平面电子罗盘的误差分析及补偿方法
罗盘修正位置的原理和方法
罗盘修正位置的原理和方法
罗盘修正位置是在航海、航空和导航等领域中常用的一种手段，目的是校正罗盘的偏差，使其指向真北方向。
罗盘在使用过程中可能会受到磁场干扰或机械装置的偏差，因此需要进行修正。
罗盘修正位置的原理是通过观测罗盘指针与实际真北方向之间的夹角差异，进行相应的调整来校正罗盘的位置。
一般来说，校正罗盘位置的方法主要有以下几种：
1. 磁场修正：磁场是罗盘误差的主要因素之一，可以利用磁场修正进行校正。
通过观测罗盘指针与磁南极之间的夹角差异，可以计算出修正量，并相应调整罗盘位置。
2. 重力修正：重力也会对罗盘的指向产生影响，特别是在舰船或飞机等运动中，可以利用重力修正进行校正。
通过观测罗盘指针与地平线的夹角差异，可以计算出修正量，并相应调整罗盘位置。
3. 角度修正：角度误差也是导致罗盘指向偏差的原因之一，可以利用角度修正进行校正。
通过观测罗盘指针与其他已知方向之间的角度差异，可以计算出修正量，并相应调整罗盘位置。
需要注意的是，具体的罗盘修正方法和步骤可能会根据不同的设备和应用场景而有所不同。
根据具体情况选择合适的修正方法，并根据实际观测数据进行相应的
调整，才能准确地修正罗盘位置。
三轴电子罗盘的设计与误差校正
ｃ ｍｐ ｎ ａｅ ｗ ｉｈ ｅｆ ｃｉｅｙ ｒ ｄ ｃ ｓｔ ｅ ｅ ｏ ． ｉ ｃ ｌ ｒｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ａｓ ｆ ｃｉ ｅ ｆｒｔ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｔｄ， ｈ ｃ ｆ ｔ ｌ ｅ ｕ ｅ ｈ ｌ ｒ Ｔ ｓ ａｉ ａ ｉ ｔ ｏ ｓ ｌ ｅｆ ｔ ｏ ｈ ｏ ｅ ｓ ｔ ｆ ｅ ｖ Ｔ ｈ ｂ ｏ ｏ ｅ ｖ ｏ
数字电子罗盘误差分析及校正技术研究
平均误差 7’ #/. （ 均方根） ! 注： 表中方位测量单位为度， 目标真值使用方向机测量， 测量 精度优于 $ 189， 车头指向与初始校正方向一 致时， 误差较小； 如果车头指向与初始方向不一致时， 误差将增大， 特别是相差 "/-. 时， 误差最大可达 "4. ， 测量结果基本不能使用。 传统的校正技术是假定：
如果车头指向与初始方向不一致时误差将增大特别是相差180误差最大可达16则载体在原地旋转一周后测量数据在水平面的投影分量服从正圆分布经过多次试验验证当车载平台在某一指向校正如果车载平台的指向与校正方向差值小于30则平台指向变化对测量精度的影响较小因此在实际使用时可使用罗盘测量出载体平台的概略指向作为计算补偿量时的输入值数据处理流程使用式对电子罗盘输出值进行补偿的步骤和流程如下使用侦察设备的电子罗盘测量装载平台指向的概略方位为软铁磁场在xy轴上的投影分量但实际情况并非如此尤其是在本例中罗盘与平台之间存在相对运动导致软铁和硬铁的磁场强度的大小和方向不能够维持恒定加之实际应用时车载平台的指向是随机的导致了标定环境的磁场分布和使用环境的磁场分布不一致使标定失效测量精度变得非常差考虑装载平台指向补偿因素的校正方法假定未受干扰的地磁场在则目标方位角的真值应为瞄准目标记录电子罗盘输出值标定时需要注意以下几点用于标定的目标数量应不少于18并均匀分布在以观察中心为圆心的周边每隔30或更小测一组数据2台侦察设备分别安装在车载平台上然后应用本文给出的校正补偿方法对设备的补偿系数进行rctan为了得到目标方位角的真值必须从罗盘的输rctanrctan
盘生产商建议尽量移去罗盘附近的软铁物质， 然后对 硬铁物质进行校正。 ! ’ !# 特殊应用模式下的校正技术 #’ #’ "! 应用背景 电子罗盘置于某侦察设备中， 侦察设备的装载平 台为轻型越野车， 侦察设备能相对于车载平台进行方 位巡航和俯仰运动。通过测量侦察设备与目标之间的 距离以及观察光轴与目标之间的方位与俯仰角， 解算 出目标的地理坐标。为保证解算精度， 罗盘的定向精 （ 均方根） 。 度应优于 ". #’ #’ #! 运用简单校正方法的误差校正技术 一般情况下， 当罗盘使用于车载平台中时， 可采用
电子罗盘的倾斜及罗差补偿算法研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌ ｎ ｖ ｒ ｎ ｅ ｒ ｒＣｏ ｐｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔｏ ｉ ｍ ｐａ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｉｔａ ｄ Ｅｎ ｉｏ ｍ ｎｔＥｒ ｏ ｍ ｎｓ ｔｏ ｆＥｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｃｏ ｓ
Ｓ ＨＡＯ Ｔ ｎ —ｉｇ， ｉｎｃ ｎ ， ｉｇ ｔ ｎ ＭＡ Ｊ ａ —ａ ｇ ＨＵＳ ｉ ｅ ｇ， ｈ一 ｎ ＷＡＮＧ Ｃ ａ ｛ ｈ ｏ
电子 罗盘是 一种 重要 的导航 定 位工 具 ， 能实 时 提供运 行物体 的航 向和 姿 态． 在使 用 过 程 中周 围磁
场环境的影响， 会使罗盘系统的精度和稳定性大大 下降 ， 正这些 误 差仅 仅 通 过 硬件 措 施 不 能很 好 的 修 解决 ， 还必须借助有效的软件补偿方法才能完成． 本 文 涉 及 的 电 子 罗 盘 是 基 于 磁 阻 传 感 器 和
Ｋｅ ｒ ｓ ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｃ ｍｐ ｓ ；ｅ ｒ ｒ ａ ａ ｙ ｉ ；ｅ ｖ ｒ ｎ ｅ ｔｅ ｒ ｒｃ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌｃ ｒ ｎ ｃ ｏ ａ ｓ ｒ ｏ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ｒ ｏ ｏ ｅ ｓ ｔ ；Ａｒｔ ｍｅ ｉ ｏ ｉｈ ｔｃ
ｄ ｔ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｘｍ ｕ ｅ ｒ ｒｉ ｄ ｏ ｒ ｍ ５ ５ ｔ 。ｅ ｅ ｅ ｔｒ ａ ａｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅｍａ ｉ ｍ ｒｏ ｓ ｒ ｐ ｆｏ ３ ． 。ｏ ３ ｖ ｎ ｂ ｔｅ ，ｗｈ ｎ ｔ ｅｃ ｍ ｐ ｓ ｙ ｔｍ ｓｃ ｍ— ｅ ｈ ｏ ａ ｓｓ ｓｅ ｉ ｏ ｐ ｎ ａｅ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｎ ｗｈｃ ｈ ｒ ｃｓｏ ｉｎ’ ｃ ｉｖ 。ｏ ｅ ｔｒｗａ ｌｏ ｅ ｐａｎ ｄ ｎ ｈ ｘ ｅ ｉ ｅ ｓ ｔｄ ｅｒ ａ ｏ ｉｈ ｔ ｅ ｐ ｅ ｉｉｎ ｄｄ ｔａ ｈｅ ｅ １ ｒｂ ｔｅ ｓａｓ ｘ ｌｉｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ— ｍｅ ｔｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅｃ ｍ ｐ ｓ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｍｍｏ ａ ｉａ ｉｎ ｆ ｌ． ｎ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｏ ａ ｓｓ ｓｅ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｉ ｏ ｎ ｎ ｖｇ ｔ ｉ ｄ ｏ ｅ
电子罗盘倾角补偿和干扰补偿的理论分析及试验验证-传感技术学报
对于电子罗盘探测系统而言,无论结构形式的 差别有多大,其实际工作的数学模型可以简化为二 维空间[1-4] 的数学计算,其简化模型如图 1 所示。
定义 X 轴方向为电子罗盘的前进方向,其与磁 北方向的夹角为地磁航向角 茁,与地理北极的夹角
收稿日期:2012-02-29摇 摇 修改日期:2012-08-17
图 1摇 电子罗盘二维数学模型
为地理航向角 鬃,Y 轴垂直于 X 轴。 如图 1 所示。
因此 酌 = 茁依鬃,其中 酌 为磁偏角,当为“ +冶 时表示磁
北方向与真北方向左偏移,当为“—冶 时表示磁北方
向与真北方向右偏移。 图 1 为电子罗盘前进方向与
磁北方向左偏移的情况。 已知磁偏角 酌,求出地磁
航向角 茁,即可以求出地理航向角 鬃。 此时只要利
第 25 卷 第 9 期 2012 年 9 月
传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS
Vol. 25摇 No. 9 Sep. 2012
Theoretical Analysis and Experimental Verification of the Electronic Compass Tilt Compensation and Disturbance Compensation
的大小,再结合 Z忆轴测出的磁场分量,根据矢量三 角形,可折算到地理坐标系下磁场强度 Hx 和 Hy,其 计算公式为:
{Hx = H忆xcos准+H忆ysin兹sin准-H忆zcos兹sin准 (2) Hy = H忆y cos兹+H忆zsin兹 求出 Hx 和 Hy 之后, 按照二维模型的计算式 (1)即可求出地磁航向角 茁。 2. 2摇 干扰补偿[1-4] 电子罗盘工作中不可避免的受周围电磁场干扰 的影响,也即电子罗盘实际测量到的磁场是受干扰 的,根据工程经验,我们把干扰可以分为两类,即硬 磁失真和软磁失真。 硬磁失真来源于电子罗盘周围 稳定、静态的磁场干扰,软磁失真来源于周围不稳定 交变的磁场干扰。 磁场的失真会导致电子罗盘测出 来的 XYZ 轴磁场强度发生不同 程 度 的 偏 移 形 变。 测量的磁场强度经过极坐标变换可以得到如图 4 所 示曲线图,其中图 4( a) 为无干扰失真输出曲线,图 4(b)为硬磁失真,图 4(c)为软磁失真。
一种AMR磁罗盘的误差建模与校准方法
一种AMR磁罗盘的误差建模与校准方法AMR(Anisotropic Magnetoresistance)磁罗盘是一种常用于检测磁场的传感器。
它的工作原理是基于反铁磁材料的自旋极化效应，当外加磁场改变时，AMR磁罗盘的电阻值也会发生变化。
然而，由于制造过程中存在一些误差，磁罗盘的测量结果可能存在一定的偏差。
为了提高磁罗盘的精度和准确性，需要对其进行误差建模与校准。
1.静态校准：静态校准主要是对零位漂移进行校准。
通过在不同的磁场条件下对磁罗盘的输出进行测量，得到零位漂移随磁场的变化曲线。
然后根据曲线的特征，使用合适的函数进行拟合，并得到修正系数。
通过在实际测量中使用修正系数，可以减小零位漂移对测量结果的影响。
2.温度补偿：由于AMR磁罗盘的电阻值随温度的变化而变化，需要进行温度补偿。
通过在不同温度下对磁罗盘的输出进行测量，并得到温度和电阻值之间的关系曲线。
然后在实际测量中，根据磁罗盘的温度值，使用曲线来修正磁罗盘的输出值，以消除温度对测量的影响。
3.非线性校准：AMR磁罗盘的输出与磁场之间并不是线性关系，存在一定的非线性误差。
为了消除非线性误差，可以通过在不同磁场条件下对磁罗盘的输出进行测量，并得到非线性误差随磁场的变化曲线。
然后使用合适的函数对曲线进行拟合，并得到修正系数。
在实际测量中，通过使用修正系数来消除非线性误差。
4.极性校准：AMR磁罗盘的输出值与磁场的方向有关，存在极性误差。
为了校准极性误差，可以通过在不同磁场方向下对磁罗盘的输出进行测量，并得到极性误差随磁场方向的变化曲线。
然后使用合适的函数对曲线进行拟合，并得到修正系数。
在实际测量中，根据磁罗盘测得的磁场方向值，使用修正系数来消除极性误差。
浅析电子罗盘原理与误差分析
Hot-Point Perspective热点透视DCW151数字通信世界2019.07罗盘，在我国又被称为指南针，又名罗经仪，在近代主要用于航海，对于新大陆的发现和全球化运动发挥了重要作用。
然而在今天的工业和社会生活中，罗盘主要用来导航。
GPS 也也就是全球卫星定位系统，是目前使用最广的一种导航定位手段，但是它的信号经常被地形和地面的物体所阻挡，使得精度大幅度降低，特别是在植物茂密的森林和高楼林立的城市地区，GPS 信号的实用性仅有60%。
定位结果误差较大将导致设备无法正常工作。
电子罗盘是一种能探测航向角或其他的姿态的装备，该装备在日常生活中发挥着很重要的作用，它应用了地磁场和重力加速度电子罗盘结合GPS ，能有效弥补GPS 的缺陷，实现复杂地形环境下的精确定位导航。
因此，本文介绍了一种基于磁阻传感器HMC1022的电子罗盘的基本测量原理和误差分析。
1 地磁场简介和测量原理外源变化磁场、地核主磁场、感应磁场，以上四种磁场大体组成了地磁场。
地核主磁场所占的比重最大，百分比是95%；感应磁场以及外源变化磁场占的比重最少，仅仅只有1%；地核磁场所占的比重稍微比感应磁场多一些，高出3%，比重为4%。
我们可以设想地球内部存在一磁铁，磁铁的中心正好和地心相重合。
这样，无论在地球内部或是外部都存在许多的磁力线，在地球内部线从地球北极出发指向南极，在地球外部南极发出磁力线，最终都回到北极。
地磁场存在于三维空间内，是一个矢量场。
为了形容地磁场的散布特征，可以把观测点作为原点建立一个三维坐标系，该坐标系的三个轴x 、y 、z 轴的正向分别代表的方向是：地球的北方向、地球的东方向、在观测点处垂直向下的方向。
Z 、X 、Y 是三个磁场分量，Z 是垂直向下的，X 是指向北方向的、Y 是指向东方向的。
磁倾角、水平强度、磁偏角、总强度称为四要素，该四要素在地磁场的研究中发挥着不可替代的作用。
其中，I 表示磁倾角，该夹角存在于水平面与总矢量之间；H 是水平强度，它是地磁场的水平分量；D 表示磁偏角，存在于地球正北方向和H 之间。
测绘技术中的罗盘测量方法与技巧
测绘技术中的罗盘测量方法与技巧罗盘测量是测绘领域中常用的一种测量方法，它利用磁性罗盘的方位信息来确定测点的坐标或方位角。
在实际工作中，罗盘测量的准确性和精度对测绘结果具有重要影响。
本文将介绍罗盘测量的基本原理、常见误差源以及提高测量精度的技巧。
一、罗盘测量的基本原理罗盘测量基于地球磁场的特性，利用磁性罗盘指示磁场方向来确定测点的方位。
罗盘通常由一个可旋转的磁针和刻度盘组成，磁针指向的方向与地磁场指向的方向基本一致，通过读取刻度盘上的度数来确定罗盘指向的方位。
二、常见误差源及对策1. 磁场干扰：地球上存在各种磁场干扰源，如电线、金属物体等。
这些干扰会使罗盘指向产生偏差，影响测量的准确性。
为了减小磁场干扰，可以远离干扰源，如果无法远离，可以采用迫近法，即将罗盘平移到距离干扰源较远的位置进行测量。
2. 不平衡：罗盘在测量过程中可能存在不平衡现象，即罗盘臂长或读数盘与管理盘的水平度不同。
为了消除不平衡误差，可以进行罗盘校正，校正方法可以通过在罗盘上放置调平器进行调整。
3. 垂直度：罗盘的读数盘与水平面的角度不一定恰好为零，这会导致方位角的偏差。
为了减小垂直度误差，可以采用水平仪进行校正。
4. 磁针磁性不均匀：罗盘磁针的磁性不均匀会引起指向的不准确。
为了解决这个问题，可以在不同方位进行多次测量，并取平均值来减小误差。
三、测量精度提高的技巧1. 罗盘放置：在进行测量时，应尽量确保罗盘平放，避免摇晃或倾斜。
放置时应用手轻轻触碰罗盘底座，使其保持稳定。
2. 距离控制：罗盘测量的精度受到距离的影响，距离越远测量精度越低。
因此，在进行罗盘测量时，应控制测点距离罗盘的距离，在合适的范围内进行测量。
3. 多次测量：为了提高测量的准确性，可以多次测量同一测点，并取测量值的平均数作为最终结果，以减小随机误差的影响。
4. 角度读取：在读取罗盘的刻度时应尽量准确，避免读数误差。
可以采用放大镜或对线板等辅助工具来提高读数的准确性。
电子罗盘的倾斜及罗差补偿算法研究
关键词: 电子罗盘; 误差分析; 罗差补偿; 算法 中图分类号: TP212. 9 文献标识码 : A 电子罗盘是一种重要的导航定位工具 , 能实时 提供运行物体的航向和姿态. 在使用过程中周围磁 场环境的影响, 会使罗盘系统的精度和稳定性大大 下降 , 修正这些误差仅仅通过硬件措施不能很好的 解决 , 还必须借助有效的软件补偿方法才能完成. 本文涉 及 的 电子 罗 盘 是 基 于磁 阻 传 感 器 和 MEM S 加速度计研制的, 经过数据预处理和算法补 偿后的罗盘系统精度可以达到 3 , 进一步改进有望 达到 1 , 该罗盘结构简单、 体积小、 重量轻, 实 验表 明, 该系统可用于普通导航领域.
3
结束语
根据实验数据可知 , 电子罗盘系统的精度并没
co s
1
sin( 2
1
)
cos( 2 )
1
U=
sin
1
24
cos
24
sin ( 2 A B
24
)
co以内 , 这是因为影响精度的另一因素 第一类误差在本文中并没有进行补偿. 对于第一类 误差的补偿 , 可利用无磁转台将电子罗盘样机旋转 一周得出相应的偏置在软件中计算补偿即可[ 8] . 该 电子罗盘系统成本低、 体积小、 功耗低; 利用地球磁 场测量航向 , 实现无接触测量, 寿命长; 采用有效的 数据预处理算法, 稳定性高; 利用现场的采样数据, 构造罗差数学模型, 采用最小二乘法计算罗差补偿 系数, 补偿效果良好, 精度较高. 实验证明 : 该系统可 用于普通导航领域 , 并且有望做到 1 以内. 参考文献:
2
2
数据预处理与罗差补偿
由于地磁场强度较小, 传感器输出信号的信噪 比就比较小, 为了保证 A/ D 采样的稳定性, 需要对 从传感器获得的信号进行降噪处理 . ( 1) 信号预处理 电子罗盘系统由 A/ D 采样获得的信号, 除有用 信号外, 还夹杂着许多噪声 , 为保证信号的准确性 , 必须在运算处理之前对信号进行预处理, 以消除部 分干扰信号. 考虑到单片机的处理能力以及罗盘系 统的实时性等问题, 本文采用中值滤波算法[ 4] . 具体 分析如下 . 对由 A/ D 采样的数据( 共采 9 个数据 ) 首先去 除最大值最小值 , 剩余数据记为 x ( 1) 、 x ( 2) 、 x ( 3) 、
电子罗盘的工作原理及校准方法
电子罗盘的工作原理及校准方法ST集成传感器方案实现电子罗盘功能电子罗盘是一种重要的导航工具，能实时提供移动物体的航向和姿态。
随着半导体工艺的进步和手机操作系统的发展，集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大，很多手机上都实现了电子罗盘的功能。
而基于电子罗盘的应用（如Android的Skymap）在各个软件平台上也流行起来。
要实现电子罗盘功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。
随着微机械工艺的成熟，意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH，方便用户在短时间内设计出成本低、性能高的电子罗盘。
本文以LSM303DLH为例讨论该器件的工作原理、技术参数和电子罗盘的实现方法。
1. 地磁场和航向角的背景知识如图1所示，地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。
在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。
用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。
随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。
需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。
图1 地磁场分布图地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。
如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图2所示。
图2 地磁场矢量分解示意图实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。
罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。
由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以用式1计算出航向角。
当罗盘水平旋转的时候，航向角在0?- 360?之间变化。
2．ST集成磁力计和加速计的传感器模块LSM303DLH2.1 磁力计工作原理在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。
罗差补偿方法的探究分析
• 58•磁阻式电子罗盘主要由磁阻传感器作为地磁敏感元件构成，是通过测量地球弱磁场来确定方向的装置，环境磁场的干扰不可避免，又由于制造、安装等带来的误差将严重影响磁场的测量精度，磁阻电子罗盘误差主要有三类。
（1）制造、安装产生的系统自身误差，制造产生的误差主要有磁阻传感器自身的测量轴灵敏度不同导致的轴灵敏度误差，传感器电路电桥零位偏置误差，传感器测量轴没有绝对正交产生的非正交误差。
安装误差主要是安装磁阻传感器时其三个测量轴无法分别与电子罗盘载体平面的纵、横、竖三轴平行以及磁阻传感器组成的正交坐标系与加速度计组成的正交坐标系不重合引起的坐标系误差。
（2）磁阻电子罗盘工作环境影响产生的误差，主要是指地球磁场与周围铁磁材料、电子设备等产生的环境磁场相叠加，形成复杂的电子罗盘工作环境，导致磁阻传感器不能正确感应地球磁场而产生的航向误差，即罗差，并且罗差是影响磁阻电子罗盘精度最主要的因素。
（3）姿态角解算误差，电子罗盘载体在有俯仰、翻滚角等姿态角信号的时候，航向角平面坐标系中的磁场分量是运用俯仰角和翻滚角求解而来，因此由于俯仰角和翻滚角的误差而叠加解算误差亦影响到罗盘的测量精度。
基于磁阻式电子罗盘的设计，作者针对罗差的产生原因介绍了常见的罗差补偿处理方法，并运用数学理论提出了椭圆拟合补偿法。
1 罗差补偿方法分析罗差产生的原因归根结底是由于磁材料引起，根据干扰磁场的方向和大小的变化情况可分为硬磁材料和软磁材料。
硬磁材料类似永久磁铁，它使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方向排列，因此无论载体如何变化，电子罗盘三个轴上磁阻分量的磁场合量是不变的，它产生的误差随航向角在0o ～360o 之间变化而变化。
硬磁材料引起的罗差可以近似的表示为：（1）其中，为补偿前磁阻电子罗盘的航向角，B 、C 为硬磁材料引起的罗差补偿系数。
软磁材料本身易于磁化，它被环境磁场磁化后会形成磁场叠加，因此对磁阻传感器的输出产生影响，它引起的误差随环境磁场的变化而变化，该误差可分解为大小和方向均不变的圆周误差和与成近似正弦曲线的象限误差。
罗盘误差修正.
罗盘的检验与误差纠正“风水罗盘的校验与误差纠正”这是当今所有风水大师和所有风水爱好者的必修课。
很多“风水大师”和“风水写书人”都会说：“一度之差，天壤之别，吉、凶两重天”，但你能肯定你的罗盘没有“角度指示误差”吗？你是如何认定的呢？你如果不知道罗盘会有什么样的经常被人们忽略了的但却是“很重要的误差”，你那“大师”怎么当的？都是忽悠罢了？在当今，中国传统文化的光辉重新普照大地之时，风水设计和风水勘测已经被更广大的民众所了解和认可，很多人也开始学习并涉足于其中。
风水学，在其实际应用中，最关键之处就在于“对坐向方位的勘测”，所必需的首要工具，当然首选专业的“风水罗盘”。
但在用罗盘来进行实地勘测操作时，很多风水师（或者风水学学习爱好者）会发现，对同一个被勘测的对象，在同一个位置，以同样的方法，用不同的罗盘进行测量时，往往几个罗盘所测得的结果相互之间的坐向角度值（度数）总会有些不一样，存在一些误差，到底以哪一个罗盘的数据为准呢？大家都莫终于是，即便换人来测也是如此，而且往往在很多时候就这么一两度之差，就是“吉”、“凶”两重天，到底该如何来评判呢？这常常会给人一种不好的印象，似乎只能由风水大师各说各有理了，谁说了都算又都不算，让人们无所适从了。
这种现象势必会影响风水学的可靠信和可信度了。
这个问题出在哪里呢？我们先不论个人操作方法的对错以及技术上的熟练与否，先来谈一谈罗盘本身。
在我们忽略了使用者个人的人为误差之后，问题的主要根源也就在于“罗盘的“制造误差”上”了。
理论上，一个精准的罗盘，它的外盘（正方形底座）上的“十字型指标线的十字心（交叉点）”与内盘（转盘）的旋转轴心线应该是能重合的，以此同时，内盘中央的“指南针表盘”之“米字线”之中心点也应该与内盘（转盘）之“旋转轴心线”重合，而且指南针的“指针之转轴”也应该与“转盘的旋转轴心线”重合，指南针表盘内的米字线之“北、东、南、西正十字线”要正对内盘（转盘）360度分度的“0°”、“90°”、“180°”、“270°”刻度，不仅如此，旋转内盘时，还要求外盘（正方形底盘）上的“十字形指标线”必须能够同时正压在内盘（转盘）圆周360度分度的“0°”、“90°”、“180°”、“270°”刻度线上，不能有偏差，无论从哪个方向旋转内盘，无论旋转多少次都必须如此能够回到这样的状态。
磁罗盘的误差分析及补偿
2 磁罗盘方向测量误差分析 导致磁罗盘方向测量系统产生误差的
因素很多，但是 总的来说可以分为两类：一 是 测 量 环 境 和 铁 磁 材 料对磁 传感 器所感 测 的局 部 地 磁 场 的 影 响；二 是 测 量 系 统自身 存 在 的 误 差。磁 干 扰可细 分 为 硬 磁 干 扰 和 软 磁 干 扰，硬 磁 干 扰 就 是 磁 罗盘 上 的永 久 磁 铁 或 磁 化钢 形成 的 磁 场，软 磁 干 扰 就 是 由于 软 磁 材 料本 身并不 产生 磁 场，但有 时 因为其导磁率较高从而使得其所存在的环 境 的 磁 场 强度 分布发 生畸 变。如 果 软 磁 材 料尺寸 相 对 较 大 或 者 距离 磁 罗盘较 近 时， 就 会 对周围 地 磁 场产生 影 响，从 而 导 致 磁 罗盘 对 地 磁 矢 量 的 检 测出现偏 差，影 响 磁 罗盘 的 方位 解 算。仪 表误 差 就 是由多轴 磁 传感 器 的 非正交 安 装、零 位 和灵 敏 度 等 不 同 而引起 的 误 差。零 位 误 差 是因传感 器、 模拟电 路和A/ D转换的零点不为零而引 起 的。灵敏 度 误 差实 际上 就 是由于 传感 器 的灵敏度和电路放大倍数等的差异而引起 的。在 很 多 磁 罗 盘 方 向 测 量 实 验 当中，磁 罗 盘 的 精 确 度并不是 非 常 的 精 确，因为 影 响 磁 罗 盘 方 向 测 量 的 因 素 很 多，而 且 只有 在 理 想 情况下，磁 罗 盘 方 向 测 量 才是 准 确 的。
3 磁罗盘方向测量误差补偿 基于磁罗盘以地磁场为基础的工作原
理，针对 传 统 的 磁 罗盘 校 准 时 容 易 受 到 外 界 干 扰、标 定 校 准 等诸多因 素 的 影 响 而出 现 的 误 差，很 多 学 者 都 提 出了对 于 磁 罗盘 测 量 误 差 的 校 准 方 法。一 般 来说，对 于 磁 罗盘 方向测 量首先 都 会 建 立 数 据 模 型，通 过 建 立一 个用 矩 阵 方 程 描 述 的 磁 罗盘 方位 指 向 输出的 精 确 测 量模 型，根 据 数 据 模 型 的各因素影响程度大小来改变不同标量 和 矢 量，通 过 建 立 起 来 的 数 据 模 型中的公 式 ，得 出 磁 罗 盘 方 向 测 量 的 解 算 值，从 而 得 到 不 同 的 结 果，我们 会 发 现 解 算值 的 最 终 结 果 都 会 随 着 参 数 的 不 同 而 产生一定 的 误 差。然 而 通 过 这 些 实 验 证明了目前广 泛 使 用的几 种罗盘 指 向解 算 模 型 仅 是 上 述 精 确 测 量 模 型 在 不 同 特 定 条 件下 的 简 化 或 泛 化，并 没有 真 正 意 义 上 的另辟 蹊 径，找 到 真 正 解 决 解 算 测 量 误 差 的 方 法。若 要真正 的
电子罗盘水平状态下航向角误差补偿算法的研究
电子罗盘水平状态下航向角误差补偿算法的研究贺云凯;刘卫玲;韦啸;段晋军;常晓明【摘要】针对电子罗盘测量时存在传感器的零位、灵敏度误差和干扰磁场引起的航向角误差问题,应用一种航向角误差补偿算法进行校正;在分析了电子罗盘航向角测量的工作原理、航向角误差形成原因的基础上,详细阐述了该补偿算法的实现原理,并通过LbVIEW软件仿真验证;同时设计了两种测量方案和测试系统,利用HMC1043芯片的电子罗盘进行多次实测验证并得出结论;实验结果表明:补偿后电子罗盘测量的航向角误差在4.5°以内;该补偿算法补偿效果良好,实现简单.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2014(022)008【总页数】3页(P2515-2517)【关键词】电子罗盘;HMC1043;补偿算法;LabVIEW【作者】贺云凯;刘卫玲;韦啸;段晋军;常晓明【作者单位】太原理工大学计算机科学与技术学院,太原030024;太原理工大学物理与光电工程学院,太原030024;太原理工大学计算机科学与技术学院,太原030024;太原理工大学计算机科学与技术学院,太原030024;太原理工大学计算机科学与技术学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言随着科技的进步，近年来智能探测技术得到了广泛的应用，其中电子罗盘广泛应用于方位识别领域。
电子罗盘是传感技术和电子技术结合的产物，是利用地磁与磁阻传感器相互作用的原理计算航向角。
目前应用广泛的是磁阻式电子罗盘，它具有抗震性、测量精度高等优点，但是易受到除地磁场之外的其它磁场等因素的干扰，导致测量的航向角产生误差。
如何实时有效地消除或尽量减小外界干扰磁场对电子罗盘精度的影响，是保证电子罗盘能够广泛应用的关键所在［1］。
本文在理论分析的基础上，针对电子罗盘应用中存在的零位误差、灵敏度误差和干扰磁场引起的罗差，采用一种补偿算法，通过软件仿真和实际测量验证补偿算法的可行性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词：内窥镜机器人；电子罗盘；误差分析；罗差补偿；最小二乘法
中图分类号：ＴＨ ７１２
文献标志码：Ａ
Ｅｒｒｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐａｓｓ
ＭＡ Ｃｈｅｎｇ—ｙａｏ， ＱＩＡＮ Ｊｉｎ—ＷＵ， ＳＨＥＮ Ｌｉｎ－ｙｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｙａ—ｎａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎ曲ａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｉＩＩｌｉｌａｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ ｒｏｂｏｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ；ｅｒｒｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ
向
图３ 电子罗盘角度关系示意图
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｇｌｅｓ
２罗差补偿原理
硬铁干扰产生于永久磁铁或被磁化的金属，这 些干扰与罗盘的相对位置固定，在罗盘的输出值上 增加了一个定值．由于磁阻传感器较小，所以硬铁产 生的磁场在传感器周围均匀分布，产生的合成磁场 的分量是不变的，它所造成的误差近似于正弦曲线，
万方数据
第２期
马成瑶，等：平面电子罗盘的误差分析及补偿方法
１８７
器来测量内窥镜手柄即系统基准的俯仰角和横滚角， 运用电子罗盘测量其方位角．在此多传感器检测系统 中，由于测量原理的原因，电子罗盘的测量误差最大， 如何分析和补偿这种误差成为提高系统精度的关键． 目前，对电子罗盘受硬铁干扰后的校正技术，一般采 用将罗盘水平旋转一周，求解出圆心偏移量，然后在 罗盘读数中减去该偏移值，从而消除硬铁干扰影响， 类似补偿算法已经被集成到电子罗盘的多点控制单 元（ＭＣＵ）中．这种自差粗校正只能对硬铁的静态磁场 干扰进行补偿．对软铁干扰的补偿计算量很大，有基 于椭圆假设和罗差补偿系数计算等多种方法∞圳．
感知系统采用基于光纤光栅传感的智能形状感
知技术．该系统的基准主要是通过与传感网络相固 联的定位块来提供定位保证，基准定位块与内窥镜 手柄固联．在实际应用中，内窥镜的手柄随着医师的 操作时刻变化，那么固联在手柄上的系统基准也在 发生变化．所以必须实时检测系统基准定位块的空 间姿态，才能获得整个内窥镜系统相对于固定坐标 系的实时信息¨…．
１ 电子罗盘的工作原理及误差分析
要分析电子罗盘的误差，首先要研究平面电子 罗盘的工作原理．电子罗盘有２个相互垂直的轴，分 别为ＯＸ轴和ＯＹ轴，如图１所示．
彩 ｜Ⅳ。
≯Ｘ
／ Ｄ／
＼
心ｙ
＼ｒ
Ｆｉｇ．１
图１方位角测量原理图 Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｅａｄｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
沿两轴分别安装２个测量磁场分量的磁传感器 ＳＸ和ＳＹ．ＯＮ为磁北方向，电子罗盘测得的磁方向
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｌａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｅｉＴｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌＴｏｒ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌｏｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ，ａ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ａｚｉｍｕｔｈ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｏ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ
从表１中可以看出，在罗差补偿系数的计算过 程中，随着采样位置的增加，所算得的罗差补偿系数
也更优，在ｃ４，ｃ。，ｃ１２，ｃ２４中ＣＭ最优．所以，采用ｃＭ 作为最终罗差补偿系数形成罗差方程，应用该方程 对电子罗盘的输出方位角进行罗差补偿，数据计算 结果如表２所示．
由外部角度测量系统提供方位基准获得理论方 位角咖。．电子罗盘标定装置水平旋转，在００～３６０。 之间平均取点，每间隔１５。取１点，共取２４个采样点 来进行实验，实验装置如图４和图５所示．
将式（３）以矩阵的形式表示为
图５电子罗盘及外部码盘实物图 Ｆｉｇ．５ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ ａｎｄ ｅｎｃｏｄｅｒ
（上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２）
摘要：介绍平面电子罗盘的工作原理，分析平面电子罗盘在安装和工作中可能存在的误差及其来源．分析罗差的产
生和构成．在此基础上构造罗差方程并应用最小二乘法进行罗差补偿．通过这种补偿，电子罗盘的最大误差降到ｌｏ
以内．实践证明，这种罗差补偿方法具有一定的普遍应用价值．
角定义为从ＯＮ到ＯＸ顺时针转过的角度，用沙表 示．设地磁场的水平分量为峨，则磁传感器ＳＸ和 ＳＹ测出的磁场分量为
Ｈｌ＝ＨＯＣ０８巾，Ｈ，＝一ｔｔｏｓｉｎ巾，
，Ⅳ、
式中，砂为磁方位角，砂＝一ａｒｃｔａｎｆ≥１．驴是同磁北
、１－１，／
方向的夹角，要通过磁偏角的补偿才能得到同真北 的方位角．地磁场强度矢量所在的垂直平面与地理
△咖＝［１ ｓｉｎ咖ＣＯＳ咖ｓｉｎ（２ｔｂ）ｃｏｓ（２ｔｂ）］· ［Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ］７，
计算目标为
。
∑（△币ｊ一△咖：）２＝
。
嚣：骢；（△咖ｒ一△咖：）２，
（５）
式中，△（６ｌ’＝币ｉ一咖¨咖ｉ为第ｉ点处电子罗盘实测值，
咖．ｉ是第ｉ点处方位角理论值，△咖堤未经补偿的罗
差，△咖ｉ是经过补偿后的罗差． 记误差方程为
△咖＝Ａ＋Ｂｓｉｎ咖＋Ｃｃｏｓ咖＋
Ｄｓｉｎ（２咖）＋Ｅｃｏｓ（２咖），
（３）
式中，△咖为总罗差·则
咖ｔ ２咖一△咖，
（４）
式中，咖。为罗差补偿后的方位Ｃ，Ｄ，Ｅ为罗差补偿系数，下面将介绍系数
的确定方法．
３实验及数据分析
本研究应用罗差方程进行罗差补偿，并且采用 最小二乘法来求解补偿系数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ＂Ｊ．
子午面之间的夹角就是磁偏角． 这些磁场分量信号经信号调理电路，由微处理
系统处理后输出，如图２所示．
电子罗盘测量系统的误差主要由传感器制造误 差和使用环境误差构成．制造误差包括零位误差、灵 敏度误差和正交偏差，这些误差都可以由传感器本
出
Ｆｉｇ．２
图２平面电子罗盘原理图 Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｌａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ
一８．２２２ ５－１
Ｉ－一７．４３３ ７
一１８．１０４ ０
一２２．２１０ ０
Ｃ４＝
１０．２４４ ０ ，Ｃ８＝ —４．７４４ ４
７．３９９ ｌ １．４１３ ３
１．８４８ ２
３．８１９ ４
—７．４２０ ２
７ 一． ５ ９ ９ ４ ●
—２１．８９８ ０
一
２２ ●
ｌ１３
Ｏ
Ｃ１２＝
７．０７７ ７ ，Ｃ２４＝
７ １７ ４ ８ ●
Ａ
咖ｌ一咖１ｌ
曰
咖２一咖１２
Ｃ
Ｄ
Ｅ
咖ｊ一咖Ｉｉ
第２期
马成瑶。等：平面电子罗盘的误差分析及补偿方法
以此方程，已知屯和机，利用Ｍａｔｌａｂ软件，用最小二乘 法原理，运用ｌｓｑｎｏｎｌｉｎ（）编写出如下函数文件：引．
％编写Ｍ文件：文件中的ａ（１）＝Ａ，ａ（２）＝Ｂ，ａ（３）＝ Ｃ，ａ（４）＝Ｄ，ａ（５）＝Ｅ
第１５卷第２期 ２００９年４月
上海大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡｌ。ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
文章编号：１００７－２８６１（２００９）０２－０１８６－０５
Ｖ０１．１５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００９
平面电子罗盘的误差分析及补偿方法
马成瑶， 钱晋武， 沈林勇， 章亚男
身自动补偿．使用环境误差包括安装误差和罗差．安 装误差就是罗盘在安装过程中存在的安装角误差， 大多数电子罗盘都自带安装角补偿功能．
本研究要重点讨论的误差对象是罗差．在理想 情况下，电子罗盘仅受到地磁场的作用而指磁北，但 由于受到载体磁场的影响会产生偏差，称为罗差．电 子罗盘受到地磁力、软铁磁力和硬铁磁力同时作用． 地磁场是弱磁场，磁场强度为３ ｘ １０～～５×１０～Ｔ， 在某一范围内是均匀的．软铁本身没有磁性，它被地 磁场磁化后获得磁性，而且磁性随着地磁场的大小 和相对方向的变化而变化．软铁对磁罗盘产生作用 力的方向与软铁和磁罗盘的相互位置有关，其大小 与软铁材料、软铁的姿态、激励磁场、软铁和磁罗盘 的距离有关．硬铁是载体上的永久磁铁，其大小和 方向是固定的，载体上硬铁的来源主要有直流电流、 永久磁铁和电机等一引．磁偏角、安装角以及罗差和 真北方向的关系如图３所示，方位角＝磁偏角＋罗 差角＋安装角＋罗盘输出角．
经分析比对，拟采用多个小型传感器来实现基准 定位块的空间姿态角和方位角的测量，运用倾角传感
收稿日期：２００７－１２－０７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５００７５０５０）；上海市科委重点科技攻关资助项目（０２１１１１１１５）；上海市重点学科建设资助项目（Ｙ０１０２） 通信作者：钱晋武（１９６２一），男，教授，博士生导师，博士，研究方面Ｊ为智能机械与精密系统、先进服务机器人技术等．Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｗｑｉａｎｅ＠ ｏｎｌｉｎｅ．ｓｈ．ｃｎ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｅ＝ｆｕｎ（口，戈，Ｙ） 茗＝名（：）； ％ｘ＝也是实测方位角 Ｙ＝Ｙ（：）； ％Ｙ＝△咖ｊ是修正前的罗差