基于MEMS传感器的微小型三维电子罗盘设计

小、 重量 轻 、 度 高 。 了 满足 这 些 需 要 ， 出 了一 种 三 维磁 阻 式 电子 罗盘 系统 ， 加 速度 计输 出信 号 和 经 过 仪 用 运放 放 大 精 为 提 将
后 的磁 阻 式传 感 器输 出信 号 输 入 到 单 片机 的 Ｄ． 过 滤 波算 法 以及 数 据 融合 ． 获得 载 体 的 三 个 姿 态参 数 ： 于地 球 磁 通 可 基
基 于 ＭＥ 感器 的微 小 型 三维 电子 罗盘设 计 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ＭＳ传
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上 海 大 学 机 电工 程 与 自动 化 学 院
２０７ ００２
摘
要 ： 机 器人 和 小型 直 升 飞 机 等 特 殊 控 制领 域 ， 在 需要 有 高精 度 的 运 动 测 量 信 息 作 为 导航 状 态输 入 ， 要 求 体 积 并
场 的航 向 角 ． 于 地球 重 力场 的 横 滚 角和 俯仰 角 实验 结 果 获 得 较 好 的精 度 ． 态精 度 可达 到 １ 。 用 高集 成 度 的微 控 制 基 静 。 利
器 和 ＭＥＭＳ传 感 器 ， 幅 度 缩 小 罗 盘 的 体 积 、 量 、 耗 以 及 成 本 ， 适 合 嵌 入 式 系 统 使 用 。 大 重 功 更
利 用 ＭＥＭＳ 微 机 械 ） 加 速 度 计 ＡＤＸＬ ０ 和 ｆ ２３ Ｃ８ ５ Ｆ １ 以 及 ＨＭＣ１ ０ ／ ０ ２磁 阻 传 感 器 构 建 电 子 ０ １４０ ０ １１ ０
ＯＵ 一） 变 化 ． 直 接 表 示 磁 场 的 强 度 。 分 辨 率 可 达 Ｔ 的 并 ２ １ ． 程 为 一 Ｇｓ至 ＋ Ｇｓ 磁 阻 传 感 器 在 经 历 了 强 ７． ｚ Ｇｓ 量 ２ ２ 。 磁 场 之 后 会 被 磁 化 而 引 起 磁 滞 ． 从 而 引 起 输 出 信 号 的
导 航 系 统 一 般 需 要 一 个 寻 北 系 统 的 辅 助 来 获 得 载 体 的 方 位 角 ． 北 系 统 多 为 基 于 陀 螺 的 系 统 ． 是 陀 螺 仪 造 寻 但
２ １ 磁 阻 传 感 器 ． 本 系 统 采 用 美 国霍 尼 韦 尔 （ ｎ ｙ ｅ １ 公 司 的 Ｈｏ ｅ ｗ ｌ）
失 真 ．霍 尼 韦 尔 磁 阻 传 感 器 的 复 位 ／ 位 功 能 可 以 消 置
除 这种磁 滞． 使 传感 器恢 复到 正常 的工 作状态 。 而
２２ ． 加 速 度 计
罗 盘 ． 利 用 ＭＥＭＳ加 速 度 计 获 取 载 体 俯 仰 角 和 横 滚
角 ．利 用 三 轴 磁 阻 传 感 器 经 过 以 俯 仰 角 和 横 滚 角 为 参 数 的 矩 阵 变 换 后 得 出 航 向 角 ． 具 有 成 本 低 、 响 应 速 度 快 、 度高等 优点 。 精
ＨＭＣ１ ０ ０ １和 ＨＭＣ１ ０ ０ ２磁 阻 传 感 器 组 合 。ＨＭＣ１ ０ ０ １是
一
维磁 阻微 电路 ． ＨＭＣ１ ０ 是 两 维 磁 阻 微 电 路 ［ 。 在 ０２ ２ ］
外 磁场 的作 用下 ． 阻 的变 化 引起 输 出电压 （ 磁 ＯＵＴ 和 ＋
价 昂 贵 ． 积 和 质 量 都 很 大 ， 误 差 随 时 问 积 累 。 在 很 体 且 多 对成 本 、 积 、 量要 求高 的场 合 中 ， 需 小型 化 、 体 质 急 智 能 化 的 姿 态 测 量 系 统
本 系 统 采 用 了 美 国 ＡＤＩ公 司 的 ＡＤ ＸＬ ０ ２ ３双 轴 加
速 度 计 ＡＤ ２ ３是 一 款 高 精 度 、 功 耗 的 ＭＥ ＸＬ ０ 低 ＭＳ 双 轴 加 速 度 计 ． 有 信 号 可 调 的 电压 输 出 ， 出 量 为 一 个 具 输 与 加 速 度 成 比 例 的 模 拟 电 压 信 号 ． 直 接 进 行 ＡＤ 采 可 ／ 样 ． 例 系 数 达 到 １０ ０ ｍＶ／ 。 加 速 计 既 可 测 量 动 态 比 ０ ｇ该
本 系 统 采 用 Ｓｌ ｏ 公 司 的 Ｃ ０ Ｆ １ ｉｃｎ ｉ ８ ５１ ４ ０微 控 制 器 。
永 远 指 向 磁 北 极 ． 此 可 确 定 罗 盘 系 统 的 方 向 …。 由 传 统 的 飞 行 器 ． 过 ３个 角 度 ： 向 、 仰 和 横 滚 ， 通 航 俯
定 义 了姿 态 参 数 这 些 角 度 都 是 参 考 本 地 水 平 面 ， ： 即 垂 直 于 地 球 重 力 矢 量 的 平 面 ， 图 １所 示 。 航 向 ， 当 如 在 地 的 水 平 面 上 。 时 针 方 向 测 量 ， 真 实 北 极 （ 球 的 顺 与 地 两 极 轴 ） 夹 角 。 俯 仰 ， 行 器 的 纵 向 轴 和 当地 的 水 平 的 飞 面 之 间 的 夹 角 横 滚 ． 于 飞 行 器 的 纵 向 轴 的 角 度 ， 关 是 当地 的 水 平 面 与 实 际 飞 行 姿 态 之 间 的 夹 角 。
加 速度 ． 可 以用来 实现 诸 如重力 加 速度 的静态 测量 ， 又 静 态 测 量 时 可 以替 代 倾 斜 角 传 感 器 进 行 倾 斜 测 量 。
２． ３ 微 控 制 器
１ 背 景 知 识
地 球 的 磁 场 强 度 为 ０ ５ ０ ６ Ｇｓ （ ＝ ０ ４Ｔ 。 ． ～ ． ， １ Ｇｓ １ － １ 与 地平 面平 行 ． 远 指 向磁 北极 ． 场 大致 为双 极模 式 ： 永 磁 在 北 半 球 ． 场 指 向下 ． 道 附 近 指 向 水 平 ， 南 半 球 ， 磁 赤 在 磁 场 指 向上 无 论 何 地 ． 球 磁 场 的 方 向 的 水 平 分 量 ， 地
关键词 ： 子罗盘 电
磁 阻传 感 器
数据融合
嵌 入 式 姿态 检 测
中 图分 类 号 ：Ｍ９ ６ Ｔ ３． ６
文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ０ ４ ９ ｆ０ １０ — ０ ０ ０ １０ — ９ ８２ １）４ ０ ４ — ４
传 统 的 姿 态 测 量 系 统 包 括 捷 联 式 惯 性 导 航 系 统 普 遍 具 有 体 积 大 、 量 大 、 杂 程 度 高 等 特 点 ， 传 统 的 重 复 使 姿 态 测 量 系 统 无 法 日 常 应 用 同 时 ． 统 的 捷 联 式 惯 性 传