潘家偉 成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 劉丞鳴 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院

基于磁屏蔽桶的磁力計(jì)三軸噪聲水平計(jì)算

潘家偉 成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 劉丞鳴 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院

本案例以某款通用磁力計(jì)為實(shí)驗(yàn)載體，通過(guò)在三維屏蔽磁測(cè)桶產(chǎn)生的零磁空間將磁力計(jì)的三軸噪聲水平運(yùn)用數(shù)學(xué)工具計(jì)算出來(lái)。硬件部分基于STM32微處理器將磁力計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)，經(jīng)過(guò)ASSIC碼到十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生可直接用于數(shù)學(xué)計(jì)算的實(shí)際數(shù)據(jù)。本方法通過(guò)MATLAB編程實(shí)現(xiàn)磁力計(jì)的三軸噪聲水平計(jì)算，對(duì)磁力計(jì)精度測(cè)量相對(duì)其他方法更加規(guī)范合理，具有較好的實(shí)用性。

磁力計(jì) STM32 零磁空間 MATLAB 噪聲水平

1 引言

磁力計(jì)是姿態(tài)解算的重要部件，在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都廣泛使用。根據(jù)中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程的磁力儀性能的校驗(yàn)，運(yùn)用亥姆霍茲線圈制作的磁屏蔽桶營(yíng)造出的零磁空間可以對(duì)磁力計(jì)三個(gè)軸的零偏進(jìn)行量化計(jì)算，對(duì)磁力計(jì)的零偏數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理將有助于姿態(tài)解算精度的提升。

2 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)硬件是針對(duì)某磁力計(jì)進(jìn)行的零偏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，硬件功能區(qū)如下圖2-1所示：

圖2-1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電路各單元功能介紹

整個(gè)電路板，實(shí)際上就是一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)的小拓展。電路板功能單元包括以下方面：

①主控芯片：STM32使用庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)，而且資料豐富便于學(xué)習(xí)和程序修改在微控制器領(lǐng)域使用普遍。其中本案例使用STM32ZET6為核心的處理器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

②磁力計(jì)：采用某款時(shí)下通用的磁力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

③電源模塊：使用4．2v可充電鋰電池進(jìn)行供電，為減少文波干擾，使用濾波電路保證供電電平的平穩(wěn)。

④磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：通過(guò)與STM32串口通信，把數(shù)據(jù)寫(xiě)入一張通用TF卡。

3 實(shí)驗(yàn)方法

磁測(cè)規(guī)范要求在使用磁力儀進(jìn)行高精度磁測(cè)時(shí)，必須測(cè)定儀器的噪聲水平。本次試用的硬件只做一套測(cè)試，因而根據(jù)規(guī)范內(nèi)容必須單個(gè)磁力計(jì)在磁場(chǎng)穩(wěn)定的地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)百次測(cè)試。為了既能夠測(cè)出磁力計(jì)三軸的零偏同時(shí)測(cè)定磁力計(jì)的噪聲水平，選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的屏蔽桶內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。磁屏蔽桶主要構(gòu)成部件是亥姆霍茲線圈，成套的系統(tǒng)解決了亥姆三維地磁補(bǔ)償線圈在地磁場(chǎng)屏蔽時(shí)無(wú)法屏蔽地磁的實(shí)時(shí)波動(dòng)問(wèn)題。在零磁空間內(nèi)，分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸向磁場(chǎng)零的輸入，這種情況下采集到的磁力計(jì)數(shù)據(jù)表征的是三個(gè)軸向的零偏情況。

4 MATLAB數(shù)據(jù)處理方案

數(shù)據(jù)處理方案因規(guī)范的要求，采用以下方法實(shí)現(xiàn)：

①實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，記錄的數(shù)據(jù)較多，第一個(gè)數(shù)開(kāi)始間隔4個(gè)數(shù)抽點(diǎn)，MATLAB的函數(shù)形式為x1/y1/z1=VarName1/ VarName2/VarName3/(1：5：end)；

②數(shù)據(jù)采集為0．2HZ，采樣讀數(shù)間隔為5～10S，按照七點(diǎn)平滑取各個(gè)軸數(shù)據(jù)的平均值，用for函數(shù)實(shí)現(xiàn)從第四個(gè)數(shù)開(kāi)始連續(xù)7個(gè)數(shù)取一個(gè)均值；

③用轉(zhuǎn)置的辦法把X、Y、Z軸三行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)列矩陣；

④使用MATLAB的函數(shù)，將公式代碼實(shí)現(xiàn)得到實(shí)測(cè)的三軸噪聲水平。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)其中1次測(cè)得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)MATLAB運(yùn)算，測(cè)得該磁力計(jì)三個(gè)軸的噪聲系數(shù)分別是0．1555nT；0．2285nT；0．7051nT。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足通常三軸磁力計(jì)產(chǎn)品的特征，即X、Y軸的噪聲水平要好于Z軸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖5-1所示：

圖5-1 X、Y、Z軸噪聲水平

6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)上述分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于STM32控制芯片的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集板設(shè)計(jì)合理、工作正常。運(yùn)用行業(yè)規(guī)范和要求，經(jīng)過(guò)MATLAB數(shù)學(xué)軟件計(jì)算對(duì)某款磁力計(jì)進(jìn)行了成功的噪聲水平測(cè)試。減少了磁力計(jì)在使用中的誤差，為姿態(tài)數(shù)據(jù)融合校驗(yàn)精度提高提供幫助，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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