AMR电子罗盘的设计及其误差补偿

２．２系统选型
图１ 电子罗盘结构框图
．
２．２．１传感器模块
本系统所用的磁阻传感器是ＨＭｃｌ００ｌ／１００２单轴／双轴磁阻传感器，将它们组合成３轴磁阻传感 器，可测量ｘ，Ｙ，ｚ轴的磁场分量。其磁场测量范围是±２×１０５ｎＴ，分辨率可达２．７ｎＴ。传感器的芯片上 有两个磁耦合的电流带：偏置电流带和置位电流带，省去了外加线圈的需要。
ＡＩ）７７１４是一款高分辨率、低噪声的２４位∑一△Ａ／Ｄ转换器，支持６路单端信号输入满足５路信号 的采集要求。
２．２．３ ＭＣＵ模块
作为整个设计的核心部分，微处理器负责对传感器采集的信号进行实时处理，通过姿态矩阵和误差 补偿，可以碍到载体的姿态参数。但其计算量较大，普通的单片机不能满足使用要求，本系统最终选用 高速ＤＳＰ芯片作为微处理器。ｎ俗３２０ＶＣ５４０２是一款性价比极高的１６ｂｉｔ定点数字信号处理器，最高工 作频率可达ｌｏｏＭＨｚ，提供了两个高速、双向、多通道带缓冲的串行接口。
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３．２安装误差补偿
经过制造误差补偿后，假设磁阻传感器的３轴是完全正交，但它们在安装时，与载体上的ｘ，Ｙ，ｚ轴
不平行，由此而产生的误差称为安装误差。其实也就是相当于依次绕ｘ，Ｙ，ｚ轴转动了３个角度ｅ，①，９，
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［３］杨新勇，黄国圣．磁航向系统误差修正方法研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００４，２５（４）：４６６—４７０．
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３．１制造误差补偿
制造误差与多种因素有关，主要表现为这３方面：一是由于ＰＣＢ生产工艺以及芯片的安装，并不能 保证传感器的３轴完全的正交而引起的误差，称为正交误差；二是由于传感器的灵敏度和放大倍数的乘 积不相等，而引起的误差，称为灵敏度误差；三是由于传感器、模拟电路和Ａ／Ｄ转换的零点不为零，所引 起的误差称为零位误差。
方法。实验结果表明，利用这些补偿方法，可有效的减低由制造和安装等所引起的误差。同时，这 种补偿方法也适用于其它３轴传感器系统。
关键词：导航系统；磁阻传感器；误差补偿
中图分类号：勉１２．１３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—９１４６（２００８）舵一００４ｌ—０４
Ｏ引言
目前，导航系统在汽车、航海、航空等领域已经得到广泛的应用。电子罗盘是导航系统不可缺少的 重要组成部分，主要分为磁通门和磁阻式。磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励 磁电路，能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。而使用磁阻传感器的电 子罗盘克服了磁通门罗盘的不足，具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点，是未来电 子罗盘的发展方向…。因此，本文所设计的电子罗盘采用３轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量，利用 ２轴加速度计测量载体的重力加速度，通过补偿算法校准导航系统的误差，得到载体的航向角。
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如图３所示，Ａ为磁阻坐标系到载体坐标系的姿态变换矩阵。
图２三轴不正交的偏移角
图３三轴不平行的偏移角
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１ 电子罗盘的基本原理
地球的磁场强度为０．５×ｌｏ～一Ｏ．６×１０－４Ｔ，无论何地，磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电
子罗盘的制作基础［２Ｉ。传统的导航定位，通过以下３个姿态参数：航向角（Ⅸ），俯仰角（７），横滚角（８）。 将磁阻传感器的３个敏感轴沿载体的３个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感应强度Ｈ在载体坐标系３
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万方数据
个坐标上的投影分量（ＨＸ，ＨＹ，Ｈｚ）。在地平坐标系中，磁阻传感器的３轴输出为（ＨＲ—ｘ，ＨＲ—Ｙ，ＨＲ—ｚ）。
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杭州电子科技大学学报
２００８年
２系统设计
２．１系统结构框图 电子罗盘的设计框图如图１所示，可分为３大模块：传感器模块、数据采集模块和ＭＣＵ模块。系统
首先利用加速度计敏感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐 标的测量信号变换到地平坐标系。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载 体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。由于磁阻传感器的输出均为ｎｌｖ级的电压信号，所 以必须经过运算放大器放大后，才可以送到Ａ／Ｄ转换器进行模数转换。
２轴加速计测得的重力加速度为Ｇ，（，ＧＹ，已知当地的重力加速度值为ｇ，可得：
７＝ａＩｃｓ缸（ＧＹ／ｇ）
（２）
ｐ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｇｘ／ｇ）
（３）
ａ＝眦协（ＨＲ—ｘ／ＨＲ—Ｙ）
（４）
收稿日期：２００７一ｃｒ７一∞ 作者简介：郑玉冰（１９８２一），女，福建莆田人，在读研究生，电子系统集成．
万方数据
４２
Ｊ
（７）
由式ｌ、式３和式５，可得：
［Ｈｃ—ｘ Ｈｃ—Ｙ Ｈｃ—ｚ］Ｔ＝Ａ一１［ＨＲ—ｘ ＨＲ—Ｙ ＨＲ—ｚ］Ｔ
（８）
万方数据
杭州电子科技大学学报
２００８年
经过误差补偿后的航向角为：
ａ＝８ｒｃｔａＩｌ（Ｈｃ．ｘ／Ｈｃ—Ｙ）
（９）
４实验结论分析
测试实验在载体平台水平的状态下进行，经过对系统环境误差补偿后，可认为系统是在无磁的平台 上工作，使电子罗盘均匀旋转一周，对ｏｏ一３６０。每１００为一个测量点测得数据进行误差校正，如图４所 示，实线是未经过误差补偿的航向误差，达到±９０，而虚线是经过误差补偿后的航向误差基本可以控制 在±Ｏ．６０之内，局部误差为１．３０。不过，因为本实验是在电子罗盘的俯仰角和横滚角为零的条件下进行 的，所以当俯仰角和横滚角较大时，补偿效果将会受到一定的影响。本文针对磁阻传感器的误差提出的 两种补偿方法，可以用在其它３轴传感器系统进行误差补偿。
针对以上的误差，可以利用标量场补偿方法［５］进行误差补偿。假设载体是工作在均匀的磁场内，由
于制造误差的存在，磁阻传感器的３个敏感轴不正交，如图２所示，偏移角分别为０】【，８Ｙ，ｑ。Ａ是经过
补偿后的磁场３轴矢量，Ｋ是磁阻传感器的灵敏度对角矩阵，Ｕ是Ａ／Ｄ转换器的输出电压列矢量，Ｏ是
磁阻传感器的偏移量列矢量，Ｂ是３轴正交化矩阵。
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置位／复位电路是用于消除高强度的磁场对磁阻传感器的影响，使其恢复到测量磁场的高灵敏度状
万方数据
第２期
郑玉冰等：ＡＭＲ电子罗盘的设计及其误差补偿
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态。置位／复位信号是在微处理器的控制下产生，置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本·样， 唯一的区别是传感器的极性改变ｊ
３系统误差分析及其补偿方法
电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角，因而不希望有其它磁场叠加到地磁场上，影响磁场的 大小和方向，造成航向角误差。由于磁阻传感器本身的构造和环境因素的影响，误差是不可避免的。主 要误差可分为：制造误差、安装误差和环境误差。环境误差是由磁阻传感器周围的铁磁材料影响而引起 的磁罗差可以通过参考文献３、４中提出的方法进行校正补偿。本文主要研究制造误差和安装误差的补 偿方法，假定载体是安装在无铁磁材料的环境中。
航 向 角 误 差
（．）
给定航向角
９０
１８０ ２７０ ３６０
（ｏ）
图４误差补偿前后对比图
参考文献
一
［１］ｃ彻埘．ＡｐｐＨ∞如０ｆ删唧麒姗鲫ｌ∞璐ｉＩｌ ｒｌａｖｉ蛳８ｙｊｇｔ锄［Ｊ］．ｓｅ帕嘲ａｌｌｄ Ａｃ＝ｔＩｌ黼，１９９ｒ７，４２（９）：１５—２１．
［２］袁信，俞济祥，陈哲．导航系统［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９３：２—１２．
加速计采用了可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗的２轴加速度计ＡＤｘｌ２０２，测量范围 是±２９。因为传感器本身自带了信号调理电路，所以不需要外加电路，可以直接接入Ａ／Ｄ转换器。
２．２．２数据采集模块
在传感器测量范围内，磁阻传感器输出的是与磁场成正比的差分电压信号，在５ｖ供电的情况下产 生±３０ｍｖ的偏置电压，因此可通过信号调理电路把双极性的电压信号转换成单极性信号，同时通过模 拟低通滤波，消除高频噪声，最终得到Ｏ一５Ｖ的电压范围。
第勰卷第２期 ２００Ｂ年０４月
杭州电子科技大学学报
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Ｖｄ．篮．№．２
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ＡＭＲ电子罗盘的设计及其误差补偿
郑玉冰，章雪挺，刘敬彪
（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州３１００１８）
摘要：该文介绍了磁阻式电子罗盘的工作原理，设计了一种利用磁阻传感器和加速度计测定航向 角、俯仰角、侧滚角的电子罗盘测量系统。在分析电子罗盘误差形成的基础上，提出了相应的补偿