三轴电子罗盘的设计与误差校正

功能的三轴 电子罗盘, 并论述了电子罗盘的硬件设计和软件流程 。针对电 子罗盘传感器的误差特点, 采用
十二位置标 定法实现了罗盘的校正。在罗盘处于不同倾斜的 情况下进 行圆周测试, 经误 差校正 和倾角补
偿后的轨迹 是大体重合的圆, 有效降低了罗盘误差。在某些具备翻滚条件 的应用场合, 该校正方法还可有
地球表面的地磁场强度约 0. 3~ 0. 6G s, 其 大小和 方向
随地点 (甚至随时间 )而变化。但是, 地磁 场的水 平分量 永 远指向磁北, 这就是电子 罗盘的 定向原理。 在导航 定位 系 统中, 通 常用航向角、俯仰角和 横滚角 这 3个 角度 (依次 记 为 , , )来描述罗盘载体的姿态 [2] , 也就是载体坐 标系和
处 理器 VR S51L3074内部还有 2个标准 UART 接口, 通 过带 RS 232和 RS 485电平转换 功能的接 口芯片 LTC1387 与上位 机通信, 响应来自 PC机 的命令和向 PC机传输磁场、 方位角数据。 3 电子罗盘软件设计
在正常工作模式下, 电子罗盘工作流 程包括: 系统初 始 化、数据采集、数字滤波、误差补偿、航向姿态解 算以及符 合 NM EA 0183协议的串口通信, 如图 2所示。
第 2类是由电子罗盘载体的磁场所 造成的误 差 罗差, 主 要是硬磁和软磁干 扰 [ 4] 。但不 论哪 一类误 差, 最终 都可等
效于电子罗盘三轴 磁场 数据的 零位 误差、标度 因数 和非正
交误差, 并可由式 所述 Possion数学模型来描述 [ 5]
VX = kX ( BX + eYX BY + eZX BZ ) + bX
信号调理电 路采用 高精 度仪用 放大 器 A D623, 以 实现 磁阻传感器输出信 号的 高精度 放大 与滤波, 其 输出 送入模 数转换器 AD7714。
AD 7714是一种高分辨 率、低 噪声 的 24 位 模数 转 换器, 其模拟信号输入 端可 配置为 3个 全差 分或 5 个伪 差 分输入通道。本系 统采 用单电 源供 电, 运放 输出的 带偏 置 的信号可不经任 何转换直接送入 AD7714的差分 输入端。
图 2 电子罗盘工作流程 F ig 2 F low chart o f the electronic com pa ss
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传感 器与 微系 统
第 29卷
4 电子罗盘误差分析和补偿
4. 1 误差分析和补偿算法 电子罗盘的误差 来源 可以分 为两 类 [ 3]: 第 1类 是系统
自身存在的误差, 主要来自传感器的制造 误差与安 装误差;
VY = kY ( eX YBX + BY + eZ YBZ ) + bY .
(5)
VZ = kZ ( eX Z BX + eYZ BY + BZ ) + bZ 式中 VX, VY, VZ 分 别为 描述 磁传 感器 的制 造与 安装 误差 时磁阻传感器的感应 电势, kX, kY, kZ 为传 感器的标 度因数, bX , bY, bZ 为零位误差, eX Y, eGX , eZX 为 非正交 误差; 而 在描述 罗差时, k与 e用于表示软磁干扰, b则表示硬磁干扰。
作为整个罗 盘控制核 心的处 理器 VRS51L3074 是由 美 国 R am tron(瑞创 ) 公司 推出 的一 种高 性能 的 8位 单片 机。 采用该型号单片 机主要由 于其具 有以下 优点: 1)基 于增 强 型 8051内核, 峰值速度可达 40M IPS; 2) 增强 型 SP I接口 可 以方便地与 AD7714 连接, 对 AD7714内 部不同长度的寄 存 器进行读写操 作; 3) 提供 了 2个 分别 基于 定时 器 T 0和 T 1 的脉宽计数器 ( pu lse w idth counter, PW C )模 块, 可 方便地 测 量 A DXL 202E输出的 DCM 信号; 4)写入速度与重复擦写 次 数远超过 EEPROM 的铁电存储 器 ( F RAM ), 可以 方便地 保 存大量数据, 包括传感 器校 正系数 和电 子罗 盘的各 种设 定 值; 5) 增强型算术单元 ( enhanced ar ithm etic un it, EAU ) 能够 执行 16位乘除法、32位加法、桶形移位和乘加操作, 从而 能 高效地执行电子罗 盘的 传感器 误差 补偿、数 字滤波 和姿 态 解算。
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传 感器与微系统 ( T ransducer and M ic rosystem T echno log ies)
2010年 第 29卷 第 10期
三轴电子罗盘的设计与误差校正*
王勇军, 李 智, 李 翔
(桂林电子科 技大学 电子工程学院, 广西 桂林 541004)
摘 要: 介绍了三轴 电子罗盘的测量原理。利用各向异性磁阻传感器和加速度传感器研制了带倾斜补偿
选用双轴加速度传感器 ADXL202E 来测量重力加速度在 载体坐标系中的 X, Y 分量。ADXL202E测量范围为 2gn, 能 够输出模 拟电 压信 号, 也 可以 输 出占 空比 调 制 ( duty cyc le m odulated, DCM )的 数字 信号。 模拟 输出 电压 幅 度和 DCM 信号占空比均与沿敏 感轴方向的加速度呈线性关系。 2. 3 信号调理与采集
置位 /复位电路用于 消除 外界高 强度 磁场 对磁 阻传 感 器特性的 影 响。在微 处 理器 提供 的 消磁 控制 信 号的 控 制 下, 置位 /复位电路 提供 强电流 脉冲, 使磁 阻传 感器 置位 或 复位, 将传感器直流输出变换为交流信 号, 进而 实现对磁 阻 传感器偏置和放 大器失调及漂移的消除。 2. 4 主控制器
集模块以及主控制器 模块组成。
图 1 三轴电子罗盘框图Baidu NhomakorabeaF ig 1 B lock diagram of three axis electronic com pass
2. 2 传感器选择 选用各向 异 性 磁 阻 传 感 器 芯 片 HM C1022 ( 双 轴 ) 和
HM C1021(单轴 )组成三 轴磁阻 传感器, 用于 测量载 体坐标 系 X, Y, Z三个轴向的地磁场分量。其磁场灵敏度和分辨率 分别为 0. 8~ 1. 2mV /V /G s和 85 G s。磁阻 传感 器芯 片内 部集成了补偿电流带和置位 /复位电流带, 用于 消除外部干 扰磁场和当外部磁 场过 大时恢 复磁 阻内部 磁畴 方向, 消除 偏置和漂移。
效补偿电子 罗盘的罗差。
关键词: 电子罗盘; 磁阻传感器; 加速度传感器; 误差校正; 罗差
中图分类号 : TP 212. 9
文献标识码: A
文 章编号: 1000 9787( 2010) 10 0110 03
D esign and error calibration of three axis electronic compass*
地理坐标系之间的方位关系。
利用双轴加速度传 感器, 可测得 载体坐 标系 中的 2 个
重力加速度分量 gX 和 gY , 若 已知 当地 的 重力 加速 度值 为 g, 则可按式 、式 求得 与
= arcsin gX ,
( 1)
g
= - arcsin gY .
( 2)
g co s
再利用磁阻传感器, 测量 地磁场 在载体 坐标 系 3个 坐 标上的投影分量 [H X, H Y, H Z ] T, 并设 地平坐 标系中 地磁 场 的 3个正交分量为 [H RX , H RY, H RZ ] T, 根据 正交笛 卡尔坐 标 系的坐标变换可知, 二者间有式 ( 3)所示的变换关系
0引 言 随着导航定位技 术的飞速 发展和 日臻成 熟, 电子罗 盘
在相关领域得到了越来越广泛 的应用。电子罗盘是利用地 磁场来实现定向功能 的装置。目前, 已实现了基于磁通门、 磁感应式和霍尔效应 等不同 类型的 电子罗 盘 [ 1]。 其中, 磁 通门和磁感应式指南 针精度较高, 可达到 1 , 但由于 线圈 的介入, 使其体积较大 , 结构也相对 复杂, 较难嵌入到 其他 系统中。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、成本低、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 [ 2] 。因 此, 本文 提 出了一种基于 HM C1021, HM C1022磁阻传感器和加速度传 感器 ADXL202E 来测定航向角、俯仰角、横滚角的电子罗盘 测量系统设计方案, 在分析电子罗盘误差来源的基础上, 提 出了一种十二位置标定法, 校正传感器的误差, 能有效地提 高电子罗盘的测量精 度。 1 电子罗盘测量原理
WANG Yong jun, L I Zh i, L I X iang
( School of E lec tron ic Eng ineering, G uilin Un iversity of E lectron ic T echnology, G uilin 541004, Ch ina)
Abstract: T he m easuring princ ip le of three ax is electron ic com pass is introduced. A tilt com pensated three ax is electronic com pass has been developed based on anisotropic m agneto res istive sensor and accelerom ete r. T he hardwa re design and softw are flow chart are discussed. A im ed at the features o f sensors erro rs, a tw e lve a ttitude calibration m ethod has been used for the ca libration o f compass. A cco rding to exper im ent resu lts of different tilt ang le o f c ircum ference test, the tra jector ies a re essentially co inc ident w ith c irc le a fter erro r ca libration and tilt compensated, wh ich effectively reduces the erro r. T his ca libration m ethod is a lso e ffectiv e for the compensation o f m agnetic dev ia tion, in the case that ro lling is possib le. K ey word s: e lectronic com pass; m agne to resistive senso r; accelerom eter; erro r ca libra tion; m agne tic dev iation
收稿日期: 2010 04 09 * 基金项目: 广西研究生科研创新计划资助项目 ( 2009105950804M 32 )
第 10期
王勇军, 等: 三轴电子罗盘的设计与误差校正
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H RX
cos 0 - sin - 1 1 0
0 -1
HRY = 0
H RZ
s in
HX
10 0 co s
0 cos s in 0 - sin cos
HY .
(3)
HZ 利用式 ( 3)求出 [H RX H R Y H RZ ] T 后, 再按式 ( 4)即可 求得航向角为
= arctan H RX .
( 4)
HRY
式 求得 的是罗盘 载体的 磁航向 角, 将其加上 当地磁
偏角即可得到真航向 角。
2 电子罗盘硬件设计 2. 1 整体方案
图 1 是电子 罗盘设 计框图, 如此 实现的 电子罗 盘常称 为倾角补偿的电子 罗盘, 因其 输出 的航 向角不 受载 体倾斜 的影响。该电子罗 盘系 统主要 由传 感器模 块、信号 调理采