（电路与系统专业论文）基于gmr传感器的三轴电子罗盘的设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文杭州电子科技大学硕士学位论文 基于基于 gmrgmr 传感器的传感器的三轴三轴电子罗盘电子罗盘的设计的设计 研研 究究 生：生： 林乾浩 指导教师：指导教师： 钱正洪 教授 2012 年 12 月 dissertation submitted to hangzhou dianzi university for the degree of master a design of 3-axis electronic compass based on gmr sensor candidate: qianhao lin supervisor: professor zhenghong qian december, 2012 学位学位论文原创性声明和使用授权说明论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论 文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名 单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规 定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘要 基于 gmr 传感器设计开发的三轴电子罗盘，具有硬件电路简单、体积小、功耗很低、 具有自动校准与磁场补偿算法功能等优点，在手机、车载、船舶、野外考察指向等导航系统 具有潜在应用价值。特别是随着近年来智能手机、平板电脑和游戏机等消费电子设备的快速 发展，电子罗盘已经成为导航功能的标准配置，对电子罗盘的性能和价格成本提出了更高的 要求，高性能传感器的选用势在必行。本文的工作就是针对基于新型、高性能的 gmr 传感 器研制三轴电子罗盘如何提高测量精度，从电子罗盘的硬件选型、误差补偿方法及其软件实 现方面展开研究， 期望通过使用高性能的传感器和磁场补偿算法来提高电子罗盘的测量精度。 论文在比较了各类磁阻传感器的优缺点的基础上， 确定了基于 gmr 传感器的电子罗盘设 计方案。文中介绍了 gmr 传感器的工作原理和电子罗盘测量的基本原理，对影响电子罗盘 测量精度的各种误差来源进行分析，并提出了相应的补偿方案；在硬件设计方面，对巨磁阻 电子罗盘的硬件电路进行器件选型及性能分析，并给出了硬件设计总体方案，完成了巨磁阻 传感器信号采集电路、加速度传感器倾角测量电路、信号调理电路、msp430 单片机控制电 路、串口通信和电源管理电路的设计；在软件设计方面，构建了软件整体算法框架，包括数 据采集处理、软件数字滤波、姿态转换和航向解算、串口通信等。并针对传感器非正交、零 场偏置、灵敏度差异以及罗差等误差因素提出了相应的补偿方案，通过程序设计实现了自动 校准和磁场补偿算法。 电子罗盘经过宜昌测试技术研究院进行实验测量，将罗盘校准后在标准无磁转台上进行 精度测试，无论是否有外磁场干扰，经过自动校准和误差补偿后，在水平状态下，罗盘的航 向角误差在 1 左右，在 30 倾斜状态下，罗盘误差在 1.5 左右，试验工作的进一步完善有望 得到更加好的结果。论文研究工作对研究应用磁阻传感器特别是新型的 gmr 传感器的来设 计的电子罗盘具有参考价值。 关键字：三轴电子罗盘；gmr 传感器；补偿算法 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract the 3-axis electric compass based on gmr sensor is prospectively applied in navigation system of cellphone, vehicle, ship and fieldwork orientation due to its simple hardware circuit, small size, low power consumption, automatic calibration and magnetic field compensation algorithm. in recent years, with the rapid development of consumer electronic devices such as smart phones, tablet pc and game consoles,etc. electronic compass has become the standard configuration of the gps navigation, so higher requirements on the performance and cost of electronic compass was proposed. thus, high-performance sensors must be selected in the application of new generation compass. this article explains how to enhance measuring accuracy of the 3-axis electronic compass which based on the new and high-performance gmr sensor. the research was carried out from the three aspects: electronic compass hardware selection, error compensation method and its software implementation, and high-performance sensors and magnetic field compensation algorithms were used to enhance the electronic compass measuring accuracy. in this paper, the advantages and disadvantages of the various types of magnetoresistive sensors were compared, and then the design scheme of the electronic compass based on the gmr sensor was determined. the fundamental principle of the gmr sensor and the electronic compass were introduced. the error sources of electronic compass are analyzed and put forward the corresponding compensation scheme. in hardware design, the mode selections of electronic compass based on giant magneto-resistive sensors were completed, and their properties were studied, on this basis, the overall hardware design program was proposed. the gmr sensor signal acquisition circuit, acceleration sensor inclination measurement circuit, signal processing circuit, msp430 mcu control circuit, serial communication and power management circuitry design were completed. in software design, the whole algorithm framework which including data acquisition and processing software, digital filter, attitude conversion and heading calculating, serial communication were constructed. aiming at error factors of the non-orthogonal, zero-field bias, the sensitivity differences and magnetic compass error compensation, the relative compensate scheme was proposed and magnetic field compensation algorithm was implemented by the program design. the electronic compass were measured in the yichang institute of testing technology. the accuracy of compass was tested in a standard non-magnetic turntable after calibration. in horizontal state, the accuracy of compass can reach 1 through automatic calibration and error compensation, and in 30 tilt state, the accuracy of compass can reach 1.5 . more and better results are expected to get through further experimental work. the research work of this paper has quite important 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii reference value for the high accuracy electronic magnetic compass based on magneto-resistive sensor especially based on the new type gmr sensor. keywords: 3-axis electronic compass; giant magneto-resistance sensor; compensation algorithm 杭州电子科技大学硕士学位论文 iv 目 录 摘要 i abstract ii 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 国内外电子罗盘研究现状及发展趋势 2 1.3 研究目的和意义 5 1.4 本文的主要内容 6 第二章 电子罗盘的测量原理 8 2.1 地磁航向测量的基本原理 8 2.2 航向姿态解算方法 10 第三章 电子罗盘的硬件设计与实现 14 3.1 系统概述 14 3.2 保证电子罗盘精度的硬件保障 14 3.3 电子罗盘的硬件选型及其系统组成 15 3.3.1 gmr 传感器 15 3.3.2 加速度传感器 19 3.3.3 信号调理电路设计 21 3.3.4 系统芯片（mcu） 22 3.3.4 串口通信 25 第四章 电子罗盘的软件设计与实现 29 4.1 罗盘软件算法概述 29 4.2 电子罗盘软件设计思想及流程图 29 4.3 电子罗盘开发环境和配置 30 4.4 单片机片上资源初始化 31 4.5 数据采集程序 34 4.6 数字滤波算法 35 4.7 航向和姿态角解算程序 36 4.8 罗盘标定补偿的函数设计 37 4.9 flash存储空间的分配和程序实现 39 4.10 串口数据通信协议 40 第五章 电子罗盘的误差分析及磁场补偿方法 41 杭州电子科技大学硕士学位论文 v 5.1 电子罗盘的误差分析 41 5.2 罗差分析及其补偿方法 44 第六章 实验及分析结果 48 6.1 概述 48 6.2 误差补偿试验和数据分析 48 全文总结 53 致谢 55 参考文献 56 附录 58 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 电子罗盘是一种新型的重量轻、体积小、稳定性高、可靠性好的姿态检测模块1，可利 用地球磁场来测量载体的航向角，已经广泛应用于航空、航天、航海、车辆导航、智能终端 设备等领域2-3。近年来智能手机、平板电脑和游戏机等消费电子设备的导航功能已经将电子 罗盘变成标准配置，从而对电子罗盘的市场需求也不断增加4。人类利用地球磁场测量方位 角有着悠久的历史，早在春秋战国时期，我国就发明了辨别方向的司南，它是现在所用指南 针的雏形。到了北宋时期，就有了关于指南针的文献记载，但是其只能分辨八个方向，随着 人们对指示方位精度的需求，人们把精密的刻度盘与指南针相结合，如此就形成了机械罗盘 5。机械罗盘是利用自由转动的磁针在地球磁场作用下，始终使磁针方向保持在磁子午线的 切线方向上，在配备精密的刻度来指示方向。但是其容易受到外部磁场干扰而无法指示正确 的方向，也无法通过校准来克服外部的磁场干扰。尤其是现代城市化的进展，城市建设和现 代工具很多都带有铁磁性物质，对机械罗盘干扰很大，很大程度上也影响了罗盘的精度。随 着现代科学技术的发展和进步，特别是传感器技术和微处理器技术的飞速发展，使方位航向 测量进入了电子技术测量的时代，基于磁敏传感器的电子罗盘研究进入了新的发展阶段6。 电子罗盘利用现代传感器技术，采用磁敏传感器测量地磁场矢量，采用加速度传感器来测量 载体的横滚角和俯仰角作为倾角补偿，将磁场信号转换成电信号，并结合模拟、数字信号处 理技术，最终将信号转换成数字信号在单片机中实现姿态转换和航向解算，输出稳定的航向 角数据。随着科技技术的发展，传感器的体积已经越来越小、性能也越来越稳定并且集成化 程度也越来越高。所以基于现代传感器技术研制的电子罗盘具有重量轻、体积小、稳定性高、 可靠性好、姿态信息输出不随时间漂移并且能够通过校准来克服外部磁场对罗盘的干扰等优 点，因此在航空、航天、航海、车辆等导航系统和智能终端设备等领域得到广泛应用7。在 航空航天领域，由于飞行器超出地球遥控的范围，地面无法准确及时的做出反应来控制飞行 器的姿态，而应用磁敏传感器来测量地球磁场能够自主获得飞行载体的姿态和航向信息，所 以在航空航天领域一般采用磁航向系统来控制飞行器的定位和导航8-9。在航海上，电子罗盘 一般作为辅助导航设备，在陀螺罗经故障或者失效的情况下发挥航向指向作用10。在民用市 场上，特别是车辆导航和手机终端设备导航是现代电子罗盘测量系统的另一个新颖、广阔市 场的应用领域11。随着电子罗盘应用领域的拓展和发展，对电子罗盘测量技术也提出了更高 的要求，要求电子罗盘集成化程度更高、体积更小，性能更好，重量更轻，稳定性更好，精 度更高。随着新型磁敏传感器、微控制器等领域相关技术的发展和突破，使得开发这种满足 新要求新领域的电子罗盘测量系统成为可能并已得到应用。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外电子罗盘研究现状及发展趋势 传感器是电子罗盘的核心部分，目前可应用于测量地球磁场的传感器主要有以下几种： 磁通门传感器、霍尔传感器、amr 传感器和 gmr 传感器等12。电子罗盘是采用三轴磁敏传 感器测量地磁场在载体上的分量，并使用加速度传感器测量载体的俯仰角和横滚角，在微处 理器进行姿态和航向解算，最终输出稳定的航向角。数字化的电子罗盘摆脱了复杂的机械结 构，在防震防冲击，对杂散场效应的电路补偿以及电子系统中直观的用户交互界面方面有着 传统机械式罗盘所没有的诸多优势，不仅提高了航向测量的可靠性，测量精度也得以大幅度 的提升，并且体积更小，重量更轻13。在罗差补偿方面体现出了数字式电子罗盘的另一大优 势，机械式罗盘的罗差补偿电路不仅只能补偿罗差的一部分，而且体积很大且需要外接电路 装置，系统装置复杂，而电子罗盘依靠高性能的微处理器，使罗差补偿算法和传感器校准算 法在微处理器中就能够完成， 不需要添加多余的硬件补偿电路就可以补偿掉绝大部分的罗差。 在有外来磁场的干扰下，电子罗盘可以通过与用户交互界面通信来控制 mcu 进行磁场校准 来实现罗差补偿。鉴于电子罗盘的众多优点，使其成为了在航向导航系统领域中的研究热点。 国内在这方面的研究开展也是比较早的，西北工业大学在无人机上就使用了两轴捷联数字式 导航系统，北京航天航空大学开发的 gps/sins 组合导航系统，还有宜昌测试技术研究院开 发的高精度电子罗盘等，它们在感应地球磁场矢量上使用的传感器均为磁通门传感器，其中 宜昌测试技术研究院开发的高精度电子罗盘精度可以达到 0.2 以上，分辨率可达 0.1 ，宜昌 测试技术研究院的磁通门传感器如图 1.1 所示。这种罗盘可以精确输出航向角、俯仰角和横 滚角等姿态信息。其价格也较昂贵，主要使用在一些对航向精度要求特别高的领域，如航海、 石油钻井、水下平台作业、飞机姿态测量、机器人控制等领域。 图 1.1 宜昌测试技术研究院高精度电子罗盘 但是总体来说，国内由于受到关键技术和计算机技术的发展制约，对于体积小、灵敏度 高的amr和gmr等传感器器件的开发并不多见， 电子罗盘研究绝大多数还是集中在应用上， 比如市面上基于 amr 传感器的应用开发很多，但是绝大多数精度不高，可靠性和抗干扰性 相较于国外同类产品均有一定的差距。 在国外，美国 honeywell 公司致力于航空航天及民用市场领域的电子罗盘开发，在基于 自身公司开发的 amr 传感器基础上研制出了 hmr 系列数字电子罗盘，其中 hmr3500 为三 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 轴全姿态电子罗盘，航向精度在整个全姿态内都稳定在 1 以内， hmr3600 结合了陀螺仪技 术使受到磁扰动的 z 轴获得了惯性稳定性，使电子罗盘的动态性能大大提高，并且内置世界 地磁模型自动纠正磁偏差，在倾斜在 80 之内的航向精度全部稳定在 0.5 以内14。hmr3600 实物如图 1.2 所示。 图 1.2 hmr3600 电子罗盘实物图 基于磁通门传感器开发的电子罗盘做的最好的公司有 kvh 公司和 pni 公司。kvh 公司 生产的 c-100 电子罗盘专为工业和军事上的使用而设计，该罗盘分辨率达到 0.1 ，航向精度 在 0.5 以内。pni 公司结合自己专利技术的三轴磁通门传感器，开发研制了 tcm 系列电子罗 盘，其精度很高。tcm3 航向精度在 0.5 以内，tcm5 在倾斜 70 范围内精度稳定达到 0.3 ， 倾斜大于 70 时航向精度也在 0.5 以内，罗盘分辨率达到 0.1 ，罗盘性能非常稳定15。图 1.3 为 tcm5 电子罗盘。 图 1.3 tcm5 电子罗盘实物图 国外还有像美国 crossbow 公司基于磁通门技术的电子罗盘， 飞思卡尔基于 amr 技术的电 子罗盘，日本旭化成基于霍尔技术的电子罗盘，memsic 公司基于 mems 技术 chs 系列电子罗 盘等等。 目前，电子罗盘主要的发展趋势分为以下两方面：一是主要面向航空航天、军事应用的 高精度三轴电子罗盘，这种电子罗盘不受价格限制，更加关注于产品的性能和稳定性，对内 部每个器件的选型都极为严格，并且需要严格的数据标定和反复的产品功能测试。这种电子 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 罗盘分辨率高、航向精度好，有磁偏角自校准功能、可以在任意倾斜的情况下准确指示方向； 二是应用于车辆导航、智能手机和平板电脑的集成化程度高、体积小的内嵌式电子罗盘。近 年来汽车、智能手机、平板电脑和游戏机等电子设备的导航功能已经将电子罗盘变成标准配 置，电子罗盘的使用量不断的增大。目前智能手机和平板制造商如苹果、三星，htc 和国内 的一些公司都在其发布的智能设备中都集成了电子罗盘（如图 1.4 所示） ，未来将扩大到游戏 机以及数位相机等装置上。 图 1.4 手机中集成的电子罗盘 三是应用于一些需要辨向的民用市场，比如在气象领域内使用的方向仪以及使用对径极 化磁铁的旋转编码器和角度传感器等。市面上现有的风向仪大多利用电阻码盘，虽然抗干扰 能力强，但是分辨率低且无法单独确定方向，需要与辨向设备联合使用。而使用电子罗盘模 块研制的风向仪依靠地球磁场确定方向，可以很好的解决这一问题，这类产品已经在厂家试 用并准备大批量生产。图 1.5 为手持式风向仪。 图 1.5 手持式风向仪 电子罗盘可以弥补了个人导航设备中全球定位系统(gps)的导航功能。在苹果首次将电子 罗盘功能放入iphone 3gs后， 消费者开始喜欢使用智能手机自觉式自动旋转地图的导航功能， 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 也因此开启了电子罗盘结合智能手机 gps 功能的时代，使罗盘功能成为基本配备，配备电子 罗盘功能的导航系统能够提供使用者前进方位的信息，改善了手持式 gps 设备的定位功能。 电子罗盘的应用领域也在不断拓广，比如用数位相机拍摄照片后，可透过 gps 导航功能将拍 摄地点内嵌成为照片的附属资讯，然后与照片一同应用于 sns 社群服务上。现在还有厂商将 磁敏传感器和加速度传感器集成在一起推出 6 轴元件，甚至还集成了陀螺仪推出 9 轴感测器 件，罗盘可以校准陀螺先天漂移的问题， ，而陀螺克服了电子罗盘不能进行动态测量的弊端， 集成磁罗盘的 9 轴感测器件输出的数据将可以用来推算使用者更细微的动作状态，它可在室 内推测出使用者的行走状态以及进行人员室内定位推算，并且在游戏市场上使用该功能可以 提高游戏的准确率、流畅度和更快的动态控制效果，提升用户体验。 上述提到的应用需要将电子罗盘内嵌在智能设备中，所以需要罗盘芯片体积小，功耗低， 成本少并且集成化程度高，内部不仅带有三轴磁敏传感器，还集成了三轴加速度传感器，运 放、a/d 转换器并能够通过标准 iic 接口或者 spi 接口输出数字信号。现在国外芯片生产厂 家如飞思卡尔公司的 mag3110 和日本旭化成公司生产的 ak8973、ak8975 和 ak8963c 都 是三轴数字化传感器芯片；美国 st 公司的 lsm303dlh，霍尼韦尔公司的 hcs01 和爱知制 钢的 ami603 都是已经集成了加速度传感器的高集成度 6 轴罗盘感应器。目前，美国 invensense 已经成功推出了 9 轴传感器芯片 mpu-9150，st 公司也新推出了 9 轴惯性传感器 模块 inemo-m1，霍尼韦尔公司推出了 10 轴的盲区推估模块 drm4000，这些高集成度的传 感器芯片不仅体积小，并且功能非常强大，通过传感器数据融合算法，能够应用于游戏、增 强实景、图像稳定、高级导航、机器人和身体运动重构等方面的用户体验，也能够识别用户 的复杂身体运动，并将其极其准确、快速地将其转化成数字模型。根据市场研究机构 ihs 在 2011 年的报告，受惠于手机和平板装置等终端产品的热销，电子罗盘全球营收预计达 4.191 亿美元，较 2010 年的 2.423 亿美元爆发性增长 186%，未来几年也会有强劲的两位数增长幅 度。到 2015 年之前，营收预计累积至 8.422 亿美元，是 2010 年规模的三倍以上。其稳定而 强劲的增长势头表明其市场规模将会攀上新的台阶。 1.3 研究目的和意义 电子罗盘是一种新型的重量轻、体积小、稳定性高、可靠性好的姿态检测模块，广泛应 用于航空、航天、航海、车辆导航、智能终端设备、气象检测等领域。特别是近年来智能手 机、平板电脑和游戏机等消费电子设备的导航功能已经将电子罗盘变成标准配置，近些年的 电子罗盘市场前景形势非常乐观。但是我国由于受到关键技术和计算机技术的发展制约，电 子罗盘核心传感器主要还是依靠国外进口，国内的罗盘市场只是停留在产品应用层面，并且 由于电子罗盘在军工方面具有明显的应用潜能，西方国家严格禁止了高精度电子罗盘像我国 出口，国内只能使用一些性能相对一般的进口产品及磁敏传感器。现在市面上使用最多的电 子罗盘基本上是采用 amr 传感器和磁通门传感器研制而成的，但是使用新型高灵敏度的 gmr 传感器制造的电子罗盘几乎没有， gmr 传感器属于一类新型的传感器，与 amr 传感 杭州电子科技大学硕士学位论文 6 器相比，具有体积小、灵敏度高、线性度好、磁场分辨率高、接口电路简单等诸多优点，更 适合于电子罗盘的应用，本文开展了在国内东方微磁科技有限公司生产的具有自主专利技术 的 gmr 传感器基础上进行了电子罗盘航向测量系统的相关技术研究。 现在交通运输行业迅速发展，交通拥堵现象时有发生，社会各界对公共交通问题非常关 注。现今 gps 技术在车辆导航、定位方面有着广泛的应用，但当车辆行驶在立交桥下面、深 山峡谷、城市高楼大厦区域等地区时，gps 信号将会被地形、地物所遮挡，导致精度大大降 低，甚至不能使用16。为解决这个问题，需要采用组合导航定向的方法，在现有 gps 的基础 上增加电子罗盘功能，它可以对 gps 信号进行有效补偿，保证导航定向信息有效，即使是在 gps 信号失效后也能正常工作，给车辆交通指明正确的方向，可以有力缓解交通拥堵，为步 入智能交通时代迈进一步17。 本文设计制作的电子罗盘，设计精度希望能够达到 1 ，为了实现这个目标，主要从以下 两个方面着手，一方面是利用新技术、高性能的传感器和微处理器，提高电子罗盘的精度， 同时降低罗盘功耗和尺寸，减小罗盘体积，为以后的内嵌式开发做准备。另一方面就是从补 偿校准算法分析，因为电子罗盘是测量地球磁场来确定航向的，而地球磁场本身比较微弱， 很容易受到环境磁场的干扰和其他因素的影响，导致航向角精度有很大的误差，因此需要分 析并研究电子罗盘误差的来源并提出补偿方法，通过罗差补偿校准来提高电子罗盘精度。 为此，本文从电子罗盘测量原理开始分析，详细分析了各种影响电子罗盘精度的误差来 源，提出了电子罗盘的误差补偿方法，设计和实现了电子罗盘误差补偿算法的软件，并且介 绍和分析了电子罗盘各个模块功能的硬件电路部分。 最后经过了标准实验室进行实验和测量， 结果表明，本文设计的电子罗盘补偿算法能够很好的对磁场干扰进行补偿，能够提高电子罗 盘的航向角精度和稳定性。 1.4 本文的主要内容 基于目前磁敏传感器领域新技术的发展和测量地磁场面临的硬件设计和软件补偿算法的 技术问题，本文重点研究基于 gmr 传感器的三轴电子罗盘的硬件设计开发，以及提高航向 精度和抗干扰能力的软件补偿算法。主要的研究内容包括电子罗盘的测量原理、电子罗盘的 硬件设计、电子罗盘的软件设计、电子罗盘的误差分析及磁场补偿方法等四个方面。本文围