磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用

５４传感器技术（Ｊ吣ｎ８ｌｏｆＲ嘲５ｄｕ。旺Ｔ髋ｈｎ如酊）２００３年第２２卷第１２期

磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用

刘歌群，薛尧舜，卢京潮，闫建国

（西北工业大学自动化学院，陕西西安７１００７２）

摘要：磁航向传感器ｖ２ｘＧ利用“磁感法”测量地磷航向，有成本低、易集成等特点。将ｖ２ＸＧ应用于无

人飞机的航向控制回路，设计了传感器的接口电路．给出了零位误差和灵敏度误差的消除方法。实测结果

表明，航向测量准确度达到±２。，采样频率达到５地，设计方案有较高性价比，满足了无人机飞行控制对航

向测量的要求。

关ｔ词：磁航向传感器；飞行控制；无人机；误差消除

中圈分类号：Ｖ２４１６ｌ’１文献标识码：Ａ文章编号：１０００—９７８７（２００３）１２一呻５４一０３

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０引言

在飞行控制系统中，航向系统是重要的组成部分，起着航向测量和领航驾驶的作用…。无人机不像有人飞机需要航向仪表向飞行员指示当前航向，但作为一个控制系统，它需要测量飞机航向，构成闭环控制系统使飞机按指定的航向飞行。所以无人机的航向测量器件功能相对单一，要求体积小、能耗低。

一般的航向测量装置有陀螺航向仪、无线电航向仪和磁航向传感器…。陀螺航向仪利用陀螺的定轴性测试载体相对惯性空间的姿态角，准确度高，稳定性好，但是成本较高。无线电航向仪接收地面信标台的甚高频无线电信号，通过鉴相确定载体相对台站的方向角．进而确定载体的航向旧Ｊ，这是一种在大型飞机中常用的方法，缺点是易受到电磁

收稿日期：２００３０６—２４波的干扰。磁航向传感器也叫磁罗盘，利用地磁场来测量航向，结构简单、质量轻、信号易处理、成本低，是一种常规的航向测量方法，较适合应用于无人机。

带有数字信号处理电路的磁罗盘叫数字罗盘．一般都带有微处理器，自身模块化，通过ＲＳ２３２，ｓＰＩ等类型接口和外界交互，是当前比较通用的一种航向测量器件。数字罗盘、，２ＸＧ是一种新型磁航向传感器，利用“磁感法”对磁场进行绝对测量［３】，可以输出磁场在测量平面两个正交轴向上的分量和传感器相对地磁北极的指向。ｖ２ＸＧ由于利用“磁感法”测量磁场，所以功耗低、处理电路简单、准确度高。ｖ２ＸＧ体积小、有ｓＰＩ接口，嵌入在无人机飞行控制器中，能极大发挥它的优点。

１无人机航向控制系统的组成

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第１２期刘歌群等：磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用

普通固定翼飞机的横滚运动和偏航运动相互交联，本设计中的无人机垂直尾翼上没有方向舵，通过副翼实现飞机的滚转和偏航，其航向控制系统方框图如图１所示。

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系统中的内环利用角速度传感器改善系统的动态性能，外环利用磁航向传感器构成闭环使飞机保持给定的航向。ｖ２ⅪＧ处于主反馈回路。采样周期为０．２ｓ，输出Ｏ‘～３６０。的地磁航向角。

２磁航向传感器Ｖ２ＸＧ的工作原理

不同于传统磁航向传感器的是，ｖ２ｘＧ没有采用磁通门法或磁阻法，而是利用“磁感式传感器”（Ⅱ１ａｇｎｅｂｉｎｄｕｃｔｉｖｅｓｅｒｌｓｏｒｓ）。磁敏电感是一个绕在高导磁率材料上的线圈，线圈呈感性，电感值随穿过磁芯磁场的强度而变化。磁敏电感与比较器组成ＬＲ张弛振荡器（如图２所示），振荡器的输出频率与电感值有关。ｖ２ｘＧ白带的微处理器测量振荡器的输出频率，得到通过磁敏电感磁芯的磁场强度，这是一种绝对测量法【４Ｊ。

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磁航向传感器Ｖ２）∞有两个磁敏电感Ｌ１和ｋ，这两个电感沿ｘ轴、ｙ轴方向相互垂直组成一个测量平面。当这个测量平面与水平面平行对，Ｌｌ和ｋ将感受地磁场在测量平面ｘ，ｙ丽个轴向的分量。利用三角函数可以求得传感器的指向与地磁北极的夹角（即磁航向角）为

Ｖ

以＝ｔａｌｌ。亨，（１）式中ｘ。为地磁场在传感器ｘ轴上的分量，ｒｒｌＴ；

ｋ为地磁场在传感器ｙ轴上的分量，ＨｌＴ；廿，为传感器当前指向的磁航向角，（‘）。

地磁场在重力方向的强度分量通常占很大的比例，使得磁倾角远大于磁偏角。当磁航向传感器的测量平面不水平时，ＬＩ和ｋ还将感受到地磁场的竖直分量，简单地按式（１）计算航向会带来很大的偏差。为了解决这个问题，ｖ２ＸＧ有一个可以在±１５４活动的万向支架，使测量平面靠重力保持水平，保证飞机在小范围内倾斜或俯仰飞行时按式（１）可以算得较高准确度的航向詹。

３零位误差及灵敏度误差的消除方法

３．１零位误差的消除

无人机的机械电子装置不可避免含有铁磁性材料，硬磁材料形成一个相对飞机固定不变的磁场，造成航向测量的零位误差Ｌ５削，即

ｆｘ＝ｘ。＋ｘｏ

【ｙ＝ｙ。＋ｙ０

（２）式中（ｘ，ｙ）为某一航向上传感器两轴的磁场测量值，ｒｒ汀；（ｘ。，Ｙ。）为该航向上地磁场在传感器两轴上的分量，ｎｌＴ；（ｘｏ，ｙ０）为传感器两轴上的零位误差，ｒｎＴ。

考虑到传感器的重复测量准确度和随机干扰，计算零位误差为

ｆｘ０：型互≯出

＜，（３）

ｖ一！！±坠±兰≥±！±

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式中（ｘ１，ｈ），（恐，如），（Ｘ３，乩）和（墨，ｙ。）为在任意互为９０’的４个航向上传感器两轴的测量值，ｆｎＴ。

由于（ｘ１，ｙ１）和（ｘ３，ｙ３）对应的航向角互为１８０。，（ｘ２，ｙ２）和（ｘ４，ｙ４）对应的航向角互为１８０‘，所以有

ｆｘｌ＝ｘ。ｌ＋ｘｏｆｘ２＝ｘ吐＋ｘｏ

Ｉｙｌ＝ｙｄ＋ｙｏ’【ｙ２＝ｙｃ２＋ｙｏ’｛妻：：麓：毫．｛麓！：麓：麓，ｃ。，

【ｙ３＝一ｙｅｌ＋ｙｏ【ｙ４＝一ｙｄ＋ｙｏ

式中（Ｘ。１＇ｙｅｌ）为（Ｘｌ＇ｙ１）对应航向上地磁场在传感器两轴上的分量，ｍＴ；（ｘ∞ｙ＆）为（ｘ２，ｙ２）对应航向上地磁场在传感器两轴上的分量，ｍＴ。将

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