基于隧道磁阻傳感器的三維電子羅盤設(shè)計*

王 琪,李孟委*,王增躍,蔣孝勇,李錫廣

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原 030051)

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基于隧道磁阻傳感器的三維電子羅盤設(shè)計*

王 琪1,2,李孟委1,2*,王增躍1,2,蔣孝勇1,2,李錫廣1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原 030051)

針對現(xiàn)有電子羅盤在地磁場檢測時易受到外界磁場干擾而導(dǎo)致測量精度不高的問題,設(shè)計了基于隧道磁阻傳感器(TMR)的三維電子羅盤并完成樣機制作。研究了實際環(huán)境中電子羅盤的誤差特性,經(jīng)橢球擬合校正后,采用基于橢圓假設(shè)的橢圓擬合方法對誤差進行補償,補償后其方位角精度可達0.85°,有效降低94.81%的方位角誤差。實驗結(jié)果驗證了TMR傳感器在電子羅盤應(yīng)用的可行性。

電子羅盤;隧道磁阻傳感器;羅差補償;橢圓擬合

電子羅盤通過采集地磁場強度信號實現(xiàn)方位角檢測,由于其成本低、靈活性好、無累積誤差等特點,可用于校正陀螺的累積誤差,為傳統(tǒng)自主導(dǎo)航系統(tǒng)提供穩(wěn)定精確的航向角,廣泛應(yīng)用于定向?qū)Ш筋I(lǐng)域,如陀螺尋北儀的粗尋北[1]、捷聯(lián)慣導(dǎo)初始對準[2]等。

目前,國外已成功將電子羅盤用于車載導(dǎo)航等領(lǐng)域,而國內(nèi)很多單位正在開展對電子羅盤的相關(guān)研究,并且取得不錯的成果。其中對各向異性磁阻傳感器(AMR)的電子羅盤研究較多,鄭州大學(xué)劉武發(fā)[3]和南京航空航天大學(xué)楊新勇[4]設(shè)計的基于AMR傳感器的三維電子羅盤航向精度分別為0.6°和0.8°,但AMR傳感器靈敏度偏低,且需置位/復(fù)位電路消除磁滯,使得電路復(fù)雜,不利于微小型化和降低成本;巨磁阻(GMR)傳感器較AMR靈敏度偏高,中國科學(xué)院物理研究所的湯玉林[5],杭州電子科技大學(xué)的林乾浩[6]制作的基于GMR的三維電子羅盤精度為1°。但其信號強度較弱、信噪比低決定了基于GMR傳感器的電子羅盤的精度提升空間不大。隧道磁阻傳感器(TMR)較之AMR和GMR傳感器,有良好的溫度穩(wěn)定性,較高的靈敏度,更寬的線性范圍,更低的功耗,因此本文擬基于TMR傳感器開發(fā)出較高精度的電子羅盤。

1 TMR傳感器的方位角測試原理

隧道磁電阻效應(yīng)(Tunneling Magneto Resistance,TMR)是指在外磁場變化時,某些磁性材料隧道結(jié)出現(xiàn)非常大的電阻變化的現(xiàn)象。TMR效應(yīng)室溫下磁阻變化率可達1056%[7],因此TMR傳感器靈敏度極高,可用于弱磁場檢測。TMR還具有功耗低、頻響高等特點,適用于制作小型化高精度電子羅盤。

地磁場近似的可看為是一個棒狀磁場,磁場分布由N極指向S級,在北半球地磁場傾斜指向下,如圖1所示,地磁場的總矢量可分解為與地球表面平行的水平磁場分量Ho及與之垂直的磁場分量Hz,Ho與地磁場矢量的夾角稱為磁傾角,Ho始終指向磁北方向,因此,通過對地磁水平分量的測量可以實現(xiàn)方位角的測量,這是電子羅盤設(shè)計的理論基礎(chǔ)[8]。

Ho為兩個正交水平放置的磁阻傳感器測得的地磁場信號HX、HY的矢量和,其中,HX逆時針旋轉(zhuǎn)至Ho的過程即為尋北的過程,該過程中HX劃過的角度即為方位角。

圖1 地球磁場三維矢量示意圖

圖2 載體坐標系與地理坐標系

由圖1有:

α=arctan(HY/HX)

(1)

(2)

磁北方向與真北方向的夾角稱為磁偏角D,當磁北方向?qū)嶋H偏東時,地磁偏角為正,反之為負。因此真實的方位角可計算為:

φ=α±D

(3)

方位角φ的測量是建立在電子羅盤所在載體坐標系與地理坐標系重合的基礎(chǔ)上,而當電子羅盤系統(tǒng)所在平面與水平面不一致時,如圖2所示,磁阻傳感器的測量值無法直接表示Ho的兩個水平分量,因此需要坐標變換,將磁傳感器的測得的載體坐標系三軸上的分量換算到地理坐標系中[9-11]。

根據(jù)選取的載體坐標系“北東天”,該坐標系繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ,再繞X軸旋轉(zhuǎn)γ,即還原到地理坐標系中,該過程可由以下公式描述:

(4)

其中,Hx、Hy、Hz為磁阻傳感器測得的地磁場在載體坐標系上各軸上的分量,而HX、HY、HZ為地磁場在地理坐標系中的分量。θ為俯仰角,為繞Y軸旋轉(zhuǎn)時,X軸轉(zhuǎn)過的角度。γ為橫滾角,為繞X軸旋轉(zhuǎn)時,Y軸轉(zhuǎn)過的角度,如圖3所示,俯仰角與橫滾角可通過三軸加速度計感測重力場后通過解算得到,具體計算方法如下:

θ=-arcsin[ax(g)/g]

γ=-arcsin[ay(g)/g]

(5)

可得:

(6)

將此公式帶入式(2)、式(3)中,可得到真實的方位角。

圖3 橫滾角、俯仰角示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)電子羅盤的測量原理,TMR傳感器測得地磁場在載體坐標系中的磁場分量,加速度計敏感地球重力場信息,求得載體的姿態(tài)角。通過對兩者信息的融合,完成磁場測量值從載體坐標系到地理坐標系的校正過程,校正后的地磁信息可進行方位角的解算,以此實現(xiàn)電子羅盤的基本功能。

電子羅盤由信息獲取、信號調(diào)理、信息處理、數(shù)據(jù)輸出4個模塊組成,如圖4所示。TMR傳感器與加速度計分別獲取地磁與姿態(tài)信息,輸出電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理之后,送入微處理器中進行實時姿態(tài)計算、坐標變換、系統(tǒng)誤差補償,得到載體的姿態(tài)參數(shù),將它們通過串口在上位機實時輸出顯示[12]。

圖4 系統(tǒng)總框圖

圖5 信號調(diào)理電路圖

2.1 硬件設(shè)計

傳感器是整個電子羅盤的前端,只有對地磁場的準確采集,才能保證系統(tǒng)正常工作。地磁場0.400 Gauss～0.625 Gauss磁場強度較弱,對硬件設(shè)計提出很高的要求。

由于MMLP44F的輸出為惠斯通電橋輸出,無緩沖,驅(qū)動能力較弱,因此,后端放大電路中采用適合對弱驅(qū)動的傳感信號進行放大的儀表放大器。AD623是一款低噪聲、高精度、高輸入阻抗的儀表放大器,放大倍數(shù)可由外接電阻RG直接調(diào)節(jié)。AD623的輸出電壓為:

Vout=G×[(+IN)-(-IN)]+VREF

(7)

選擇AD623的共模電壓VREF為2.048V,根據(jù)磁阻傳感器的輸出電壓范圍(±128mV)及放大器電壓輸出范圍(0～5V)以及后續(xù)ADC電路的輸入電壓范圍(0～4.096V),求得放大倍數(shù)G為:

(8)

為滿足實際電路的需要,充分考慮到電路中的偏置電壓、溫漂和外界磁場干擾等因素,為留有裕量,將放大倍數(shù)選擇為11,計算反饋電阻值為:

(9)

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選擇四通道16位的電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7689,其有效位數(shù)可達15.039,內(nèi)部集成SPI接口用于內(nèi)部寄存器配置和轉(zhuǎn)換結(jié)果的發(fā)送。信號調(diào)理硬件電路圖如圖5所示。

微處理器選用ST公司的STM32F103C8T6,該芯片基于Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu),處理速度快,低功耗、高性能、集成豐富的片上外設(shè)。其主要工作是控制ADC對磁場數(shù)據(jù)進行采集和處理,根據(jù)重力加速度值計算傾角,補償系統(tǒng)誤差,對電子羅盤方位角解算并按特定的協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)及上位機實時顯示等。系統(tǒng)采用RS232總線與上位機通信,相關(guān)電平轉(zhuǎn)換采用SP3232芯片。

2.2 軟件設(shè)計

基于KEILMDK開發(fā)環(huán)境,使用C語言編寫進行軟件部分設(shè)計,主要分為校正和測試兩部分,其中包括數(shù)據(jù)采集及處理、誤差補償、方位角計算等,程序流程圖如圖6所示。

電子羅盤的誤差主要來源為安裝誤差、制造誤差及羅差。制造誤差可通過橢球擬合法進行校正,而羅差是電子羅盤系統(tǒng)測量方位角時所特有的一種誤差,對電子羅盤測量精度的影響也最為復(fù)雜。

電子羅盤周圍存在的磁性物質(zhì)或者會對磁場強度產(chǎn)生影響的物質(zhì),使得磁阻傳感器測得的地球磁場發(fā)生偏差。干擾磁場可以分為矯頑力較大的鐵磁物質(zhì)和電氣設(shè)備等產(chǎn)生的硬鐵磁場和由矯頑力較小的鐵磁物質(zhì)受周圍鐵磁物質(zhì)的影響后產(chǎn)生的軟鐵磁場。干擾磁場對電子羅盤測量結(jié)果產(chǎn)生的誤差稱為羅差。硬鐵磁場表現(xiàn)為附加在載體坐標系X、Y、Z方向上的一個固定的偏移量。而軟磁磁場隨著電子羅盤的方位變化,其大小和方向均發(fā)生改變[13-14]。

羅差補償算法有多種[15-17],其中基于橢圓假設(shè)的補償算法是根據(jù)Michel Moulin等提出的假設(shè),在無外界磁場的干擾下,X、Y軸磁阻傳感器的輸出可構(gòu)成一個標準圓,但是周圍環(huán)境的干擾磁場會使圓發(fā)生變形甚至扭曲成一個橢圓。因此將羅差補償抽象為求取使橢圓變形的各項誤差系數(shù)的過程[18-19]。

3 實驗測試與分析

實驗中,將樣機固定在無磁轉(zhuǎn)臺上進行實驗測試。無磁轉(zhuǎn)臺保持水平,首先對電子羅盤樣機進行旋轉(zhuǎn),使其姿態(tài)位置盡量覆蓋擬合橢球所在三維空間范圍,完成橢球擬合校正,經(jīng)MATLAB計算得到制造誤差的相關(guān)誤差參數(shù),完成加速度計和磁阻傳感器的校正[20-22]。

實際測試中,將樣機在轉(zhuǎn)臺上水平均勻旋轉(zhuǎn)一周,在0°～360°區(qū)間內(nèi),每15°作為一個測試點,通過上位機實時采集并存儲該位置處的數(shù)據(jù),實驗所用轉(zhuǎn)臺與電路板如圖7所示。

圖7 樣機及測試圖

圖8 橢圓擬合前后效果圖

多次測量,將測得的實驗數(shù)據(jù)去除粗大誤差項,去除零偏,橢球擬合校正,傾角補償?shù)阮A(yù)處理后解算的方位角誤差較大,最大可達16.35°。經(jīng)過制造誤差和羅差補償前后的兩軸水平磁場分量HX、HY的數(shù)據(jù)如圖8所示。經(jīng)過橢球擬合和基于橢圓假設(shè)的羅差補償算法的補償后,方位角誤差下降到0.85°,誤差大幅下降94.81%,補償效果如圖9所示。

圖9 補償結(jié)果對比圖

分析實驗結(jié)果,樣機誤差偏大,未能體現(xiàn)隧道磁阻效應(yīng)的優(yōu)越性,分析可能的原因有:①電子羅盤的三軸由分立的TMR傳感器組成,各軸傳感器的靈敏度不一致,且溫度系數(shù)并不匹配;②實驗時未將電子羅盤樣機安裝在殼體中,實驗時存在樣機安裝不穩(wěn)的情況,導(dǎo)致安裝誤差較大。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于TMR傳感器的三維電子羅盤,實現(xiàn)了傾角補償和方位角的測量,采用橢圓擬合的羅差補償算法對方位角誤差進行補償,其精度達到0.85°,有效降低了94.81%的誤差,證明了TMR傳感器在電子羅盤應(yīng)用的可行性。但其航向精度偏低,可從以下幾個方面進行改善:算法中增加對系統(tǒng)安裝誤差等誤差的補償;對加速度計的精確校正;通過對多種羅差補償方法的對比,尋求適合的最優(yōu)算法等。

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王 琪(1990-),女,山西長治人,中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家級重點實驗室在讀研究生,主要從事慣性導(dǎo)航方面的研究,lmwnuc@163.com;

李孟委(1975-),男,副教授,主要開展新原理MEMS慣性傳感器及導(dǎo)航研究,專注于MEMS陀螺研究,對新原理、新效應(yīng)的微納米器件創(chuàng)新設(shè)計感興趣。

Design of a Three-Dimensional Electronic Compass Based onTunneling Magneto Resistance Sensor*

WANGQi1,2,LIMengwei1,2*,WANGZengyue1,2,JIANGXiaoyong1,2,LIXiguang1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Center for Microsystem Intergration,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Existing electronic compass is vulnerable to be distracted by the Magnetic Field in external environment,which leads to low accuracy. To solve this problem,a three-dimensional electronic compass is designed based on Tunneling Magneto Resistance sensor and a prototype is made. The error characteristics of compass in a real environment is studied,and ellipse hypothesis are carried out to compensate the azimuth error after ellipsoid-fitting correction. Through experimental tests,the compensation effect of the ellipse hypothesis method,which compensated azimuth accuracy of up to 0.85° and effectively reducing 94.81% of the azimuth error. Experimental results show that applying TMR sensor to electronic compass is feasible.

electronic compass;TMR sensor;compensation of magnetic deviation;ellipse fitting

項目來源:兵科基金項目(622010750516);總裝基金項目(9140A09011313BQ014118);山西省攻關(guān)項目(20130321014-04)

2015-03-17 修改日期:2015-05-02

C:7310L

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.020

TP212

A

1004-1699(2015)06-0895-05