基于mems加速度传感器的三轴磁阻电子底盘测量系统

基于mems加速度传感器的三轴磁阻电子底盘测量系统

0磁阻电子盘的系统结构该系统在航空、航海、航空航天、车辆定位等领域得到了广泛的应用。传统的导航设备一般体积大、价格昂贵且误差随时间积累。随着微处理器技术的飞速发展,尤其是单片机技术的广泛应用,结合利用先进加工工艺生产的磁阻传感器,为导航系统的数字化提供了有利的帮助。本文研制的磁阻电子罗盘根据地球磁场大小来确定方向,是一种重要的导航工具,可以克服传统导航设备的不足。本文涉及的电子罗盘是基于Honeywell公司的各向异性磁阻传感器芯片HMC1052、HMC1051Z和MEMSIC公司的两轴加速度传感器MXD2020ML研制的,采用ADuC842集成芯片采集处理传感器信号使该系统罗差补偿比较容易实现,经过数据预处理和算法补偿后的罗盘系统最大误差降至±1.33°,该罗盘系统结构简单、体积小、重量轻、功耗低。实验证明,该系统可用于普通导航领域。1磁场强度计算方法及硬件设计本文研制的磁阻电子罗盘结构框图如图1所示。当罗盘系统处于某个位置时,由Honeywell公司的各向异性磁阻传感器芯片HMC1052(双轴)、HMC1051Z(单轴)测得载体坐标系下3个方向的磁场强度为Hx、Hy、Hz,HMC1052、HMC1051Z芯片内部集成了Honeywell公司取得的置位/复位专利技术,通过置位/复位芯片IRF7509可减少磁阻芯片的温度漂移、磁饱和等问题;选用MEMSIC公司的两轴加速度传感器MXD2020ML检测俯仰角(pitch)φ和翻滚角(roll)θ;鉴于系统外形尺寸的要求,采用ADuC842作为最小化单片机系统,直接利用片内资源及其引脚就可满足系统要求。航向姿态数据通过RS232输出或通过D/A输出,也可显示在LCD上。HX、HY、HZ为地平坐标系下3个磁场强度,载体坐标系与水平坐标系两者关系如图2所示。其中:N-S表示地球南北极轴线;N′-S′表示磁南北极轴线;磁南北极与地球南北极两轴线的夹角β称为磁偏角;angle为载体前进方向和当地磁子午线的夹角。根据坐标投影关系以及测得的Hx,Hy,Hz,φ,θ,在没有罗差的情况下,折算到地球平面磁场强度HX、HY的计算公式为:HX=Hxcosφ+Hysinθsinφ-Hzcosθsinφ(1)HY=Hycosθ+Hzsinθ(2)一旦求出HX和HY分量,就可计算罗盘系统前进方向与当地磁子午线的夹角angle:angle=arctan(HY/HX)(3)当考虑当地磁偏角β时,航向角为:α=angle+β(4)每个地区的磁偏角β是一个固定值,以列表形式存入Flash中,根据GPS的信息选择,按式(4)补偿即可。通过软件设置可使angle在0°～360°之间显示。本文硬件研制过程中一个关键技术是完成对磁阻传感器芯片的校准磁矩,电子罗盘的测量有效信号——地球磁场信号较小,易受外界干扰,当外部磁场强度达到20高斯以上时,传感器的输出特性会发生较大改变,即已不能正常工作。本设计采用2个场效应管(IRF7509集成置位/复位芯片),由微控制器触发,产生一个约2A的大电流脉冲对2个磁阻传感器进行置位/复位。置位/复位脉冲信号如图3所示。2罗差补偿实验本系统软件采用模块化设计,总体结构分为系统主程序和各功能模块子程序2部分。其中主程序负责整个系统对子程序的及时响应和调用,有效的管理系统软、硬件;子程序完成各指定功能,并供主程序调用,包括初始化、数据采集及滤波、计算及误差补偿校正、航向角显示、串口收发和D/A输出等。在具体算法设计过程中,需要重点考虑系统的实时性、同步性,以及误差补偿等问题。传感器本身在制造、安装过程中不可避免的会存在一些误差,同时电子罗盘系统测量信号的信噪比较小,电子罗盘系统会不可避免的出现误差,从而影响到精度。其误差具体可以分为2类:第1类是系统自身存在的误差,包括制造误差、安装误差,该类误差的大小和方向一般保持不变;第2类是由电子罗盘周围工作环境因素造成的误差——罗差,这是所有地球磁场测量系统所特有的误差,也是对精度影响最大的一种误差,最大可达几十度。可用以下方程进行修正:Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin(2φ)+Ecos(2φ)(5)φc=φ-Δφ(6)式中:φc为罗差补偿后的实际磁航向,φ为罗差补偿前电子罗盘系统的输出航向值,Δφ为总罗差,A、B、C、D、E为罗差补偿系数。在0°～360°之间每隔15°共24个实验点进行误差测试,计算出相应的罗差补偿系数,添加到程序中,即可完成对航向角的罗差修正。罗盘系统在罗差补偿前后的航向角数据和误差如表1所示。通过表中实验数据可以看出,使用软件补偿的方法来提高系统精度非常方便而且效果显著。该罗盘系统最大误差已经从补偿前的±35.7°降至±3°以内。由表1可以看出,补偿后的航向角在180°～345°的精度为-2°左右,可在软件中统一加2°校正,这样系统的精度可提高到±1.33°。航向角与最终罗差补偿前后的绝对误差绘制成图4。3罗差补偿法的应用基于Honeywell公司生产的磁阻传感器芯片研制的电子罗盘系统抗干扰能力强、抗震性高、稳定性好;同时硬件价格低廉、成本低、功耗小。采用的基于最小二乘24位置罗差补偿法是罗盘误差