（交通信息工程及控制专业论文）ITS载体磁航向测试技术研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 磁航向测量系统是一种利用地球磁场测量航向的系统。随着磁航向应用领域 的拓宽和智能航向交通系统的发展，已有的磁航向测量系统面临的精度、体积、 功耗偏大、调试、误差补偿复杂、费用偏高等问题有待解决。微处理器、微系统 以及智能传感器等新技术的出现和发展是解决目前磁航向测量系统存在问题的 有效方法。本文所研究的i t s 载体磁航向测试技术，能够有效识别磁航向测量系 统的动态罗差，有效地提高了磁航向测量的精度。 i t s 载体磁航向测试技术是以磁航向测量系统研究为基础，设计一套差分磁 罗盘磁航向测量系统。通过硬件与软件完成航向信息采集、测量结果的误差补偿、 多路数字量组合输出等任务。该系统具有体积小、精度高、操作简单、工作可靠、 动态性能良好等特点。 本课题经历了一个从误差补偿算法研究、系统方案设计、硬件配置、软件编 制到系统调试的完整过程，实验板已达到设计要求。这套系统可以应用于无人机、 车辆、舰船等其他载体的系统中。 关键字：磁航向系统；磁阻传感器；罗差；误差补偿；微处理器 南京航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i ch e a d i n gm e a s u r i n gs y s t e mi sas y s t e mw h i c h u s e se a r t h sm a g n e t i cf i e l d t os u p p l yh e a d i n g 鼢t h ea p p l i c a t i o no f m a g n e t i ch e a d i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，t h ep r o b l e m sw h i c hp r e v i o u sm a g n e t i ch e a d i n g m e a s u r i n gs y s t e m s h a v e i n v o l v e d ，s u c h a s b i gs i z e ，b i gp o w e r a n d c o m p l e x c o m p e n s a t i o n s h o u l d b e e n s o l v e d m i c r o p r o c e s s o ra n d i n t e l l e c t u a ls e n s o r sa r e e f f e c t u a lm e t h o d st os o l v et h o s e p r o b l e m s t h i sp e rr e s e a r c h e s i t sc a r r i e r m a g n e t i ch e a d i n gm e a s u r i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h i s a b l et o i d e n t i f y t h e d y n a r n i c c o m p a s s e r r o ra n dr a i s et h eh e a d i n g p r e c i s i o n i t sc a r r i e rm a g n e t i ch e a d i n gm e a s u r i n gt e c h n o l o g yi so nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h o fm a g n e t i ch e a d i n gm e a s u r i n gs y s t e m ad i f f e r e n t i a l m a g n e t i cc o m p a s sh e a d i n g m e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h r o u g hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i tw i l lc o m p l e t e t h e h e a d i n g i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n t h e c o m p e n s a t i o n o fm e a s u r i n gr e s u l t sa n d m u l t i d i g i t a ld a t a ss y s t e mh a st h e s ec h a r a c t e r s ，s u c ha ss m a l ls i z e h i g hp r e c i s i o n s i m p l eo p e r a t i o n ，h i g hc r e d i b i l i t ya n dg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i s p r o j e c t h a sa nh a t e g r a t e dp r o c e s sf r o me r r o rc o m p e n s a t i o n sa r i t h m e t i c r e s e a r c h ，s y s t e ms c h e m ed e s i g n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t ot h es y s t e md e b u g g i n g ，t e s t c i r c u i tb o a r dh a sr e a c h e dt ot h ed e s i g nd e m a n d t h j s s y s t e mc a nb eu s e di n t h e n a v i g a t i o ns y s t e mo f t m p i l o t e d ，v e h i c l e ，m a r i n e ，s h i p k e y w o r d s ：m a g n e t i ch e a d i n gs y s t e m ；m a g n e t i cs e n s o r ；c o m p a s s e r r o r ；e r r o r c o m p e n s a t i o n ；m i c r o p r o c e s s o r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：蛐 日期：燮：查：堕 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 1 i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s 智能交通系统 2 a t i sa d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o n s y s t e m 先进的出行者信息系统 3 a v c sa d v a n c e dv e h i c l e c o n t r o l s y s t e m 先进的车辆控制系统 4 a c v oa d v a n c e dc o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n 先进的运营车辆管理系统 5 g p sg l o b a l p o s i t o n i n gs y s t e m 全球定位系统 6 g l o n a s sg l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m 全球卫星导航系统 7 d rd e a d r e c k o n i n g航迹推算 8 m m m a 口m a t c h i n g 地图匹配 9 d m c d i g i t a lm a g n e t i cc o m p a s s 数字磁罗盘 1 0 d d m cd i f f e m n t i a l d i g i t a lm a g n e t i cc o m p a s s 差分磁罗盘 1 j 【，。一地磁场水平分量； 口一磁倾角；0 一俯仰角；0 一倾斜角： 2 p i t c h - - 俯仰角；r o l l 一横滚角； 3 h ，、h 。和日：一0 = 0 ，声= 0 时地磁场在载体纵轴x 、横轴y 和竖轴z 上的分量： ”h 。和日。一地磁场在载体纵轴x 、横轴y 和竖轴z 上的分量； 4 九一真实和航向角；一测量的航向角；v 一磁偏角； 5 一测量误差：，一半圆误差；以一象限误差； 6 j 圹，巧一标度系数；x o f f , 一磁场强度偏移量；x ，匕一补偿后的磁场强度 分量： 7 c ，c ，r ，r ，t p 】一椭圆拟合函数的5 个参数； 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 利用地磁场测量航向有着悠久的历史，很多学者和科学家已经在这一领域做 出了很多突出贡献，大多数研究系统的重要组成部分是地磁场作为定向的重要参 数。但是迄今为止，人类研制出的任何一个自主导航定位系统在体积、重量和功 耗方面都不尽如人意。因此，研制出既小巧又准确的导航定位系统是人类梦寐以 求的目标。 随着电子技术以及传感器技术的发展，使得磁航向的测量进入了一个新的发 展时期，带有微处理器的数字磁罗盘成为各国的研究热点，微处理器的出现使得 磁航向测量系统在性能上和体积上有了很大改善。同时，无人机技术和微型飞行 器技术的发展，给磁航向测量提出了更高的要求。无人机在可以实施遥控遥测的 距离范围内，可以从地面遥测控制，距离远了无线电波因地球曲率而传不到，遥 测控制无法进行。因此无人机的控制导航与定位成为关键问题，这要求磁航向测 量系统能够提供高品质的航向信息以达到高质量的导航效果。 车辆导航是磁航向测量系统另一个应用领域，随着磁航向应用领域的拓宽， 特别是车辆导航技术的发展，使得载机航向测量精度越来越不能满足要求，这样 就给原有的磁航向测量技术提出了更高的要求。后来应运而生了多种组合航向测 量系统，针对不同环境状态采用不同的传感器组合方式，提供比较理想的航位推 算系统，可以达到比较好的定位效果。但是以磁罗盘和角速率陀螺为主要航向测 量传感器的组合航向测量系统仍旧存在以下缺点：陀螺由于其惯性原理将导致长 时间推算后航向误差无限增大，同时陀螺的温漂和时漂也很难以控制；磁罗盘在 感受外界动态磁干扰的情况下，提供的航向信号的可信度也相对下降。因此，以 提高航向测量精度为目的，如何保证磁航向测量系统提供航向信息的有效性成为 解决问题的关键。本文提出了差分磁罗盘的概念，分析了其用于动态罗差识别时 的可行性。以c 8 0 5 1 f 0 0 5 为核心，组建了小型差分磁罗盘航向钡量试验系统，差 分磁罗盘采用两个完全相同的h m c 6 3 5 2 数字磁罗盘，通过硬件结构与软件设计， 完成航向信号的实时采集、测量信号的误差补偿、多路信号的数字量组合输出等 任务。采用这个实验方案，研究了磁罗盘的动态罗差识别问题。该实验系统的实 验结果表明：在识别率大于5 0 ，错误率小于1 5 f j 提下，识别精度可稳定在8 。 一1 0 。较好地解决了在组合系统数据融合算法中磁罗盘测量信息的可信度问题。 i t s 载体磁航向测试技术研究 1 2 智能交通系统( i t s ) 的发展概况 智能交通系统( i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 是目前世界交通领域 研究的前沿课题，它是在当代科学技术充分发展进步的背景下产生的，旨在将先 进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运 用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用的，实时、准 确、高效的交通运输管理系统。目前国际上的i t s 研究形成了美国、日本和欧洲 三大阵营。 在美国，i t s 应用发展的比较快，车辆安全系统( 占5 1 ) ，电子收费( 占3 7 ) ， 公路及车辆管理系统( 占2 8 ) ，实时自动定位系统( 占2 0 ) ，商业车辆管理系 统( 占1 4 ) 。 日本政府在i t s 领域投入了大量的资金，政策也做相应的支持。在过去的5 6 年的时间里，已经有近4 0 0 万套车内导航系统在市场上得到应用。日本的i t s 应用 主要是在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆管理以及紧急车辆优先 等方面。 欧洲在i t s 应用方面的进展，介于日本和美国之间。但在开发先进的旅行信息 系( a t i s ) ，先进的车辆控制系统( a v c s ) ，先进的商业车辆运行系统( a c v o ) ， 先进的电子收费系统方面。 i t s 技术在不断完善，但是随着世界各国大城市的交通拥挤问题的频繁出现， i t s 仍旧表现出不尽如人意之处。以美国为例，1 9 7 6 1 9 9 7 年期间，年车辆公里 数以7 7 的速度上升，可是同期道路建设里程的增长数却仅为2 ，在城市交通 中的高峰时期，5 4 的车处于拥挤状态。由于交通拥挤，人们消耗在上下班的时 间比平时多了1 5 h ，商业运输车辆也将增加运输成本，导致国家资源的大幅度浪 费，这就需要综合运用现代信息技术与通讯技术来提高交通运输的效率。 1 3 课题背景以及研究意义 航向信息无论是对于i t s 还是导航测量系统来说都是一个重要参数，它表征测 量系统测量精度的大小及输出结果的可靠性。在车辆组合导航系统中，航迹推算 ( d r ) 是一种常用的车辆定位技术，但方向传感器随着时间积累误差较大，不能 单独、长时间地使用。当车辆行驶在城市高楼区、林荫道、涵洞、立交桥下面及 深山峡谷内时，全球卫星导航定位( g p s ) 信号将会丢失。因此，此时使用磁航 向测量系统将是很明智的选择，磁航向系统又称磁罗盘，是一种利用地球磁场测 量方向的装置。磁罗盘不仅仅应用在航海和航天方面，在g p s 、车载信息服务系 统、机器人定向导航、无人机等各个方面都有它的应用。 南京航空航天大学硕士学位论文 磁罗盘主要用于罗盘定向系统。传统使用的速率陀螺，它能提供比较准确的 航向速率，但是由于速率陀螺有初始基准问题，而且也存在误差累计。当前广泛 使用的g p s 导航系统是一种高精度导航系统，其缺点是：当g p s 信号受到遮挡时， g p s 无法提供航向信息，虽然可以通过差分式系统提高精度，但由于其观测量特 性的复杂性、后期数据处理的难补偿性，航向测量精度仍然有待提高。目前组合 航向测量系统“磁罗盘+ 陀螺”的数据融合问题复杂，动态罗差识别精度不高。 针对以上航向测量系统的缺点，本论文提出基于差分磁罗盘航向测量系统，把两 个完全相同的磁罗盘组成差分磁罗盘，两个磁罗盘同时感受外界的磁场变化，因 而差分磁罗盘为提高动态罗差的有效识别率做出贡献。此系统可为航海、航空以 及车辆导航提供精确的航向信息。 随着信息产业、交通运输、电力电子技术、医疗仪器等的飞速发展和电子计 算机应用的普及，这就给磁传感器的快速发展提供了机会。微处理器技术的飞速 发展，特别是单片机技术的应用，使磁航向测量技术的发展进入了新的发展时期。 目前国外的磁罗盘技术相对比较成熟，在磁罗盘微型化、智能化、低功耗方面耿 得了比较大的成果，最具代表性的就是h o n e y w e l l 公司的h m r 系列数字磁罗盘， 该罗盘具有体积小、功耗低、测量精度高等特点。自6 0 年代开始研究磁罗盘在无 人机上的应用，获得比较大的成功，远读磁罗盘在“红- - i i ”型靶机航向测量中 得到应用。此后，国内很多院校以及研究机构也纷纷开始了磁罗盘在车载等领域 的应用研究。 科学技术的不断发展向磁航向测量系统提出了更多更高的要求，主要体现在 磁罗盘的体积、重量、成本和功耗方面。因此，进一步减少体积、功耗和成本是 目前磁罗盘面临的根本问题。从根本上解决问题就是要利用目前先进的技术和方 法研究磁罗盘的智能化、模块化，提高磁罗盘误差补偿的精度，优化其算法。本 文从传统的航向测量方法着手，分析比较各种组合测量方案的优缺点，最终提出 了基于差分磁罗盘航向测量系统设计方案，系统包括硬件电路、软件部分的的设 计与调试，通过大量仿真实验，结果表明：本系统在方案设计上是可行的，能够 提高航向信息的可信度，与其他航向测量系统相比，具有不可替代的优点。 1 3 1 捷联数字式磁航向系统及其测量原理 地磁场是所有磁航向系统的基础，地磁场是一个弱磁场，在地球表面地磁场 的平均强度为0 5 至o 6 9 u a s s 。地磁场是矢量场，地磁场强度以，表示，它可分 解成北向、东向和垂直向下的三个分量。地磁场强度在水平面上的投影为h ，而 h 和地理正北方向的夹角为d ，成为磁偏角。因此，指北针所指南北方向是地磁 南北，与地理南北方向有一偏差，此偏差就是磁偏差。 地磁场可以用图1 1 所示的双极模型模拟表示。地磁轴与地面相交于两点， i t s 载体磁航向测试技术研究 这两点称为地磁极，北地磁极的坐标是在地理北纬7 8 5 。，西经6 9 。，地磁轴与 地球的自转有1 1 5 。的交角。图1 1 中所示北半球中地球磁场向下指向北方，在 赤道处它水平指向北方，在南半球中向上指向北方。一般情况下，地球磁场的 方向指向磁北。被用来确定罗盘方向的正是这磁场平行于地球表面的分量。由于 地磁磁极和地球的南北极并不重合，所以磁航向角和地理( 真) 航向角并不是 一个概念，它们之间存在一个磁偏角。其关系为：磁航向角+ 磁偏角= 地理航向 角，地理航向角可必先求得磁航向角后求得。 图1 1 地球磁场与真北 图1 2 飞机坐标 磁航向系统用于飞机上时，磁航向定义为飞机纵轴在水平面上的投影与当地磁 子午线( 即地球磁经线) 的夹角。磁航向用0 。到3 6 0 。的角度值来表示，规定 飞机正东飞时，磁航向角度值为9 0 。如图1 3 所示，捷联数字式航向测量系统 由三轴磁传感器、模拟电路、a d 转换和微处理器组成。 三轴磁传感器测出地磁场在飞机纵轴o x 、横轴o y 和竖轴o z ( 如图1 2 所 示) 上的分量日。、h 。和：，经模拟电路和a d 转换后送入微处理器。同时将飞 机的俯仰角e ( 飞机抬头时为正) 和倾斜角( 飞机右倾时为正) 也经a d 转换 送入微处理器，在不受磁场干扰的情况下，h 。、日，和日：以及。和b 与航向角中 的关系如式( 1 1 ) ： a 0 微 l 斜角， 处 转换 兰该卜概卜 电路 理 器 圈1 3 捷联数字式航向测量系统框图 南京航空航天大学硕士学位论文 其中：风为地磁场水平分量，口为磁倾角。利用微处理器按上式求解出 i v 0c o s 和风s t n 痧，进而求出航向妒： 户a r c t a n 旦凳( i - 2 ) h nc o s 毋 国内首次在无人机上应用捷联数字式磁航向系统成功后，该系统因性能上的 大幅度提高而受到好评。但是随着无人机技术的发展，现有捷联数字式磁航向系 统存在的问题渐渐暴露出来。问题主要表现在体积、重量和功耗偏高，为了提高 实际应用精度所进行整机误差补偿的费用太高等方面。 1 3 2 车辆组合导航测量系统 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 或全球卫星导航系统( g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ，g l o n a s s ) 能迅速、准确、全天候地提供定位导航信 息，但是在城市高楼区、林荫道、涵洞及深山峡谷内，g p s 或g l o n a s s 的上述 功能可能会失效。航迹推算( d r ) 是一种常用的车辆定位技术，但方向传感器随时 间积累误差较大，不能单独、长时间地使用。为了保证车辆正常行驶时启够准确 地知道车辆所处正确方位，必须使用地图匹配( m m ) 的方法显示及进一步校正定位 误差。因此，采用先进的信息融合技术，将各种传感器的信号融合在起，进行 车辆组合导航，运用一些先进的智能算法，达到最佳的组合状态。这样，各组件 传感器的信号相互融合，充分发挥各自的优势，进行优劣互补，从而获得比较满 意的导航定位精度。 车辆组合导航的发展趋势是系统应具有定位精度高、重量轻、成本低等特点。 目前，车辆组合导航通常有以下几种组合方式：g p s 小1 1 v i 、g p s d r 、g p s d i t 删m 、 g p s g l o n a s s 。对于g p s m m 组合导航方式来说，只需提供g p s 接收机，成本较 低，但是当g p s 信号丢失时，系统将无法正常工作，系统的可靠性降低。对于 g p s d r 来说，当g p s 信号丢失无法定位时，d r 系统可继续工作，系统的可靠性 得到了提高，但当车辆行驶在城市高楼区、林荫道、涵洞、立交桥下面及深山峡 谷内时，就无法利用数字地图匹配技术对g p s 定位信息和d r 系统的定位信息做进 一步校正了。g p s d i v m m 组合导航方式，克服了g p s m m 和g p s d r 这两种组合 方式的缺点，是比较理想的自主式组合方式。但是匹配的地图必须具有较高精度， 州= 坩凰 舢。舢 一 co 咖 疗疗 。兰|兰 。篙以够以 i t s 载体磁航向测试技术研究 方能达到三组合定位和导航的要求。 1 4 课题研究内容 南京航空航天大学民航学院交通信息工程研究所近年来开展了关于数字磁 罗盘在导航系统和车载导航系统中应用方面的研究，同时在数字磁罗盘的应用研 究中也取得了重大突破，具有多项实际应用成果。根据磁航向系统面临的问题和 新技术的发展情况，本文将重点研究磁航向测量系统的测量技术，以及磁航向系 统航向输出可靠性的关键问题，该研究成果可应用在飞行器、地面车辆导航、舰 船导航等领域。本文共分七章。 第一章鳍论。介绍磁航向系统的发展史，讨论目前多数无人机应用的捷 联数字式磁航向系统的原理和面临的问题，以及组合磁航向测量系统的缺点，综 合新技术的发展，提出解决目前磁航向测量系统所面临的问题的方法，从而引出 本课题的研究对象和研究内容。 第二章传感器。首先，介绍了磁阻效应传感器和h o n e y w e l l 公司生产的 h m c 系列磁阻传感器的工作原理。主要介绍了数字磁罗盘h m c 6 3 5 2 及其性能和 主要组成部分。介绍了实验系统使用的加速度计a d x l 2 0 2 的工作原理以及使用 方法。 第三章误差分析。以磁罗盘误差补偿为目的，详细分析了磁航向测量系 统的误差及其形成原因，提供了磁罗盘误差的数学模型。 第四章误差补偿。主要研究磁罗盘误差补偿问题，针对研制的差分磁罗 盘航向测量实验系统提出了有效的误差补偿方案。其中包括基于八点的最t j - , z 乘 补偿法和最佳椭圆拟合补偿法两种算法，给出算法的实现方案。 第五章差分磁罗盘航向测量实验系统的实现方案。介绍了系统的设计方 案，包括硬件实现和软件实现。 第六章实验与结果分析。介绍了实验系统在模拟干扰磁场的条件下，首 先对磁罗盘输出的原始磁场强度进行最佳椭圆拟合误差补偿，然后对补偿之后的 数据进行仿真实验，结果分析采用两种方法：l 、使用差分测量信息分析样本；2 、 不使用差分测量信息分析样本。实验结果表明差分磁罗盘对补偿动态罗差是有 效的。 第七章结论。指出本文所做的工作，以及对未来工作的展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章航向测量系统的主要传感器 航向测量系统主要是用来测量载体的航向，目前航向研究领域是利用各种地 磁场传感器来实现测量航向的目的。一般来说，使用最多的是磁阻传感器，它是 通过感受地球磁场在载体纵轴、横轴、竖轴的分量，最终解算出载体的航向。因 此本章先介绍一下磁阻效应传感器，然后介绍差分磁罗盘航向测量系统所需要的 主要传感器- - h o n e y w e l l 公司生产的h m c 系列磁阻传感器以及数字式磁罗盘 h m c 6 3 5 2 的性能和组成。最后将介绍实验系统使用到的加速度传感器a d x l 2 0 2 。 2 1 磁阻效应传感器 磁阻效应传感器( m r ) 是根据磁性材料的磁阻效应制成的。磁性材料( 如坡 莫合金) 具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、 材料的形状和磁化磁场的方向。如图2 1 所示，当给带状磁体通电流i 时，磁控阻 的阻值取决于电流的方向与磁化方向的夹角。 甾丝= = i 营= = 苫红 m 。 ， ， ， r 【 ，、 ，、 ， 、 图2 1 磁阻传感器工作原理及m r 相应曲线 磁阻传感器已经能制作在硅片上，并形成产品。其灵敏度和线性度已经能满 足磁罗盘的要求，各方面的性能明显优于霍尔器件。迟滞误差和零点温度漂移还 可以采用对传感器进行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。磁阻传感器具 有下列优越性能，使得它们进入了各种应用场合： 尺寸小，价格便宜，能够有效降低应用系统成本和体积。 高灵敏度，使传感器可距被测铁磁物质有较远距离。 内阻抗小，使其对电磁噪声和干扰不敏感。 由于是固态，无转动部件，使它具有高度的可靠性。 由于部件能方便地装入在插板产品中，可使实施成本降低。 i t s 载体磁航向测试技术研究 功耗小，有利于降低磁航向系统功耗。 磁阻效应传感器是目前最适合用于地磁场测量的传感器，它有利于降低数字 磁罗盘的生产成本，有利于减小数字磁罗盘的体积，有利于提高数字磁罗盘的抗 干扰能力。 2 2h m o 系列磁阻传感器 h o n e y w e l l 公司的h m c 系列磁阻传感器的基本单元为磁阻敏感元件，它由长 而薄的玻莫合金薄膜制成。磁阻效应传感器一般由四个这样的磁阻敏感元件组 成，并将它们接成惠斯通电桥。如图2 2 所示，在外磁场的作用下，磁阻的变化 引起输出电压的变化。 图2 2 惠斯通电桥的工作原理 如果给磁阻敏感元件施加一个磁场b ( 被测磁场) ，就会使原来的磁化方向 转动。如果磁化方向转向垂直于电流的方向，则磁阻敏感元件的阻值将减小；如 果磁化方向转向平行于电流的方向，则磁阻敏感元件的阻值将增大。在被测磁场 作用下，提供个供电电压圪，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值为r + a r ， 另外两个电阻的阻值为r 一r ，从而计算得a v o u t = ( r ，丑) 砀，便可在线性区 域输出和外加磁场成正比的信号。 除了磁阻电桥电路以外，同时在硅平面上制作了两个电流带，一个是用来重 新确定玻莫合金的磁化方向，另一个用来产生一个偏置磁场以补偿磁阻传感器周 围的环境磁场。器件因不需要聚磁器，不会导致迟滞和非重复性。 磁阻传感器存在的主要问题是其翻转效应，这是其原理所固有的。在使用前 对磁性材料进行了磁化，此后如果遇到了较强的相反方向的磁场( 大于2 0 9 u a s s ) 就会对材料的磁化产生影响，从而影响传感器的性能。在极端情况下，会使磁化 方向翻转1 8 0 度。这种危险虽然可以利用周期性磁化的方法加以消除，但是仍然 存在问题。对材料进行磁化的磁场必须很强，如果采用外加线圈束产生周期性磁 南京航空航大大学硕士学位论文 化磁场，就失去了小型化的意义。h o n e y w e l l 公司的一项专利，解决了这一问题。 他们在硅片上制作了一个电流带来产生磁化磁场，该电流带只有5 欧姆左右。虽 然磁化电流只持续1 2 毫秒，但电流强度却高达l 到i 5 安培。表2 1 列出了 h o n e y w e 1 公司h m c l 0 2 i 1 0 2 2 型号磁阻传感器的一些工作参数。 表2 ih o n e y w e l l 磁阻传感器i 删c 1 0 2 1 1 0 2 2 参数 参数最小值典型值最大值单位 工作温度 - 5 51 5 0 度 测量范围 - 6十6 g a u s s 线性度 0 0 5俗 磁滞 0 0 8船 重复性 o 0 8殿 灵敏度 o 81 o1 2 5 m v v g a u s s 噪声( 带宽= 1 0 h z ) 8 5 u g a u s s 置位复位电流 o 5 0 54 0 a m p 干扰磁场 2 0 g a u s s 2 3 数字式磁罗盘h m c 6 3 5 2 差分磁罗盘磁航向测量系统中差分磁罗盘采用数字磁罗盘h m c 6 3 5 2 ， h o n e y w e l l 公司的h m c 6 3 5 2 是双轴集成罗盘的设计方案，它将双轴m r 磁场传 感器结构与所需的模拟和数字电路集成到一起，可以用于定向计算。其内部结构 的方框图和外形图如2 _ 3 所示，它的结构特点为： 图2 3h m c 6 3 5 2 内部方框图及其外形 ( 1 ) 是全集成的罗盘模块； ( 2 ) 配有电子元件的双轴磁传感器； ( 3 ) 微型( 6 5 6 5 1 4 m m ) 2 4 针l c c 封装： ( 4 ) 2 7 到5 2 伏供电电压范围； ( 5 ) 精确的定向能力； 9 i t s 载体磁航向测试技术研究 f 6 1 1 2 c 数字接口； ( 7 ) 用户可选择从地址； h m c 6 3 5 2 集成罗盘传感器电路包括两个互相垂直定位的m r 传感器，它们 是用来传感地球磁场的水平分量，以及两个放大器，一个置位复位驱动电路和一 个微处理器( p ) 。在洁净的磁场环境中，保持罗盘与重力方向成水平或垂直方向， 可以获得最高的测量精度。如果是在最坏的情况下，与水平方向每偏斜1 度，罗 盘的定向误差就增加两度。如果靠近比较强的磁场源时，也可能产生磁场误差。 但是这些可以通过执行校准程序降低或完全消除这些磁场误差，同时也可采用 h m c 6 3 5 2 中的用户校准模式来消除磁罗盘周围的硬铁干扰。 h m c 6 3 5 2 与其他h o n e y w e l l 公司生产的磁罗盘相比，最大的特点就是使用 了1 2 c 的数字接口，它是一种双线的双向串行总线即数据线( s d a ) 与时钟线 ( s c l ) 。h m c 6 3 5 2 根据1 2 c 总线技术定义接口协议，由h o n e y w e l l 定义低指令协 议。数据传输速度为标准模式1 0 0 k b 。h m c 6 3 5 2 与c 8 0 5 1 f 0 0 5 的连接图如图2 4 所示。 a 图2 4h m c 6 3 5 2 的连接图 2 3 1h m 0 6 3 5 2 的i2 c 通信协议 h m c 6 3 5 2 通常作为“从”器件与“主”器件进行通信。母线位格式为一 个8 位数据地址与一个确认位发送，数据字节格式应是传输给“从”h m c 6 3 5 2 的敏感的a s c i i 字符或二进制数据，返回二进制数据。负二进制值是补码形式。 缺省的h m c 6 3 5 2 “从”地址，用于命令时为4 2 ( 十六进制) ，用于响应数据字节 时为4 3 ( 十六进制) ；它是一个7 位地址，其0 位为读写选择。 h m c 6 3 5 2 串行时钟( s c l ) 和串行数据线不具备内部上拉电阻，因此在主设 0 南京航空航天大学硕士学侥论文 备和h m c 6 3 5 2 间要求电阻上拉。额定电压为3 0 v 的电源可以采用约1 0 k q 的上 拉电阻值。 一次典型的1 2 c 数据传输包括：一个起始条件( s t a r t ) 、一个地址字节( 位 7 l ：7 位从地址；位0 ：r w 方向位) 、一个或多个字节的数据和一个停止条件 ( s t o p ) 。每个地址字节和每个数据字节后面都跟随一个来自接收器的确认 ( a c k n o w l e d g e ) 位。方向位被设置为逻辑1 ，表示这是一个“读”( r e a d ) 操作：方向位为逻辑0 ，则表示这是一个“写”( w r i t e ) 操作。 所有的数据传输都是由主器件设备启动，主器件可以寻址一个或多个目标从 器件。在本系统中主器件是c 8 0 5 1 f 0 0 5 ，两个磁罗盘作为从器件。主器件产生一 个起始条件，然后发送地址和方向位。如果数据传输是一个主器件到从器件的写 操作，则主器件每发送一个数据字节后等待来自从器件的确认；如果是一个读操 作，则由从器件发送数据并等待主器件的确认。在数据传输结束时，主器件产生 一个停止条件，结束数据交换并释放总线。 2 3 2h m c 6 3 5 2 的命令协议 命令协议定义了主器件( c 8 0 5 1 f 0 0 5 ) 和从器件( h m c 6 3 5 2 ) 所发送的1 2 c 协议数据字节的内容。 主器件发送7 位从地址，1 位读写后，得到1 位返回的从器件的确认位；接 下来发出的一个到三个数据字节被定义为输入命令和自变量字节。为了保存数据 信号，所有响应数据( 读) 应该对上一个发送命令( 写) 的内容敏感。所有命令 应具有清楚的l s b 位的地址字节( 缺省值为4 2 ( 十六进制) ) 。通常这些命令的 后面是a s c i i 命令字节和命令特有的二进制自变量字节： ( 命令a s c i i 字节) ( 自变量二进制( 高位) m s 字节) ( 自变量二进制( 低位) l s 字节) 从器件( h m c 6 3 5 2 ) 应根据1 2 c 协议，在每个数据字节间提供确认位。通过发 送l s b 的地址字节( 缺省值为4 3 ( 十六进制) ) ，和随后读取一个或两个与上一 个命令有关的响应字节。例如，一个“a ”命令提示h m c 6 3 5 2 进行传感器测量， 并发送两字节的罗盘航向或磁力计数据等所有读数。随后，在发送了从地址字节 后，所有连续成功的读数应记录两个响应字节。表2 2 显示了h m c 6 3 5 2 命令与 响应数据流。 i t s 载体磁航向测试技术研究 表2 2 接口命令响应 命令字节白变量字符自变凳字节响应字节响应字节说明 ( a s c i i )i ( 二进制)2 ( _ 二进制)1 ( 二进制) 2 ( 二进制) w地址 数据写入e e p r o m r地址数据 从e e p r o m 中读取 g地址 数据写到r a m 寄存器中 g 地址数据从r a m 寄存器中读取 s 进入睡眠模式( 睡眠) 退出睡眠模式( 醒来) o 更新电桥偏置( 置位复 位) c 进入用户校准模式 e 退出用户校准模式 l 将操作模式保存剑 e e p r o m a 得到数据计算新的航向 2 3 3h m c 6 3 5 2 的操作模式 如表2 2 所示，通过“w ”命令可以退出非操作( 睡眠) 模式。“s ”命令可使 处理器返回到睡眠模式。如果主器件发送“l ”命令，则r a m 寄存器内的当前操 作模式字节被加载到内部e e p r o m 寄存器内，并成为下一次通电启动时的缺省 操作模式。操作模式选择字节r a m 寄存器的地址是7 4 ( 十六进制) 。 h m c 6 3 5 2 有三种操作模式：待机模式、询问模式以及连续模式。 待机模式( 操作模式0 ) 是工厂设置的缺省模式，h m c 6 3 5 2 等待主器件的命 令或操作模式的改变，如果接到“a ”命令( 获取数据) 使h m c 6 3 5 2 执行传 感器( 磁力计) 测量，计算被补偿的磁力计和航向数据，并等待下一个读数 或命令，在发送下一个“a ”命令前，不进行新的测量。 询问模式( 操作模式1 ) ，在这个模式下，内部处理器等待a ( 获取数据) ， 进行测量和计算，并等待下一个读取命令来输出数据。在每个读取命令后， h m c 6 3 5 2 自动执行另一个获取数据程序，并更新数据寄存器。此模式在没有 重复“a ”命令的情况下根据需要获取数据，由主器件负责控制时间和整个 数据。 连续模式( 操作模式3 ) ，h m c 6 3 5 2 可以选择速度：i h z ，5 h z ，1 0 h z 或2 0 h z ，执行连续的传感器测量和数据计算，并更新输出数据字节。除非需要与 命令再次同步，否则不需要随后的“a ”命令，数据读取自动获取最近的更 新内容。连续模式的测量速度由操作模式选择字节中的两个位来决定。操作 模式字节的选择保存在处理器r a m 寄存器和e e p r o m 中，一旦上电， e e p r o m 把保存的操作模式字节传送到寄存器地址7 4 ( 十六进制) 。以下便 南京航空航天人学硕七学位论文 是字节的形式： 位7 = o 位6 和位5 ( 连续模式测量速度) 如表2 3 所示 表2 3 连续模式测量速度选择 位6位5说明 0oi h z 测量速度 o15 h z 测量速度 101 0 h z 测量速度 l1 2 0 h z 测量速度 位4 ( 定期簧位复位) ，o = 关，l = 开：位3 = o ：位2 = 0 位l 和位0 ( 操作模式值) 如表2 4 所示： 表2 4 操作模式选择 位1位0 说明 oo待机模式 0 1 询问模式 l0连续模式 11不允许使用 操作模式字节的每个位的格式如表2 5 所示： 表2 5 操作模式字节每个位的格式 位7位6位5位4位3位2位l位0 ( m s b )( l s b ) o 测量速度高测量速度p e t s r 00操作模式操作模式 位低位定期置位复位高位低位 2 3 4h m 0 6 3 5 2 的输出数据 h m c 6 3 5 2 收到“a ”命令后，它将返回两个二进制格式的字节。依据输出数 据选择字节的数值，可以得到航向或者磁力计数据。这个选择字节位于r a m 寄 存器中4 e ( 十六进制) ，上电时的缺省值为0 ( 定向) 。 以下是字节格式： 位7 到位3 = 0 ；位0 ，位l ，位2 ( 输出模式值) ，如表2 6 所示： 表2 6 输出模式选择 位2位1位0说明 oo0航向模式 oo1原始的磁力计x 模式 o10原始的磁力计y 模式 oll磁力计x 模式 loo磁力计y 模式 输出模式字节的各个格式如表2 7 所示： i t s 载体磁航向测试技术研究 表2 7 输出模式字节的格式 l位7位6位5位4位3位2位1位0 ( m s b )( l s b ) 0 o00o 模式模式模式 以下将介绍各模式的具体内容： ( 1 ) 航向模式：航向输出数据将是几十度的数值，范围是从0 到3 5 9 9 ，并且为两个 字节提供二进制格式。 ( 2 ) 原始磁力计模式：x 轴、y 轴原始磁力计的数据读数。 ( 3 ) 磁力计模式：x 轴、y 轴磁力计数据读数是原始磁力计读数加上偏置量和所用 的换算系数。 2 4 倾斜角传感器 当航向测量系统安装在运动载体上时，运动载体的姿态会发生变化，这就将 给航向角的确定带来一定的困难。解决这一问题的典型方法就是应用倾斜仪或倾 斜角传感器得到载体的横滚角和俯仰角，然后通过数据处理补偿载体倾斜给航向 信息带来的影响。下面先介绍一下倾斜角传感器的发展趋势，然后介绍差分磁罗 盘角速率陀螺航向测量系统中使用的加速度计a d x l 2 0 2 的工作原理。 2 4 1 倾斜角传感器的发展动态 倾斜角传感器按工作机理可以分为：应变式、电感式、液体摆式、气体摆式 等多种。结构各异的倾斜角传感器的共同特点就是借助重力作用，测量在特定方 向上传感器相对水平面的倾斜角度。倾斜传感器可以测量出载体倾斜角度，一般 的两维倾斜角传感器可以同时测量传感器相互正交的两个方向的水平倾斜角度， 从而计算出载体的倾角。 目静国内有采用“气体摆”原理做成的单轴向传感器和二维气体摆式倾角传 感器；也有采用单摆原理制成的倾角传感器。而加速度传感器由于其动态性能好、 精度高等优点，在倾角测量领域中已经得到广泛的应用。本文采用加速度计 a d x l 2 0 2 作为航向测量系统的倾斜角传感器。 2 4 2a d x l 2 0 2 ( 双轴加速度传感器) 的工作特性 a d x l 2 0 2 双轴加速度传感器测量水平方向x 轴、y 轴的加速度，测量范围 为2 9 ，以脉冲占空比形式输出，3 v 到5 2 5 v 电源供电，其内部组成框图如图 2 5 左侧图所示。 如图2 5 右侧图所示，占空比输出可以通过测量微处理器的计数器直接得到， 不需要a d 转换器。可以通过r 。端的电阻值调节占空比的周期，调节范围从 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 l m s 到1 0 r e s ，如表2 8 所示。加速度计的带宽变化可以通过调节。，端、y 赢。端 的c 。和q 的电容值获得如表2 9 所示。加速度计的提供电压为3 v 时，每个轴 输出的脉冲占空比t 1 t 2 = 1 1 l g ，m r 和r 端的灵敏度时1 6 7 m v g 。 图2 5a d x l 2 0 2 内部组成框图 裂器躲镙誊 n - r 一1 2 m 表2 8 t 2 与所需r 口r 的对应关系表2 9 滤波电容选择c 和c r t 2r s e t 1 m s1 2 5 k 0 2 m s2 5 0 k 0 5 m s6 2 5 k q 1 0 m s1 2 5 m q lb a n d w i d t h c a p a c i t o r l o h z0 4 7 u f 5 0 h z 0 1 0 u f 1 0 0 h z0 0 5 u f 2 0 0 h z0