基于MEMS三维磁阻传感器的电子指南针的研究7.5

基于 维磁阻传感器的电子指南针 的 研究 武建军，封维忠 *，于玮 （南京林业大学 信息科学技术学院 南京 210037） 摘要： 本文 介绍了一种基于 三 维 磁阻 传感器 和加速度传感器 的 电子指南针 系统 。 相对于 由 两轴 磁阻传感器 制造 的 电子指南针 ， 该系统能够有效补偿 倾斜 角产生的误差。文章 介绍了该系统的测量原理，硬件设计，软件流程 。通过均值滤波，限幅滤波， 最大误差控制在 2以内。实验结果表明，本系统可以 满足 于 一般 导航领域 的要求 。 关键词： 电子指南针 ； 磁阻传感器；加速度传感器 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： on U 210037, a on of By of of is of 引言 目前 ，电子指南针在汽车导航，航天，航海等领域得到了广泛的应用，基于两轴磁阻传感器的 电子指南针在有倾角情况下测量产生较大的误差。 针对这个问题，笔者选用了美新公司的三轴磁阻传感器 两轴加速度传感器 为 传感元件。 采用加速度传感器测量水平倾 角，磁阻传感器测量地磁角度， 采集的数据通过单片机处理， 实现可以在倾斜情况下 精确 测量地磁角度的电子指南针 。 1 地磁角度 测量原理 基于 两轴 磁阻传感器 的电子指南 针 测量地磁角度的原理是测量地磁场的水平分量 y，然后用公式 =x）计算出地磁角度， 再将单一象限的角度通过象限换算公式折算到四个象限中，得出0360地磁角度。 但实际测量中 传感器 平面 很多时候不 是水平放置，这时测量结果 有很大的误差，所以，为了补偿由倾角产生的误差，需要测 量 Z 轴的地磁分量，并且需要测量出倾斜的角度，它们分别是俯仰角 ，翻滚角 。再通过矩阵公式将 X， Y， Z 轴的地磁分量 分别 投影 到 水平面， 以得出此时正确的地磁角度 。 由图 1得出 矩阵公式如下： x y x z 前进方向 南针平面 作者简介 ：武建军（ 1986 ），江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向为计算机测控技术及仪器 . 通讯作者 ： 封维忠（ 1950 ） ，江苏南京人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为计算机测控技术及仪器 . 图 1 电子指南针俯仰角 滚角 P= (1) R= (2) R P (3) 将（ 1）（ 2）带入（ 3）， 并 将（ 3）展开后得 s c o sZ s c o s s s y 分别是投影到水平面上的 X， Y 轴地磁分量 ， 此时， 地磁角度可以 由 下面公 式得出 ： =x） (4) 2 仪器 设计 硬件电路设计 无锡美新公司生产的三轴 磁阻传感器， 测量范围为 2 10，灵敏度为 5120， 5V 电压供电，内部集成了 口， 传感器芯片中有置位复位线圈， 使用方便。 在 强 磁场环境 (超过 10 磁阻传感器薄膜的磁化极性会使传感器特性变差，置位复位线圈可以产生电流脉冲，可以消除强 磁场的影响，使传感器保持高灵敏度。 故在每次测量之前都 进行一次 复位 ，以保证 测量 灵敏度。 加速度传感器 采取美新公司的两轴加速传感器 体积小，功耗低，精度高，测量范围为 2g，灵敏度为512g，内部同样集成了 口。 加速度传感器测得 X， Y 轴的 加速度分量，通过 计算可以得到 俯仰角 和翻滚角 ， 因为采用的是两轴加速度传感器，所以，和的测量范围为 +45。 将这两个角度送进单片机，用于倾角的补偿。 中央 处理器件 采用了 89片机 ，将磁阻 传感器 和加速度传感器 的 上上拉电阻后和单片机相连，单片机读取数据并处理之后通过 示 当前的地磁角度。系统框图如图 2 软件设计 程序采取模块化设计，使用 C 语言编程。主要包括数据采集，数据处理， 程序流程图如图 3 所示。 由于地磁传感器和加速度传感器直接得出的数据 没有正负之分，所以在得出数据之后需要对数据进行适当的处理，使数据有现实 的意义，之后才能带进三角函数中算出角度，其具体处理的公式如下： 2 （ 5） _2 （ 6） （ 7） 其中， 别是 X 轴的最初始化 确定加速度传感器零点 地磁传感器测量角度 显示地磁角度 是否测量倾角 测量倾角 倾角补偿 是 否 89 2 系统框图 加速度 传感器 磁阻 传感器 示 图 3 软件流程图 大 和 最小输出值。 X 轴灵敏度， X 轴偏移量， 原先没有正负之分的数值 经过与 减之后便有了正负，再与 除之后得到 是 X 轴方向地磁场分量。 Y，Z 轴的处理和 X 轴 相同 。 由 公式 (4)得出的角度只是单一象限的角度，如果要转换到 0 360中还需要通过象限转换公式，其公式如下： )0,0(0m o d)0,0(90m o d)0,0(180m o d)0,0(270m o ) )0(90m o d)0(m o n g n g (9) 其中 修正值，由（ 8）式先对 X，Y 是否 大于 或 小于零进行判断，得出修正值，之后再由（ 9）式，对 X， Y 的乘积 是否 大于 或 小于零进行判断，得出 方位 角 的大小。此时 方位角的取值在 0 360 之间 。对于本文，规定正南方 为 0，正西方 为90，正北方 为 180，正东方 为 270。 3 抗干扰设计 因为磁阻传感器 十分敏感， 容易受到外界 干扰 磁场的 影响，所以必须采取一定的措施来 减小 这些干扰，提高精度。 硬件抗干扰 传感器芯片和 电源 之间 要加去耦 电容。电源 不要和 传感器 芯片太 靠近， 以 防止变 压器 线圈磁场 的干扰；模拟地和数字地要分开； 晶振和单片机的连线要短 ；加速度传感器要远离热源；电源线和地线要做加粗处理； 方也要进行覆铜 。 软件抗干扰 在试验中采用了限幅滤波 和均值滤波相结合的办法来做软件滤波处理，取得了较好的效果。 限幅滤波采用了两种方法，一种是对数据最大最小范围进行限定，超过这个范围的数据被认为是错误的数据，并且此次数据由前一次数据代替。另一种方法是对两次相邻的数据差值的绝对值进行判断，当两者的差值大于设定的阈值，就认为第二次数据是错误的 ，此次数据由前次数据 代替。 阈值设定为灵敏度的一半，标准值为 256，此值可以根据不同芯片特性做适当调整， 以 达到最好的效果。 采用这两种方法后数据误码率大为下降。 均值滤波是采集 10 个数据 先求和再 平均， 用这种方法降低了随机噪声，数据的稳定性大为提高。 在 实验表明 中 10 个数据已能满足要求，数据稳定，无 跳动 的现象 。 4 误差分析 差分析 采取上述软硬件抗干扰技术后，对电子指南针 进行了实际的测量，先将 标准罗盘 水平放置并 按照 每 15为一个点 在 0到360范围内 划分 出 24 个点。 电子指南针在水平情况下 测量这 24 个点的数据，之后将指南针在 有俯角 30 和翻滚角 30 的情况下各 测量 24 个点的数据， 一共三组数据，和 真实 值相比较。其结果如图 4， 图 5 和图6。 图 4 水平时测量结果 图 5 俯角 30 时测量结果 由图中可以看到， 电子指南针有比较好的线性度和精度， 测量结果的误差很小，测量结果的绝对 误差 可 控制在 1 以内 ，局部误差 为 2。 分析误差产生的原因，笔者 认为 整个系统误差主要由以下因素产生： 首先传感器 芯片本身在制造时由于工艺限制会存在 误差 ，其次，芯片 虽然内部三个轴是正交的，但是无法保证 安装在 时和坐标轴完全的重合 ，系统标定时 也会产生 人为误差 。 由于磁阻传感器是磁敏器件，在实验室无法完全排除外界 磁场的 干扰。 以上 这 几 个误差可以减少，但是无法消除。 5 结束语 采用 基于 维磁阻传感器的电子指南针 具有体积小 ，稳定性好， 功耗低， 价格低廉，使用方便等特点。 相对于基于 两轴 磁阻传感器制作的 电子指南针不能在有倾角时测量缺点，此电子指南针在有倾斜角度情况下能有效补偿倾斜角度，给出正确的地磁角度值。采取限幅和均值 滤波方法后精度达到民用导航设备的要求。实践证明该电子指南针能应用于普通导航领域。 参考文献 : 1 邵婷婷，马建仓 ，胡士峰，等 J007,20(6):13352 郑玉冰，章雪挺，刘敬彪 子罗盘的设计及其误差补偿 J008， 28(2):413 ， 2005. 4 胡修林， 余凯军， 杨奇