；(3) 记录C100航向传感器输出数据；(4) 数据分析。六、实验报告内容1、 C100航向传感器输出数据（1）北（2） 南（3） 东（4） 西2、 数据分析； 由上面的截图可以看出，从上往下依次表示180度（北），0度（南），268度（东）92度（西）七、思考题 根据C100航向传感器工作原理，简述C100航向传感器应用领域。 可用于：航海；自动驾驶；无人机；无线伺服控制；平台稳定；GPS组合导航；激光测距；自动控制；机器人等。