地磁傳感器飛行器轉(zhuǎn)速測量法研究

顧浩卿，陳 志，孟光韋（上海機(jī)電工程研究所，201109）

地磁傳感器飛行器轉(zhuǎn)速測量法研究

顧浩卿，陳 志，孟光韋
（上海機(jī)電工程研究所，201109）

本文對地磁傳感器飛行器轉(zhuǎn)速測量方法進(jìn)行了分析和研究，并給出了結(jié)論及今后的展望、應(yīng)用。

地磁傳感器；轉(zhuǎn)速；測量法

0 引言

現(xiàn)階段對于飛行器的轉(zhuǎn)速測量，主要的方法有：光電傳感器測量法及硅微機(jī)械陀螺傳感器（簡稱“MEMS”）測量法，但是光電傳感器測量法主要受天氣因素限制（在陰天或雨雪天無法感受光強(qiáng)變化且在晴好天氣時也宜受到地面反射太陽光源的干擾），而MEMS傳感器每個器件的特性均不一致，需在地面進(jìn)行大量的參數(shù)標(biāo)定后，方可投入使用，且受溫度變化影響較大，存在溫漂現(xiàn)象。故本文研究了一種新型的對于飛行器轉(zhuǎn)速的測量方法，即地磁傳感器測量法。

1 地磁傳感器測量原理

地磁傳感器可以將各種磁場及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號輸出，其由在硅圓片上電積的一個薄層鎳鐵（或稱坡莫合金，或鎳鐵導(dǎo)磁合金）薄膜制成，并布置成一個惠斯通橋式電阻帶，當(dāng)存在磁場時，薄層鎳鐵感受到薄膜側(cè)的外部磁場產(chǎn)生變化，致使磁力線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并改變其角度，這又使電阻值發(fā)生變化（△R/R）并造成惠斯通電橋的電壓輸出相應(yīng)的變化。這種鎳鐵電阻的變化被稱作磁阻效應(yīng)，它直接與電流的方向和磁化矢量有關(guān)。

2 地磁傳感器在各個領(lǐng)域的測量應(yīng)用

隨著地磁傳感器技術(shù)的成熟及制造業(yè)的精密生產(chǎn)，地磁傳感器相對于其他傳統(tǒng)的傳感器測量技術(shù)而言，其尺寸更小，最大不超過幾個毫米，最小的甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加的微小，在汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、電子通信等人們所接觸到的各個領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景：

a.智能手機(jī)中的電子指南針利用地磁場與手機(jī)內(nèi)置的地磁傳感器，實現(xiàn)了地理方向定位功能。當(dāng)指南針的指針方向有變化時，說明手機(jī)內(nèi)置地磁傳感器感受到了地磁場的變化。相對于傳統(tǒng)的GPS定位功能來說，其信號不受地形、地物遮擋影響，尤其在高樓林立區(qū)域和植被茂密的林地，GPS定位信息的準(zhǔn)確性僅為60%，而地磁傳感器則保證了定位信息100%的準(zhǔn)確性。

b.現(xiàn)今的汽車電子行業(yè)，已開始大量使用設(shè)有地磁傳感器裝置的路側(cè)停車場及地下停車場，用于監(jiān)測車輛停放信息。其工作原理也相當(dāng)?shù)耐ㄋ滓锥拖耱鸬幕芈暥ㄎ还δ芤粯?，?dāng)發(fā)送的信號被彈回就意味著前方有障礙物，發(fā)送的信號暢通就意味著前方空閑。

現(xiàn)今，地磁傳感器在航空、航天、軍事等高科技前沿領(lǐng)域，也逐漸開始了其設(shè)計應(yīng)用。

3 地磁傳感器在飛行器中的轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用研究

3.1 HMC2003三軸型地磁傳感器技術(shù)特性

飛行器在空中飛行中主要感受不同飛行地域、不同飛行高度的地磁場變化，地球的地磁場變化范圍為±（0.5～0.6）Gs，故可選用覆蓋地球磁場量程范圍的一款三軸地磁傳感器，本文中選用了霍尼韋爾公司的HMC2003三軸型地磁傳感器測量模塊為應(yīng)用研究對象。（測量參數(shù)見表1所示。）

表1 HMC2003三軸型地磁傳感器測量參數(shù)表

單獨對HMC2003三軸型地磁傳感器進(jìn)行參數(shù)及零位噪聲測試，測試數(shù)據(jù)見表2及表3所示。

注：表中輸出幅值量之差即表示地球磁場的變化量，例：2.52-2.08=0.44V=0.44高斯。

表3 HMC2003三軸型地磁傳感器零位噪聲測試數(shù)據(jù)表

由上述數(shù)據(jù)可知，HMC2003三軸型地磁傳感器對X軸、Y軸、Z軸各個方向旋轉(zhuǎn)性能測試靈敏度高且零位噪聲小，輸出穩(wěn)定。

3.2 HMC2003三軸型地磁傳感器在飛行器中的轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用方案

飛行器中的程序指令艙或制導(dǎo)艙功能是通過各類傳感器探測、識別飛行器在空中的運動特性（高低、方位、俯仰、轉(zhuǎn)速等），采集信息形成控制指令，操縱飛行器穩(wěn)定飛行。

以某小型飛行器程序指令艙為例，將HMC2003三軸型地磁傳感器固定于艙體頭部（用以敏感飛行器飛行過程中的地磁場變化量），通過程序指令艙中部電路組合的DC-DC電源模塊LSA28D1505為其提供+15V供電電源，并將地磁傳感器X軸、Y軸、Z軸三路輸出信號以屏蔽導(dǎo)線形式引至電路組合中的信號轉(zhuǎn)換電路及CPU芯片C8051F045（見圖2所示）進(jìn)行信號處理后，發(fā)出控制指令至后級執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制飛行器穩(wěn)定飛行。

4 地面仿真試驗驗證

將安裝有地磁傳感器的飛行器艙體固定于地面用的三軸半實物仿真轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心內(nèi)，見圖3所示。

圖2 傳感器測量電路框圖

圖3 飛行器轉(zhuǎn)速測量連接示意圖

設(shè)置仿真轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)速，分別在5轉(zhuǎn)、10轉(zhuǎn)、15轉(zhuǎn)、20轉(zhuǎn)、15轉(zhuǎn)+平面擺（3°+2Hz）、15轉(zhuǎn)+平面擺（3°+5Hz）、15轉(zhuǎn)+圓錐擺（3°+2Hz）、15轉(zhuǎn)+圓錐擺（3°+5Hz）的條件下，對地磁傳感器的輸出信號進(jìn)行監(jiān)測，其輸出性能見圖4所示。

圖4 a-地磁傳感器輸出信號圖（5轉(zhuǎn)）

圖4 b-地磁傳感器輸出信號圖（20轉(zhuǎn)

表2 HMC2003三軸型地磁傳感器參數(shù)測試數(shù)據(jù)表

圖4 c-輸出信號圖（15轉(zhuǎn)+平面擺3°、2Hz）

圖4 d-輸出信號圖（15轉(zhuǎn)+圓錐擺3°、5Hz）

5 研究結(jié)論及展望

由仿真結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)速為0～20轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)臺擺動0～5Hz的條件下，地磁傳感器的三軸信號旋轉(zhuǎn)輸出與基準(zhǔn)信號保持一致，能準(zhǔn)確測量飛行器的轉(zhuǎn)速，并且通過對三軸信號的解算，其電壓波動量也與轉(zhuǎn)臺擺動角度保持一致。

故可將此套測量方法用于導(dǎo)航控制，既能準(zhǔn)確測量飛行器的旋轉(zhuǎn)頻率，也能得知飛行器的方位、俯仰、高低方向的角度值。且地磁傳感器可全天候的對飛行器轉(zhuǎn)速及姿態(tài)進(jìn)行測量，不受環(huán)境因素干擾，穩(wěn)定可靠，在無人機(jī)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，應(yīng)可大為廣泛的進(jìn)行實際應(yīng)用。

［1］傳感器原理與檢測技術(shù)，錢愛玲、錢顯毅，機(jī)械工業(yè)出版社2015年08月01日。

［2］現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用，張志勇，電子工業(yè)出版社2014年01月01日。

［3］地磁導(dǎo)航原理，楊曉東、王煒，國防工業(yè)出版社2009年09 月01日。

Geomagnetism Sensor's air rotating frequency testing method research

Gu Haoqing，Chen Zhi，Meng Guangwei
（Shanghai Electromechanical Engineering Institute，201109）

This article analyzes and researches Geomagnetism Sensor 's air rotating frequency testing method and gives the conclusion，expectation，application for the future.

Geomagnetism Sensor；rotation；testing method