智能电子底盘的误差补偿问题研究

智能电子底盘的误差补偿问题研究

0无电位计的自动误差补偿电子协议是能源压缩的协议。过去电子罗盘主要用于飞机、坦克和船舰的方向测量和控制系统(也称为磁航向系统),其体积大且造价高。随着电子技术,特别是微型计算机的发展,电子罗盘的体积越来越小,成本也越来越低,其应用领域不断扩大。制造因素将使电子罗盘产生误差,出厂前必须对这些误差进行补偿才能符合准确度要求。过去一般使用电位器调整传感器和电子线路的零位和灵敏度的方法来补偿误差(也称为调试)。从目前技术水平看,这种方法成本高,可靠性低。虚拟仪表和智能传感器的发展为实现无电位计的自动误差补偿提供了思路。给电子罗盘配上微处理器(或单片机),再设计出合适的误差补偿算法,使其成为智能传感器,就可以借助虚拟仪表对电子罗盘实现自动误差补偿。本文将讨论能够满足这种需要的基于椭圆假设的误差补偿方法。1电子盘测磁方向角xsy设电子罗盘有两个相互垂直的轴,分别称为OX轴和OY轴。如图1所示。分别沿这两个轴安装两个测量磁场分量的磁传感器Sx和Sy。磁北方向为ON,电子罗盘测得的磁方向角定义为从ON到OX顺时针转过的角度,用ψ表示。设地磁场的水平分量为H0,则磁传感器Sx和Sy测出的磁场分量为Hx=H0cosψ,(1)Hy=-H0sinψ,(2)式中ψ可按下式求出ψ=-arctan(ΗyΗx).(3)ψ=−arctan(HyHx).(3)2电子盘误差引起的误差电子罗盘的误差分两类:一类是传感器固定在一起的铁磁材料引起的误差(称为罗差);另一类是制造因素引起的误差。Poisson已给出了罗差的数学模型;而制造因素引起的误差从数学上看与罗差作用相同,可同时考虑。只要电子罗盘有误差,就会反映在Hx,Hy的变化上。设有误差时Hx,Hy变为Hx1,Hy1,则它们的关系可写为[Ηx1Ηy1]=[axxaxyayxayy]⋅[ΗxΗy]+[bxby],(4)[Hx1Hy1]=[axxaxyayxayy]⋅[HxHy]+[bxby],(4)式中系数axx、axy、ayx、ayy、bx、by称为误差系数。其中axx、axy、ayx和ayy是软磁材料、Sx和Sy安装不垂直以及电路对Sx和Sy的放大倍数不同等因素引起的;bx和by是由硬磁材料和电路零位引起的。当axy、ayx、bx和by不等于零或axx和xyy不相等时,若将Hx1和Hy1直接代入式(3)求ψ,就会产生误差。3[xxcxycy][bxby]从式(4)可知,若已知误差系数,可以由Hx1和Hy1求出没有误差的Hx,Hy为[ΗxΗy]=[axxaxyayxayy]-1[HxHy]=[axxaxyayxayy]−1[Ηx1Ηy1]-[axxaxyayxayy]-1[Hx1Hy1]−[axxaxyayxayy]−1[bxby]=[cxxcxycyxcyy][bxby]=[cxxcxycyxcyy][Ηx1Ηy1]+[dxdy][Hx1Hy1]+[dxdy],(5)式中系数cxx、cxy、cyx、cyy、dx和dy称为误差补偿系数,可由误差系数求得。先按式(5)求Hx,Hy,再按式(3)求解ψ,上述误差就可得到补偿。由此可见,误差补偿的关键是确定误差系数。一种确定误差系数的传统方法是,将电子罗盘安装到无磁转台,给定准确的方向,通过试验来确定误差系数。从式(1),式(2),式(4)可知,在给定方向上的Hx,Hy是已知的,而Hx1和Hy1是电子罗盘内部采样的数据,也是已知的,只要给出足够准确方向,就可列出求解误差系数的方程组,进而求得误差系数。上述方法存在两个问题,一是需要专门设备,且调试工作量和费用较大;二是使用一段时间后需要再次校准时,必须送到有条件的地方校准,不能自动校准。为了解决这些问题,提出基于椭圆假设的误差补偿方法。4误差系数对电子系统的影响式(1)和式(2)合起来是一个圆的参数方程(以ψ为参数)。也就是说,当(从0°到360°变化一周时,Hx和Hy合成向量的顶点在平面上的轨迹是圆。考察式(4),误差系数的影响使Hx1和Hy1合成向量顶点的轨迹不再是圆。这个轨迹是由电子罗盘内部采样的数据Hx1和Hy1的值确定的。如果能从数学上描述该轨迹,并寻找到它与圆的关系,就可以求出误差系数。为了从数学上确定该轨迹,提出椭圆假设:误差系数对电子罗盘的影响结果是,Hx1和Hy1合成向量顶点的轨迹变为一个椭圆。基于该假设,把式(4)改写为H1=K·Φp·Φs·H+B,(6)其中Η1=[Ηx1Ηy1],Κ=[Κx00Κy],Η=[ΗxΗy],Φp=[cosφp?sinφpsinφp?cosφp],B=[bxby],Φs=[cosφssinφs-sinφscosφs],H1=[Hx1Hy1],K=[Kx00Ky],H=[HxHy],Φp=[cosφp?sinφpsinφp?cosφp],B=[bxby],Φs=[cosφs−sinφssinφscosφs],即由axx、axy、ayx和ayy组成的矩阵等于对角阵、对称阵和正交阵的乘积。正交阵将圆转了一个角度φs;对称阵使圆变成椭圆,φp与变化程度有关;对角阵将椭圆转了一个角度;B的作用是改变了椭圆的中心位置。5正交矩阵的建立根据椭圆假设,在某方向电子罗盘内部采样的一组数据Hx1和Hy1对应椭圆上一点的坐标,该椭圆的方程可表示为AHx12+BHy12+CHx1Hy1+DHx1+EHy1=F,(7)其中F是与地磁场强度有关的常数,可由采样数据确定。式(7)中还有5个未知数,让电子罗盘在5个方向上采样数据,设采样数据为Hx1i和Hy1i(i=1,2,3,4,5)根据式(7)可列出如下方程组H1i·Gi=Fi,(8)其中Η1i=[Ηx112Ηy112Ηx11Ηy11Ηx11Ηx122Ηy122Ηx12Ηy12Ηx12Ηx132Ηy132Ηx13Ηy13Ηx13Ηx142Ηy142Ηx14Ηy14Ηx14Ηx152Ηy152Ηx15Ηy15Ηx15]‚Gi=[ABCDE]Τ,Fi=[FFFFF]Τ.只要5个采样方向在0°到360°范围内大致均匀分布,方程组(8)有唯一解A,B,C,D和E。它们与式(6)中各系数之间的关系为A=1Δ⋅1k2x,B=1Δ⋅1Κ2z,C=-1Δ⋅2×sin(2φp)ΚxΚz,D=-2Abx-Cby,E=-Dbx-2Bby,式中Δ是由采样数据决定的常数。求出了φp、Kx、Kz、bx0和bx0,就可以把椭圆还原成圆。这种还原的过程就是误差补偿的过程。剩下正交矩阵的影响只是常值误差,且主要是安装误差。利用这种方法进行误差补偿时,由于不要求给定准确的方向,可省去无磁转台。整个补偿过程需要的人为操作只是让罗盘在水平面内转动一周,采样过程和误差系数求解都可以自动完成。6自动采样与电子盘误操作方法的试验比较研制了智能电子罗盘,用来验证本文研究的误差补偿方法。为了检验补偿效果,人为地施加了罗差和制造误差:一是在传感器旁安装几个部分磁化的铁块;二是保留电子罗盘所有制造误差,即不作任何调整。试验时还人为地制造了3.3°的安装误差。试验时的采样点是从0°开始每隔72°一个点,采样过程分两种方式:手动采样和自动采样。手动采样是用无磁转台给出采样点的准确方向后,手动通知计算机采样数据。自动采样是由计算机根据采样数据来判断采样点并自动采样。采样数据是补偿前的数据,必有误差,依此判断出的采样点的实际位置与手动方法是不同的。按上述方法进行试验,按椭圆假设求解误差系数,并按式(5)进行误差补偿后,对电子罗盘进行了测试,结果列于表1。表中ψ0是准确的航向;ψ1是补偿前电子罗盘的误差;其它均为补偿后的剩余误差。剩余误差中,ψ2对应手动采样;ψ3对应自动采样;ψ21和ψ31分别是ψ2和ψ3去除安装误差后的剩余误差;ψ4是按传统方法补偿后的剩余误差。补偿前最大误差为±23.7°;补偿后最大误差为±0.4°;补偿采亲补偿后显示出3.3°的安装误差;自动采样补偿后显示出3.4°的安装误差;后两种在除去安装误差后,补偿效果与传统方法相同。试验用电子罗盘的分辨力是0.1°,可以认为自动采样和手动采样的补偿效果是相同的。采用椭圆假设不能补偿常值误差,这种常值误差主要是安装误差。但从使用角度看,不补偿安装误差是有利的,因为补偿后电子罗盘零位不受补偿过程中人为因素影响。7大幅度误差补偿讨论的基于椭圆假设的误差补偿方法是智能电子罗盘需要的几种误差补偿方法中的一种。该方法把误差的形成过