地磁測(cè)量模塊系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法研究

郭剛強(qiáng) 高 鵬 王 龍

(西安微電子技術(shù)研究所 西安 710054)

地磁測(cè)量模塊系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法研究

郭剛強(qiáng) 高 鵬 王 龍

(西安微電子技術(shù)研究所 西安 710054)

系統(tǒng)誤差是影響地磁測(cè)量模塊工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題，為了提高解算滾轉(zhuǎn)角的精度，需要對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。論文中對(duì)零偏誤差、靈敏度誤差、正交誤差等主要系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償方案。在轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)境下，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償方法的有效性。

誤差機(jī)理;誤差補(bǔ)償;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

滾轉(zhuǎn)角是描述空中飛行物體姿態(tài)的重要參數(shù)之一，滾轉(zhuǎn)角的精確測(cè)定為空中飛行物體的姿態(tài)控制和導(dǎo)航提供了重要的依據(jù)。

若要對(duì)火箭彈進(jìn)行彈道控制，首先需要彈體測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出彈體的運(yùn)動(dòng)信息。由于火箭彈轉(zhuǎn)速較快，通?？蛇_(dá)到10r/S以上，慣導(dǎo)系統(tǒng)無法正常工作，火箭彈滾轉(zhuǎn)角的獲取是一大難點(diǎn)。磁測(cè)傳感器由于自身的性能優(yōu)勢(shì)，非常適用于測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)飛行體的滾轉(zhuǎn)角。

1 誤差分析

以二維磁測(cè)傳感器為核心研制的地磁模塊，在沒有誤差的情況下，以X軸的輸出為橫坐標(biāo)，以Y軸的輸出為縱坐標(biāo)作圖，可以在坐標(biāo)軸上映射出一個(gè)圓心在原點(diǎn)的正圓，如圖1所示。

地磁模塊在工程應(yīng)用中主要存在以下誤差:零偏誤差、靈敏度誤差、正交誤差、安裝誤差、測(cè)量誤差、環(huán)境磁場(chǎng)影響誤差、環(huán)境溫度影響誤差、放大誤差、AD采樣誤差等。這些誤差的存在，會(huì)使x軸和y軸的輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系并不嚴(yán)格的是圓心在原點(diǎn)的一個(gè)圓，我們需要采取相關(guān)的措施來消除這些不利影響，以提高地磁模塊的解算精度。

安裝誤差是地磁模塊在安裝過程中，兩條敏感軸所在平面與彈軸方向不嚴(yán)格垂直導(dǎo)致的。在彈體運(yùn)動(dòng)過程中，地磁模塊敏感平面受力彎曲也會(huì)導(dǎo)致該現(xiàn)象。可通過提高安裝精度，并使用強(qiáng)度較高的材料作為磁傳感器的安裝平面來解決該問題。地磁模塊的測(cè)量誤差是由傳感器出廠時(shí)的精度決定的，只能通過選用更高精度的傳感器來減小該項(xiàng)誤差。彈體在高空飛行的過程中，周圍磁場(chǎng)一般比較穩(wěn)定，不存在環(huán)境磁場(chǎng)的影響，并且飛行時(shí)間一般較短，可認(rèn)為地磁模塊溫度保持不變，因此可不考慮環(huán)境溫度的影響。磁傳感器輸出信號(hào)的放大誤差，主要是由放大電路中的匹配電阻決定的，選用高精度的電阻，可以有效減小放大誤差的影響。為了減小AD采樣誤差，可以選用高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片。

通過以上分析可知，地磁模塊在工程應(yīng)用中需要補(bǔ)償誤差的主要有零偏誤差、靈敏度誤差、正交誤差等，這些誤差是在生產(chǎn)磁傳感器的過程中就已經(jīng)固有存在了，并且具有明顯的個(gè)體差異性。

1.1 零偏誤差

如果敏感軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，而傳感器的輸出不為0時(shí)，則會(huì)帶來零偏誤差。零偏誤差如圖2所示:

X軸和Y軸的零偏為:

1.2 靈敏度誤差

當(dāng)磁阻傳感器的兩條靈敏軸的靈敏度或者放大倍數(shù)不完全一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靈敏度誤差，這時(shí)輸出曲線就是一條橢圓，如圖3所示:

1.3 正交誤差

正交誤差是由于傳感器的X軸和Y軸不嚴(yán)格垂直導(dǎo)致的，這時(shí)采集到的數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的現(xiàn)象是:Y軸輸出為最大時(shí)，X軸輸出不為0，此時(shí)x軸的實(shí)際輸出為X=Ymax·sinα。如圖4所示:

我們假定以X軸的輸出為基準(zhǔn)，通過給Y軸的輸出乘一個(gè)比例系數(shù)就可以將Y軸的靈敏度為和X軸的靈敏度調(diào)整一致。

對(duì)此，可以采用下述公式進(jìn)行補(bǔ)償:

在實(shí)際應(yīng)用過程中，這幾種誤差往往同時(shí)存在，因此需要找到一種合理的方法，將這些誤差消除。

2 軟件補(bǔ)償流程

針對(duì)上文提出的誤差，在軟件上采用如下補(bǔ)償方案進(jìn)行消除:

(1)AD的采樣頻率為100kHz，對(duì)X、Y軸的采樣數(shù)據(jù)Mx、My先進(jìn)行1ms平滑濾波，得到濾波后的數(shù)據(jù) Mex、Mey。

(2)生成一個(gè)一維數(shù)組 Data_BUFx［100］，將前100個(gè)Mex存儲(chǔ)在該數(shù)組中。生成一個(gè)100個(gè)元素的結(jié)構(gòu)體 EY_orth［100］，將前100組一一對(duì)應(yīng)的Mex和Mey存在該結(jié)構(gòu)體中，每對(duì)Mex和Mey作為結(jié)構(gòu)體的一個(gè)元素。

(3)將Data_BUFx［100］中的元素從大到小排序，得到更新后的數(shù)組Data_BUFx［100］;將EY_orth［100］中的元素按照Mey的大小，從大到小排序，得到更新后的結(jié)構(gòu)體EY_orth［100］。

(4)新生成兩個(gè)50個(gè)元素的一維數(shù)組ex_max_buf［50］、ex_min_buf［50］，將 Data_BUFx［100］中的前50個(gè)數(shù)存在 ex_max_buf［50］中，將 Data_BUFx［100］中的后50 個(gè)數(shù)存在 ex_min_buf［50］中。

(5)新生成兩個(gè)50個(gè)元素的結(jié)構(gòu)體ey_max_array［50］、ey_min_array［50］，將 EY_orth［100］中的前50個(gè)元素存在 ey_max_array［50］中，將EY_orth［100］中的后50個(gè)元素存在 ey_min_array［50］中。

(6)連續(xù)采數(shù)5s，將每個(gè) Mex與 ex_max_buf［50］、ex_min_buf［50］的數(shù)據(jù)比較大小。如果當(dāng)前的Mex大于ex_max_buf［50］中的最小值，按順序插入XMAX［50］數(shù)組中;如果當(dāng)前的Mex小于ex_min_buf［50］中的最大值，按順序插入 XMIN［50］數(shù)組中。將每個(gè) Mey與 ey_max_array［50］、ey_min_array［50］中的Mey比大小。如果當(dāng)前得到的Mey大于ey_max_array［50］中 Mey的最小值，將當(dāng)前 Mex、Mey作為一個(gè)元素按順序插入 ey_max_array［50］中;如果當(dāng)前得到的Mey小于ey_min_array［50］中Mey的最大值，將當(dāng)前Mex、Mey作為一個(gè)元素按順序插入 ey_min_array［50］中。

(7)去掉 ex_max_buf［50］和 ey_max_array［50］中最大的10個(gè)元素，去掉 ex_min_buf［50］和 ey_min_array［50］中最小的10個(gè)元素。對(duì)ex_max_buf［50］和ex_min_buf［50］中剩余40個(gè)元素求平均，得到 Ex_40max、Ex_40min，對(duì) ey_max_array［50］和ey_min_array［50］中剩余40個(gè)元素求平均，得到Ey_40max_array.Y 、Ey_40max_array.Y_x 、Ey_40min_array.Y、Ey_40min_array.Y_x

再對(duì)Ex_40max和Ex_40min求平均得到Ex，對(duì)Ey_40max_array.Y和Ey_40min_array.Y求平均得到Ey_array.Y。

(8)零偏誤差:Ex、Ey_array.Y

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將地磁測(cè)量模塊通過夾具固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，夾具需要將地磁模塊支起距離轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面至少25cm，以保證地磁模塊測(cè)量到的磁場(chǎng)不受電機(jī)的磁場(chǎng)影響。周圍較大范圍內(nèi)需要沒有鐵磁性物質(zhì)、高壓線和空間電磁場(chǎng)的干擾，以便得到一個(gè)穩(wěn)定的地磁環(huán)境。安裝時(shí)，使地磁模塊的兩個(gè)敏感軸垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸，安裝示意圖如圖5所示。

(1)準(zhǔn)備就緒后，調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角為0°，啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，待轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后開始采集地磁模塊兩軸輸出。采數(shù)3min后停止采數(shù)軟件，并停止轉(zhuǎn)臺(tái)。

(2)調(diào)整俯仰角，分別測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角在－60－60°范圍內(nèi)的輸出，每隔10°取一個(gè)點(diǎn)，重復(fù)上述過程。為了得到可靠的數(shù)據(jù)，降低實(shí)驗(yàn)過程中的隨機(jī)性，每次采樣之間間隔3min，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次以上。

地磁模塊上電后，前5s用于標(biāo)定。在這5s中，地磁模塊旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，兩個(gè)敏感軸可以采集至少10個(gè)周期的數(shù)據(jù)，從而保證能夠有效的降低采數(shù)過程中的隨機(jī)性。

按照上述試驗(yàn)方案和軟件補(bǔ)償流程，經(jīng)過這至少十個(gè)周期的采樣后，數(shù)組ex_max_buf［50］中存儲(chǔ)了這5s中X軸輸出的最大50個(gè)數(shù)據(jù)，ex_min_buf［50］存儲(chǔ)了這5s中X軸輸出的最小50個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)體ey_max_array［50］中存儲(chǔ)了這5s中Y軸輸出的最大50個(gè)數(shù)據(jù)以及每個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的X軸輸出，ey_min_array［50］中存儲(chǔ)了這5s中Y軸輸出的最小50個(gè)數(shù)據(jù)以及每個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的X軸輸出。數(shù)據(jù)采集過程中有可能存在一些野值，為了避免野值對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，需要剔除以提高數(shù)據(jù)的有效性。采取的方法是去除ex_max_buf［50］、ey_max_array［50］中的最大10組數(shù)據(jù)，去除 ex_min_buf［50］、ey_min_array［50］中最小 10 組數(shù)據(jù)，對(duì)剩余的40組數(shù)據(jù)求平均，從而得到標(biāo)定過程中需要的未知量。

5s標(biāo)定完成后，按照前述誤差補(bǔ)償方法，可以對(duì)地磁模塊的輸出值進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。下面選擇其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，以X軸輸出為橫坐標(biāo)，Y軸輸出為縱坐標(biāo)，分別作誤差補(bǔ)償前后的圖形，如圖6所示。通過分析可以看出，補(bǔ)償方法行之有效。

4 結(jié)束語

論文中對(duì)正交誤差、靈敏度誤差、零點(diǎn)誤差等主要系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償方案，并在工程應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)境下，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法行之有效，對(duì)于解算精度有明顯的提高。

［1］李秉璽，趙忠，孫昭鑫.磁阻傳感器的捷聯(lián)式磁航向儀及誤差補(bǔ)償［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)．2003，6(2):191 －192.

［2］楊新勇，黃圣國(guó).磁羅盤的誤差分析與驗(yàn)證［J］. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào) .2004，33(5):547－550.

［3］孫寧.利用磁阻傳感器測(cè)量飛行體滾轉(zhuǎn)角［D］.南京:南京理工大學(xué).2008.

［4］陳勇巍.基于地磁探測(cè)的彈丸滾轉(zhuǎn)角辨識(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué).2007.

［5］向超.旋轉(zhuǎn)彈體背景磁場(chǎng)模型和地磁姿態(tài)測(cè)試方法研究［D］.南京:南京理工大學(xué).2013.

Compensation Method of System Error in Geomagnetic Measurement Module

Guo Gangqiang，Gao Peng，Wang Long
(Xi'an Microelectronics Technology Institute，Xi'an 710054)

System error is the key problem which affects engineering application of Geomagnetic measurement module.In order to improve roll settlement accuracy，it is necessary to compensate the system error.Generation mechanism of the main systematic errors，such as zero-bias error，sensitivity error and orthogonal error are analyzed;and corresponding compensation methods and software compensation schemes are proposed.Validity/effectiveness of the compensation method is verified by using a turntable.

error mechanism;error compensation;experimental verification

TN957

A

1008-8652(2017)01-020-04

2017-02-06

郭剛強(qiáng)(1986－)，男，碩士研究生。研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)。