基于磁阻傳感器和加速度計(jì)的電子羅盤設(shè)計(jì)

楊紅紅，程慧娟

(泰州機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 電子信息工程系，江蘇 泰州 215300)

電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航定位工具，通過磁敏傳感器測量地球磁場，能夠?qū)崟r(shí)提供運(yùn)動物體的航向和姿態(tài)。磁敏傳感器是傳感器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，近年來，隨著磁性薄膜的各向異性磁阻效應(yīng)和鐵磁/非磁金屬多層結(jié)構(gòu)薄膜的巨磁電阻在國外引起了基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用方面的高度重視，薄膜磁阻傳感器迅速成為磁性傳感器技術(shù)中最活躍的一個(gè)分支。磁阻傳感器具有體積小、功耗低、易于安裝，且溫度特性好、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，使基于磁阻傳感器的電子羅盤越來越受到人們的重視[1]。隨著當(dāng)前通信技術(shù)、汽車電子、太陽能發(fā)電架跟蹤器和智能手機(jī)的快速發(fā)展，三維電子羅盤作為航向、俯仰和翻轉(zhuǎn)等參數(shù)的測量而得到大量的使用。

1 電子羅盤工作原理

地球的磁場強(qiáng)度為 0.5～0.6 G，無論何地，磁場的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，這是所有磁羅盤的制作基礎(chǔ)。三維電子羅盤能實(shí)時(shí)提供活動物體的航向角、俯仰角和橫滾角，通過這三個(gè)角度可確定物體的姿態(tài)參數(shù)，實(shí)際上就是確定了載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系，如圖1所示。三維電子羅盤可以在任意姿態(tài)進(jìn)行地磁場分量的測量，得到羅盤表面三個(gè)方向的磁場強(qiáng)度為M、M、M。然后根據(jù)三軸加速度傳感器測得重力加速度在羅盤表面三個(gè)方向的重力加速度分量為 Gx、Gy、Gz，根據(jù)公式 γ=tan-1，θ=tan-1求得俯仰角θ，橫滾角γ[2]。在三維空間內(nèi)，當(dāng)載體機(jī)體坐標(biāo)系的 XY平面不在水平面內(nèi)，即載體存在橫滾角γ和θ俯仰角時(shí)(如圖1)，需要將沿機(jī)體坐標(biāo)系測量的地磁場信息轉(zhuǎn)換到地平坐標(biāo)系h系內(nèi)，求解載體的磁航向角。機(jī)體坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為：

公式(2)的分量形式為：

則磁航向角：

圖1 機(jī)體坐標(biāo)系b和地平坐標(biāo)系h方位關(guān)系

2 硬件設(shè)計(jì)

三維電子羅盤的硬件原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)使用三軸磁阻傳感器MMC3120MQ和三軸加速度傳感器ADXL335分別得到三維空間中的地磁場分量和重力加速度分量，采用TI公司的MSP430F2618來完成傳感器數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)處理和誤差校正等，最終得到三個(gè)姿態(tài)角后控制LCD進(jìn)行結(jié)果顯示。

圖2 三維電子羅盤硬件原理框圖

2.1 傳感器部分

MMC3120MQ是MEMSIC公司2009年推出的三軸AMR(Anisotropic Magnetoresistant)各向異性磁阻傳感器，它具有I2C數(shù)字接口，可直接連接微控制器，數(shù)據(jù)讀寫非常方便，并且芯片內(nèi)部已經(jīng)集成復(fù)位/置位功能，可以抵御強(qiáng)磁破壞。MMC3120MQ的工作電壓范圍為2.7 V～5.25 V，工作溫度范圍為-40°C～+85°C，分辨率為512 counts/gauss，可滿足民用領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

ADXL335是ADI公司一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的MEMS三軸加速度傳感器，以最小±3 g的滿量程范圍測量加速度，并提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出，可直接接入A/D轉(zhuǎn)換器。通過對測得的加速度值進(jìn)行運(yùn)算即可得到載體的俯仰角和橫滾角。

2.2 MCU部分

MSP430F2618是一款TI公司推出的最低功耗16 bit通用MCU。由于在3.3 V電壓下實(shí)現(xiàn)了16 MHz的全速處理器狀態(tài)，電池使用壽命與系統(tǒng)成本得以進(jìn)一步優(yōu)化。 該產(chǎn)品中的片上選項(xiàng)包括八通道12 bit ADC，通用串行通信接口(UCSI)能通過靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案(支持I2C、SPI、IrDA與 UART)來縮短開發(fā)時(shí)間。MSP430F2618通過I2C接口直接與磁阻傳感器連接，使用三個(gè)12 bit ADC通道與ADXL335的電壓輸出端口連接，因此可快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果，最后在LCD顯示模塊PCF8833上顯示結(jié)果。

3 誤差分析與軟件設(shè)計(jì)

磁阻傳感器通過感知地磁場大小和方向來確定航行角，當(dāng)沒有誤差的情況下，磁阻傳感器的X、Y、Z軸輸出可用圖3(a)表示，在坐標(biāo)系上映射出一個(gè)球體。但是由于傳感器本身的制作工藝，安裝誤差及周圍環(huán)境的鐵磁干擾等因素影響，航行角誤差是不可避免的。電子羅盤的誤差主要分為：制造誤差、安裝誤差和環(huán)境誤差等。制造誤差可分為三類：零位誤差、靈敏度誤差、正交誤差。其中，零位誤差為單周期誤差，靈敏度誤差為雙周期誤差，而正交誤差則由常值誤差和雙周期誤差構(gòu)成。安裝誤差造成磁航行角存在常值誤差。環(huán)境誤差產(chǎn)生于使用環(huán)境的鐵磁介質(zhì)材料，包括軟鐵干擾和硬鐵干擾。其中軟鐵誤差與制造類誤差模型類似，而硬鐵誤差則屬于零位誤差[3]。在零位誤差和靈敏度誤差的情況下磁阻傳感器的 X、Y、Z軸輸出可用圖3(b)表示；同時(shí)如果還有軟磁干擾和正交誤差，則磁阻傳感器的X、Y、Z軸輸出可用圖3(c)表示。

圖3 磁阻傳感器X、Y、Z軸數(shù)據(jù)映射曲面

針對以上誤差，本文使用最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法擬合磁阻傳感器輸出值映射的橢球曲面。圖3所示的橢球曲面可用二次多項(xiàng)式方程表示：

式(5)描述的最小二乘問題具有橢球擬合唯一解，且為全局最小解?；谧钚《藱E球擬合磁誤差補(bǔ)償算法的基本設(shè)計(jì)思路是：使磁阻傳感器在環(huán)境磁場中均勻地進(jìn)行一次三維全方位的旋轉(zhuǎn)，微控制器按一定的采樣頻率同步采集原始磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法得到式(5)的系數(shù)，根據(jù)系數(shù)即可求得磁阻傳感器三軸輸出橢球曲面模型的中心點(diǎn)、靈敏度和橢球的傾斜度，由此完成磁阻傳感器三軸數(shù)據(jù)的歸一化過程，最后使用式(4)求得誤差修正后的磁航向角值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案研制了手持式三維電子羅盤，并使用電子羅盤航向角求解算法和最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法編制了在MSP430F2618上運(yùn)行的軟件代碼，最后對所研制的三維電子羅盤在無磁測試轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行了測試。電子羅盤水平放置并均勻旋轉(zhuǎn)一周，對每5°為一個(gè)測量點(diǎn)，得到誤差校正前與誤差校正后的電子羅盤航向誤差曲線，如圖4所示。未經(jīng)過誤差校正的電子羅盤航向角絕對誤差最大達(dá)到7.5°，經(jīng)過誤差校正后的航向角絕對誤差最大為1.2°?？梢娛褂米钚《藱E球擬合磁誤差補(bǔ)償算法可有效補(bǔ)償大部分的磁阻傳感器誤差。

本文使用一種新型的數(shù)字三軸磁阻傳感器和三軸MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)了一款手持式三維電子羅盤，分析了磁阻傳感器中存在的誤差，提出了最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子羅盤具有較高的精度和穩(wěn)定性，可用于民用導(dǎo)航領(lǐng)域。

圖4 誤差校正前后電子羅盤航向角絕對誤差曲線

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