電子羅盤在飛行體方位角測量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

程　穎,　朱　煉

(安徽工商職業(yè)學(xué)院 電子信息系,合肥　231131)

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電子羅盤在飛行體方位角測量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

程穎,朱煉

(安徽工商職業(yè)學(xué)院 電子信息系,合肥231131)

摘要：為了更精確地測量飛行體的方位角,設(shè)計(jì)了一種采用電子羅盤實(shí)現(xiàn)方位測量的飛行體方位角測量系統(tǒng)。首先,進(jìn)行了方位角測量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì);其次,探討了系統(tǒng)羅差及其解決方法;再次,提出了雙羅盤高精度測量方法,并建立精度控制模型;最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙羅盤方位角測量系統(tǒng)比單羅盤系統(tǒng)的測量精度更高。

關(guān)鍵詞：電子羅盤;地磁傳感器;方位角;誤差

一、引言

飛行體的方位測量通常運(yùn)用陀螺儀或電子羅盤。早期的陀螺儀體積較大,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,出現(xiàn)了小型化陀螺儀,但在電氣裝配上較為復(fù)雜。電子羅盤由于其具有體積小、重量輕、功耗低、精度高的顯著優(yōu)勢而作為姿態(tài)傳感器被廣泛應(yīng)用于航空、航天及軍事等領(lǐng)域[1]。當(dāng)已知飛行體的速度、起始坐標(biāo)、航行時(shí)間和當(dāng)?shù)氐拇牌蔷涂梢杂?jì)算出即時(shí)位置[2],并為飛行體定向、測北。本文采用基于磁阻式地磁傳感器的電子羅盤實(shí)現(xiàn)了飛行體方位角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí),為進(jìn)一步提高電子羅盤的測量精度,提出了雙電子羅盤高精度測量方法。該方法通過將兩個(gè)羅盤相互軸向垂直安裝于同一測量平面的布局方式,利用傳感器垂直軸效應(yīng),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,得到擬合函數(shù),并由此達(dá)到提高系統(tǒng)精度的目的。經(jīng)過建立誤差模型,將實(shí)時(shí)測量方位角的精度控制在允許的誤差范圍之內(nèi),達(dá)到實(shí)時(shí)方位角測量的目的。

二、方位角測量原理

物體的磁方位角是物體從“磁北”繞垂直于水平面的軸的轉(zhuǎn)角ψM,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正[3]。設(shè)當(dāng)?shù)氐牡卮艌鲈诘乩碜鴺?biāo)系中可表示為H=[HXHYHZ],其中:HY=Hsin(ψM)

(1)

則可由下式計(jì)算飛行體的磁方位角[4]:

(2)

三、方位角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)電子羅盤

本文采用了以HMC1052地磁傳感器為主體芯片設(shè)計(jì)的電子羅盤。它是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊,具有輸入電壓低,功耗小(≤18mA),體積小(22×22mm),重量輕,高性價(jià)比,易于集成,提供ASCII輸出格式等特點(diǎn)[5]。

地磁傳感器中有兩軸互相垂直,可以同時(shí)感應(yīng)地球磁場的磁分量,進(jìn)而得出方位角度。該電子羅盤精度高,運(yùn)行穩(wěn)定,具有標(biāo)定功能,能夠在任意地點(diǎn)得到準(zhǔn)確的方位角,可輸出4 800bps、9 600bps和19 200bps三種波特率。同時(shí)還具有安裝角和磁偏角補(bǔ)償功能,可在不同的環(huán)境下正常工作。[5]

(二)設(shè)計(jì)原理

方位角測量系統(tǒng)中,采用單個(gè)電子羅盤的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由電子羅盤、微控制器、放大電路、電源電路和補(bǔ)償校正電路組成。電子羅盤上的地磁傳感器由相互正交的兩組磁感元件構(gòu)成,分別感應(yīng)x和y方向的地磁分量。隨著系統(tǒng)方位角的變化,x和y軸磁感元件感應(yīng)出來的電壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。采集到的角度信號(hào)經(jīng)放大電路放大后,再經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),由微控制器(即單片機(jī))對(duì)其處理輸出。在雙電子羅盤測量系統(tǒng)中,兩塊電子羅盤接收的信號(hào)會(huì)傳送至微控制器進(jìn)行校準(zhǔn)等一系列的處理。

圖1　單電子羅盤的方位角測量系統(tǒng)框圖

微控制器內(nèi)部集成8路10位ADC模塊,實(shí)現(xiàn)x和y軸電壓信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換以及方位信息的計(jì)算處理。當(dāng)輸入到微控制器的電壓穩(wěn)定,且ADC對(duì)輸入數(shù)據(jù)開始采樣,就可以開始方位角的計(jì)算。

方位角計(jì)算時(shí),根據(jù)ADC的位數(shù)對(duì)ADC的輸入電壓刻度記數(shù),10位ADC相對(duì)于其輸入電壓應(yīng)記數(shù)210=1024次,將該記數(shù)與零磁場值中的記數(shù)相比照。ADC通道AN0和AN1的零磁場記數(shù)值理論上都是512,但由于存在一定的錯(cuò)誤率記數(shù)會(huì)有一些偏差。設(shè)AN0記數(shù)為X,AN1記數(shù)為Y,則電路偏差修正值Xco和Yco可通過以下公式計(jì)算出來:

(3)

(4)

求出的結(jié)果即為修正系數(shù),存入微控制器的存儲(chǔ)器中。

另外,系統(tǒng)附近的鐵材料對(duì)電子羅盤中的地磁傳感器會(huì)產(chǎn)生影響,需要對(duì)X和Y值作進(jìn)一步修正。這些值可以用硬鐵畸變對(duì)傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)Xoff、Yoff、Xsf和Ysf來表示,且必須在X、Y基礎(chǔ)上先減去記數(shù)基準(zhǔn)數(shù)512。這樣真正的X和Y方向值的公式為[6]:

(5)

(6)

一旦這些真正方向記數(shù)值確定后,方位角α就可以用以下公式計(jì)算:

(7)

(三)電子羅盤的安裝與使用

將電子羅盤安裝在測量系統(tǒng)中時(shí),要注意羅盤的方向問題。羅盤模塊上有一個(gè)箭頭,表示羅盤的指示方向。安裝時(shí),載體的安裝方向要和該箭頭一致,這樣,羅盤測出的方向才是所要得到的方向[7]。本系統(tǒng)中采用兩塊電子羅盤,安裝時(shí)將其中一塊羅盤按上述要求固定好,另一塊羅盤上的箭頭需與前一塊的箭頭垂直。

安裝完成后,需進(jìn)行標(biāo)定。因?yàn)榱_盤周圍磁場環(huán)境發(fā)生改變后,羅盤計(jì)算輸出的角度信息將不準(zhǔn)確,所以在羅盤正常使用前必須對(duì)其重新校準(zhǔn),即標(biāo)定。標(biāo)定方法如下:首先將標(biāo)定信號(hào)線接地(即置低電平),上電時(shí),單片機(jī)完成初始化后檢測該位,為低電平則表示需要對(duì)電子羅盤進(jìn)行標(biāo)定,單片機(jī)發(fā)送“p”命令,此時(shí)將羅盤均勻緩慢水平地旋轉(zhuǎn)兩周,不可以太快,旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間一般為1～2分鐘。然后將標(biāo)定信號(hào)線與地?cái)嚅_(即置高電平),此時(shí)單片機(jī)發(fā)送“r”命令,標(biāo)定結(jié)束。標(biāo)定完成后,電子羅盤可以正常使用。

四、系統(tǒng)羅差分析

方位角測量系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生與多種因素有關(guān),主要有制造誤差、安裝誤差、使用環(huán)境改變造成的誤差以及磁場的羅差等。本文主要討論羅差,即由于磁阻式傳感器周圍的鐵磁材料干擾而產(chǎn)生的誤差[8]。實(shí)際工作中,鐵磁干擾可分為兩種:硬鐵干擾和軟鐵干擾。

理想情況下,當(dāng)系統(tǒng)在水平磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí),輸出是一個(gè)以(0,0)為圓心的圓,如圖2所示。此時(shí),輸出的方向角線性的從0°到360°變化。

圖2　傳感器理想輸出

硬鐵干擾由永久磁鐵或被磁化的金屬產(chǎn)生,大小恒定,與系統(tǒng)相對(duì)位置保持不變[9],與羅盤的方向無關(guān)。磁阻傳感器受硬鐵干擾影響在輸出的x軸和y軸各加一定值,使得輸出曲線的圓心發(fā)生了偏移,如圖3所示。

圖3　硬鐵干擾下的實(shí)際輸出

消除硬鐵干擾即要消除曲線的圓心偏移,一般采用的方法是將測量系統(tǒng)安裝于固定平臺(tái)上緩慢旋轉(zhuǎn)一周,由圓上足夠多的點(diǎn)得到圓心偏移,并將其存入存儲(chǔ)器中,電子羅盤讀數(shù)時(shí)會(huì)將此偏移減去。

軟鐵干擾來源于地球磁場和系統(tǒng)附近的任何磁性材料之間的相互作用[10],與硬鐵干擾不同之處在于軟鐵的干擾程度與羅盤的方向有關(guān),圖4描述了軟鐵對(duì)磁場值的影響。

圖4　軟鐵干擾下的實(shí)際輸出

軟鐵干擾的校正較為復(fù)雜,常用的方法是消除軟鐵效應(yīng),即:將羅盤讀數(shù)先旋轉(zhuǎn)45°,標(biāo)記出主軸線,再將軟鐵干擾下實(shí)際輸出的橢圓形改為圓形,最后,將讀數(shù)反轉(zhuǎn)45°即可[11]。

實(shí)際工作中,為降低系統(tǒng)羅差,可將羅盤附近所有軟鐵物質(zhì)移走,盡可能減少軟鐵干擾,而飛行體中大多鐵質(zhì)材料都有硬鐵特性,只處理硬鐵干擾即可;也可以預(yù)先對(duì)羅盤附近的環(huán)境進(jìn)行消磁。

五、實(shí)驗(yàn)分析

采用單個(gè)電子羅盤測量飛行體方位角數(shù)據(jù)時(shí),測量精度可達(dá)到±1°,為進(jìn)一步提高測量精度,可采用雙電子羅盤進(jìn)行測量,即在系統(tǒng)中增加一塊同樣的電子羅盤,并使兩塊羅盤按照其上的箭頭方向垂直安放。由于系統(tǒng)采用的羅盤在實(shí)際使用中會(huì)在風(fēng)力作用下做些微擺動(dòng),形成一定的俯仰角度,所以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下人為地制造出一定的俯仰角來滿足條件,觀察系統(tǒng)的誤差曲線。

將系統(tǒng)固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上,調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)使其歸零定北,按照標(biāo)定方法標(biāo)定羅盤,并由串口輸出到PC機(jī)上,通過串口調(diào)試軟件顯示記錄方位角數(shù)據(jù)。依次調(diào)整俯仰角度0°、1°、-1°、 3°、-3°,對(duì)應(yīng)每個(gè)角度從0°～360°按每0.5°轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)并記錄數(shù)據(jù)。設(shè)兩個(gè)電子羅盤分別為羅盤A和羅盤B,以0°俯仰角為例,羅盤A的誤差曲線如圖5所示,羅盤B的誤差曲線如圖6所示。根據(jù)誤差圖像分析得到羅盤A誤差規(guī)律基本符合正弦函數(shù)變化規(guī)律,羅盤B誤差規(guī)律基本符合余弦函數(shù)變化規(guī)律。由于羅盤A、B始終在同一測量平面內(nèi)相互垂直,兩者變化是同步的,且相位始終相差90°,因此,與預(yù)期的誤差變化規(guī)律一致。

圖5　0°羅盤A誤差曲線

圖6　0°羅盤B誤差曲線

由于兩個(gè)測量羅盤的型號(hào)一致,因此系統(tǒng)誤差和干擾誤差相同,且二者在方位角測量系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí),可以獲得相同的測量效果?；谏鲜龇治?我們對(duì)羅盤A、B的測量誤差進(jìn)行線性平均形式的疊加處理。在數(shù)據(jù)擬合過程中,采用最小二乘多項(xiàng)式擬合方法,對(duì)所疊加的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,曲線如圖7所示。

圖7　0°羅盤AB誤差平均值曲線與擬合后曲線的對(duì)比

當(dāng)俯仰角不同時(shí),方位角數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化,因此,對(duì)不同的俯仰角條件要進(jìn)行二次擬合。二次擬合時(shí)不是單純地將函數(shù)系數(shù)線性平均,而是擴(kuò)大原始數(shù)據(jù)的疊加樣本,將每組俯仰條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的擬合,誤差曲線如圖8,得到的函數(shù)如下:

圖8　羅盤AB各條件下誤差平均值曲線與擬合曲線對(duì)比

y=-0.01199309638923x4+0.196955718078292x3

-0.932307210530245x2+1.095540048440864x

+0.353012710884646

(8)

通過擬合可以將兩個(gè)測量精度為±1°的羅盤所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提高精度至±0.5°;同時(shí)可以在一定程度上消除不同俯仰條件下所造成的誤差。滿足方位角測量在±3°的動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)的測量精度。

六、結(jié)束語

采用電子羅盤的方位角測量系統(tǒng)可應(yīng)用于信息化彈藥的方位測量中,具有小型化、低功耗、高精度、高性價(jià)比的優(yōu)良性能。羅盤上的兩軸地磁傳感器可以較為精確地測量水平于地球表面的飛行體方位角。而采用雙電子羅盤的系統(tǒng)測量誤差更小,測量精度更高。總的來說,電子羅盤的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛,未來必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]林乾浩,錢正洪,龔天平,等.基于GMR傳感器的三軸電子羅盤[J].機(jī)電工程,2013,30(1):55-59.

[2]彭富清.地磁模型與地磁導(dǎo)航[J].海洋測繪,2006,26(2):73-75.

[3]程全,樊宇.磁航向傳感器的應(yīng)用與分析[J].煤炭技術(shù),2011,30(4):152-154.

[4]付敬奇.智能磁方位傳感器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(4):171-174.

[5]上海直川信息技術(shù)有限公司.ZCC212N-232電子羅盤使用手冊[EB/OL].(2015-10-03)[2015-11-03].http://wenku.baidu.com/view/e803aadaa58da0116c174929.html.

[6]Honeywell.低成本羅盤(設(shè)計(jì)參考)[EB/OL].(2015-10-03)[2015-11-03].http://wenku.baidu.com/view/76cab0c7aa00b52acfc7ca00.html.

[7]韓希安.無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中測向和定位子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012:24-26.

[8]楊培科.基于SOPC的磁阻電子羅盤的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及其誤差補(bǔ)償[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009:47-48.

[9]馬成瑤.智能內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)的基準(zhǔn)空間姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測研究[D].上海:上海大學(xué),2008:51-53.

[10]顧大雄,高同躍,沈春濤,等.基于MEMS傳感器的微小型三維電子羅盤設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造,2011,49(560):40-43.

[11]班恬.三維聽覺顯示技術(shù)的研究以及在ARM平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2009:16-17.

[責(zé)任編輯李潛生]

Research on the Application of Electronic Compass in the Flight Body Azimuth Measurement System

CHENG Ying,ZHU Lian

(Electronic Information Department, Anhui Business Vocational College, Hefei 231131, China)

Abstract:In order to measure the azimuth of the flight body accurately, the flight body azimuth measurement system based on electronic compass is designed. First，the scheme of the azimuth measurement system is designed. Second，the solution to system error is discussed. Third, the measurement method of double compass precision is proposed and the precision control model is established. Lastly, the experiment results show that the measurement accuracy of the double compass azimuth measurement system is higher than that of the single compass system.

Key words:electronic compass；geomagnetic sensor；azimuth；error

中圖分類號(hào)：V441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-6021(2016)01-0121-04

作者簡介：程穎(1982-),女,安徽省明光市人,講師,碩士,安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系。

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：KJ2015A450)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目“基于地磁傳感器的電視偵察彈方位測量系統(tǒng)的研究”(項(xiàng)目編號(hào)：KJ2016B006)。

收稿日期：2015-11-03