基于MEMS三維磁阻傳感器的電子指南針的研究7.5

基于 維磁阻傳感器的電子指南針 的 研究 武建軍，封維忠 *，于瑋 （南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 南京 210037） 摘要： 本文 介紹了一種基于 三 維 磁阻 傳感器 和加速度傳感器 的 電子指南針 系統(tǒng) 。 相對于 由 兩軸 磁阻傳感器 制造 的 電子指南針 ， 該系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償 傾斜 角產(chǎn)生的誤差。文章 介紹了該系統(tǒng)的測量原理，硬件設(shè)計(jì)，軟件流程 。通過均值濾波，限幅濾波， 最大誤差控制在 2以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以 滿足 于 一般 導(dǎo)航領(lǐng)域 的要求 。 關(guān)鍵詞： 電子指南針 ； 磁阻傳感器；加速度傳感器 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號： on U 210037, a on of By of of is of 引言 目前 ，電子指南針在汽車導(dǎo)航，航天，航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，基于兩軸磁阻傳感器的 電子指南針在有傾角情況下測量產(chǎn)生較大的誤差。 針對這個(gè)問題，筆者選用了美新公司的三軸磁阻傳感器 兩軸加速度傳感器 為 傳感元件。 采用加速度傳感器測量水平傾 角，磁阻傳感器測量地磁角度， 采集的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理， 實(shí)現(xiàn)可以在傾斜情況下 精確 測量地磁角度的電子指南針 。 1 地磁角度 測量原理 基于 兩軸 磁阻傳感器 的電子指南 針 測量地磁角度的原理是測量地磁場的水平分量 y，然后用公式 =x）計(jì)算出地磁角度， 再將單一象限的角度通過象限換算公式折算到四個(gè)象限中，得出0360地磁角度。 但實(shí)際測量中 傳感器 平面 很多時(shí)候不 是水平放置，這時(shí)測量結(jié)果 有很大的誤差，所以，為了補(bǔ)償由傾角產(chǎn)生的誤差，需要測 量 Z 軸的地磁分量，并且需要測量出傾斜的角度，它們分別是俯仰角 ，翻滾角 。再通過矩陣公式將 X， Y， Z 軸的地磁分量 分別 投影 到 水平面， 以得出此時(shí)正確的地磁角度 。 由圖 1得出 矩陣公式如下： x y x z 前進(jìn)方向 南針平面 作者簡介 ：武建軍（ 1986 ），江蘇南京人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)及儀器 . 通訊作者 ： 封維忠（ 1950 ） ，江蘇南京人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)及儀器 . 圖 1 電子指南針俯仰角 滾角 P= (1) R= (2) R P (3) 將（ 1）（ 2）帶入（ 3）， 并 將（ 3）展開后得 s c o sZ s c o s s s y 分別是投影到水平面上的 X， Y 軸地磁分量 ， 此時(shí)， 地磁角度可以 由 下面公 式得出 ： =x） (4) 2 儀器 設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì) 無錫美新公司生產(chǎn)的三軸 磁阻傳感器， 測量范圍為 2 10，靈敏度為 5120， 5V 電壓供電，內(nèi)部集成了 口， 傳感器芯片中有置位復(fù)位線圈， 使用方便。 在 強(qiáng) 磁場環(huán)境 (超過 10 磁阻傳感器薄膜的磁化極性會使傳感器特性變差，置位復(fù)位線圈可以產(chǎn)生電流脈沖，可以消除強(qiáng) 磁場的影響，使傳感器保持高靈敏度。 故在每次測量之前都 進(jìn)行一次 復(fù)位 ，以保證 測量 靈敏度。 加速度傳感器 采取美新公司的兩軸加速傳感器 體積小，功耗低，精度高，測量范圍為 2g，靈敏度為512g，內(nèi)部同樣集成了 口。 加速度傳感器測得 X， Y 軸的 加速度分量，通過 計(jì)算可以得到 俯仰角 和翻滾角 ， 因?yàn)椴捎玫氖莾奢S加速度傳感器，所以，和的測量范圍為 +45。 將這兩個(gè)角度送進(jìn)單片機(jī)，用于傾角的補(bǔ)償。 中央 處理器件 采用了 89片機(jī) ，將磁阻 傳感器 和加速度傳感器 的 上上拉電阻后和單片機(jī)相連，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并處理之后通過 示 當(dāng)前的地磁角度。系統(tǒng)框圖如圖 2 軟件設(shè)計(jì) 程序采取模塊化設(shè)計(jì)，使用 C 語言編程。主要包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理， 程序流程圖如圖 3 所示。 由于地磁傳感器和加速度傳感器直接得出的數(shù)據(jù) 沒有正負(fù)之分，所以在得出數(shù)據(jù)之后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚箶?shù)據(jù)有現(xiàn)實(shí) 的意義，之后才能帶進(jìn)三角函數(shù)中算出角度，其具體處理的公式如下： 2 （ 5） _2 （ 6） （ 7） 其中， 別是 X 軸的最初始化 確定加速度傳感器零點(diǎn) 地磁傳感器測量角度 顯示地磁角度 是否測量傾角 測量傾角 傾角補(bǔ)償 是 否 89 2 系統(tǒng)框圖 加速度 傳感器 磁阻 傳感器 示 圖 3 軟件流程圖 大 和 最小輸出值。 X 軸靈敏度， X 軸偏移量， 原先沒有正負(fù)之分的數(shù)值 經(jīng)過與 減之后便有了正負(fù)，再與 除之后得到 是 X 軸方向地磁場分量。 Y，Z 軸的處理和 X 軸 相同 。 由 公式 (4)得出的角度只是單一象限的角度，如果要轉(zhuǎn)換到 0 360中還需要通過象限轉(zhuǎn)換公式，其公式如下： )0,0(0m o d)0,0(90m o d)0,0(180m o d)0,0(270m o ) )0(90m o d)0(m o n g n g (9) 其中 修正值，由（ 8）式先對 X，Y 是否 大于 或 小于零進(jìn)行判斷，得出修正值，之后再由（ 9）式，對 X， Y 的乘積 是否 大于 或 小于零進(jìn)行判斷，得出 方位 角 的大小。此時(shí) 方位角的取值在 0 360 之間 。對于本文，規(guī)定正南方 為 0，正西方 為90，正北方 為 180，正東方 為 270。 3 抗干擾設(shè)計(jì) 因?yàn)榇抛鑲鞲衅?十分敏感， 容易受到外界 干擾 磁場的 影響，所以必須采取一定的措施來 減小 這些干擾，提高精度。 硬件抗干擾 傳感器芯片和 電源 之間 要加去耦 電容。電源 不要和 傳感器 芯片太 靠近， 以 防止變 壓器 線圈磁場 的干擾；模擬地和數(shù)字地要分開； 晶振和單片機(jī)的連線要短 ；加速度傳感器要遠(yuǎn)離熱源；電源線和地線要做加粗處理； 方也要進(jìn)行覆銅 。 軟件抗干擾 在試驗(yàn)中采用了限幅濾波 和均值濾波相結(jié)合的辦法來做軟件濾波處理，取得了較好的效果。 限幅濾波采用了兩種方法，一種是對數(shù)據(jù)最大最小范圍進(jìn)行限定，超過這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并且此次數(shù)據(jù)由前一次數(shù)據(jù)代替。另一種方法是對兩次相鄰的數(shù)據(jù)差值的絕對值進(jìn)行判斷，當(dāng)兩者的差值大于設(shè)定的閾值，就認(rèn)為第二次數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的 ，此次數(shù)據(jù)由前次數(shù)據(jù) 代替。 閾值設(shè)定為靈敏度的一半，標(biāo)準(zhǔn)值為 256，此值可以根據(jù)不同芯片特性做適當(dāng)調(diào)整， 以 達(dá)到最好的效果。 采用這兩種方法后數(shù)據(jù)誤碼率大為下降。 均值濾波是采集 10 個(gè)數(shù)據(jù) 先求和再 平均， 用這種方法降低了隨機(jī)噪聲，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性大為提高。 在 實(shí)驗(yàn)表明 中 10 個(gè)數(shù)據(jù)已能滿足要求，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無 跳動 的現(xiàn)象 。 4 誤差分析 差分析 采取上述軟硬件抗干擾技術(shù)后，對電子指南針 進(jìn)行了實(shí)際的測量，先將 標(biāo)準(zhǔn)羅盤 水平放置并 按照 每 15為一個(gè)點(diǎn) 在 0到360范圍內(nèi) 劃分 出 24 個(gè)點(diǎn)。 電子指南針在水平情況下 測量這 24 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，之后將指南針在 有俯角 30 和翻滾角 30 的情況下各 測量 24 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 一共三組數(shù)據(jù)，和 真實(shí) 值相比較。其結(jié)果如圖 4， 圖 5 和圖6。 圖 4 水平時(shí)測量結(jié)果 圖 5 俯角 30 時(shí)測量結(jié)果 由圖中可以看到， 電子指南針有比較好的線性度和精度， 測量結(jié)果的誤差很小，測量結(jié)果的絕對 誤差 可 控制在 1 以內(nèi) ，局部誤差 為 2。 分析誤差產(chǎn)生的原因，筆者 認(rèn)為 整個(gè)系統(tǒng)誤差主要由以下因素產(chǎn)生： 首先傳感器 芯片本身在制造時(shí)由于工藝限制會存在 誤差 ，其次，芯片 雖然內(nèi)部三個(gè)軸是正交的，但是無法保證 安裝在 時(shí)和坐標(biāo)軸完全的重合 ，系統(tǒng)標(biāo)定時(shí) 也會產(chǎn)生 人為誤差 。 由于磁阻傳感器是磁敏器件，在實(shí)驗(yàn)室無法完全排除外界 磁場的 干擾。 以上 這 幾 個(gè)誤差可以減少，但是無法消除。 5 結(jié)束語 采用 基于 維磁阻傳感器的電子指南針 具有體積小 ，穩(wěn)定性好， 功耗低， 價(jià)格低廉，使用方便等特點(diǎn)。 相對于基于 兩軸 磁阻傳感器制作的 電子指南針不能在有傾角時(shí)測量缺點(diǎn)，此電子指南針在有傾斜角度情況下能有效補(bǔ)償傾斜角度，給出正確的地磁角度值。采取限幅和均值 濾波方法后精度達(dá)到民用導(dǎo)航設(shè)備的要求。實(shí)踐證明該電子指南針能應(yīng)用于普通導(dǎo)航領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) : 1 邵婷婷，馬建倉 ，胡士峰，等 J007,20(6):13352 鄭玉冰，章雪挺，劉敬彪 子羅盤的設(shè)計(jì)及其誤差補(bǔ)償 J008， 28(2):413 ， 2005. 4 胡修林， 余凱軍， 楊奇