三軸磁阻電子羅盤(pán)的設計和誤差補償

摘要：設計了一款具有傾斜補償功能的三軸磁阻電子羅盤(pán)，并對樣機系統做了誤差補償。本系統以磁阻傳感器HMC1043和MEMS加速度傳感器ADXL203為信號采集模塊，以MSP430F149單片機為信號處理模塊，分別獲取、處理磁場(chǎng)和重力加速度信息，井通過(guò)液晶顯示模塊LCM6432ZK顯示載體的航向角和姿態(tài)角。結合經(jīng)典的橢A假設法和傅里葉級數模型，對系統的誤差進(jìn)行補償。實(shí)驗結果表明，設計的磁阻電子羅盤(pán)實(shí)現了集成化和智能化，能實(shí)時(shí)顯示載體的航向角和姿態(tài)角，航向誤差可穩定在±0.6°以?xún)取?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201610/309008.htm

引言

電子羅盤(pán)是利用地磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現定向功能的裝置，已廣泛應用于各種導航定位系統。單片機技術(shù)的廣泛應用，結合利用先進(jìn)加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器，為導航系統的數字化提供了有利的幫助，是未來(lái)電子羅盤(pán)的發(fā)展方向。因自身的誤差及環(huán)境磁場(chǎng)的影響，電子羅盤(pán)的航向測量精度不高。參考文獻提出的24位置最小二乘羅差補償法雖然精度高，但不能自動(dòng)補償;參考文獻的最佳橢圓假設補償法誤差可達到±1°。本文基于磁阻傳感器HMC1043和MEMS加速度傳感器ADXL203研制了一款電子羅盤(pán)樣機，經(jīng)過(guò)數據預處理和算法補償后的羅盤(pán)系統航向角精度可以穩定在±0.6°以?xún)?，該羅盤(pán)結構簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，有較好的應用前景。

1 系統結構及硬件組成

本文研制的電子羅盤(pán)框圖如圖1所示。

該系統基于磁阻效應，根據磁場(chǎng)大小確定方向，三軸磁阻傳感器HMC1043感測載體坐標系下地球磁場(chǎng)X、Y、Z軸的分量Ux1、Uy1、Uz1。ME MS加速度計ADXL203通過(guò)感知地球重力加速度在其測量軸上的分量大小而確定俯仰角φ和翻滾角θ，根據理論公式——式(1)可求得折算到地平坐標系中相同航向下地磁場(chǎng)在X軸和Y軸的分量Hx和Hy，則航向角φ可根據式(2)求得。

磁阻傳感器輸出信號采用高精度儀器放大器AD623進(jìn)行放大;由芯片IRF7509及其外圍電路將控制器產(chǎn)生的矩形脈沖轉換成大電流脈沖，使磁阻傳感器置位/復位，以消除磁阻傳感器的偏置和放大器的失調及漂移;主控制器采用德州儀器公司的超低功耗的16位單片機MSP430 F149，信號經(jīng)主控制器處理后送LCD顯示航向角和姿態(tài)角，亦可實(shí)現D/A轉換和串口輸出。

2 電子羅盤(pán)誤差補償

電子羅盤(pán)利用地球磁場(chǎng)確定載體的航向，而地球磁場(chǎng)強度僅有0.5～0.6 gauss，極易受到外界磁場(chǎng)環(huán)境的影響，又由于傳感器本身在制造、安裝過(guò)程中不可避免地會(huì )存在一些誤差，磁阻電子羅盤(pán)的誤差不可避免，從而影響到精度。有資料表明：當車(chē)輛沿一座鋼鐵橋梁直行時(shí)，角速率陀螺指示的航向變化很小，而電子羅盤(pán)指示的航向變化幅度超過(guò)100°。修正這些誤差僅僅通過(guò)硬件措施不能很好地解決，還必須借助有效的軟件補償方法才能完成。

本文軟件方面采用中值濾波算法對數據進(jìn)行預處理，從而保證A/D采樣的穩定性;根據經(jīng)典橢圓假設理論，將橢圓中心移至原點(diǎn)，將Y軸作為基準對X軸進(jìn)行校正，在此基礎上再對羅差構造數學(xué)模型，采用最小二乘法求取羅差補償系數對羅差進(jìn)行補償。

2.1 原點(diǎn)校正原理

根據Michel Moulin等人提出的橢圓假設，在用于地面車(chē)輛時(shí)，羅盤(pán)系統的誤差形成過(guò)程可認為是傳感器測出的水平面上兩個(gè)磁場(chǎng)分量的合成向量頂點(diǎn)在平面上由一個(gè)圓變成了一個(gè)橢圓的過(guò)程，其逆過(guò)程就是基于橢圓假設的誤差補償過(guò)程。該方法雖然易于實(shí)現自動(dòng)補償和校準，但是樣機用該方法實(shí)驗測得系統精度僅為±2°。本文首先采用該方法將橢圓中心移至原點(diǎn)，然后將Y軸作為基準對X軸進(jìn)行校正，在此基礎上再構建羅差模型進(jìn)行補償校正。

首先，將橢圓中心移到原點(diǎn)。將羅盤(pán)水平旋轉一周采樣，采樣的X、Y軸的最大、最小值分別記作Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，可根據式(3)～(6)求得X、Y軸的輸出中點(diǎn)Xo、Yo和輸出范圍Xrang、Yrang：

根據橢圓假設，可認為橢圓是由X、Y軸靈敏度不同造成，同時(shí)根據樣機的實(shí)際運行情況可知，Y軸的輸出范圍比X軸大，所以可將Y軸定為基準1，繼而用式(9)對X軸靈敏度進(jìn)行校正。

式(8)、(9)即為經(jīng)過(guò)橢圓原點(diǎn)校正后的X、Y軸輸出。此時(shí)解算出的航向角誤差如圖2所示。

2.2 羅差校正原理

羅差是利用地球磁場(chǎng)測量航向時(shí)電子羅盤(pán)系統所特有的一種誤差，也是對精度影響最大的一種誤差。羅差是由磁阻傳感器周?chē)蔫F磁材料影響而產(chǎn)生的航向誤差，可以分為硬磁材料引起的羅差和軟磁材料引起的羅差。

根據參考文獻介紹的基于最小二乘24位置羅差補償法，可得由硬磁材料和軟磁材料引起的總羅差為：

△φ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin(2φ)+Ecos(2φ) (10)

式中，A、B、C、D、E為羅差補償系數，則消除羅差后的羅盤(pán)航向角φc為：

φc=φ-△φ (11)

根據最小二乘原理求取最小二乘解。

5項羅差校正公式，即式(10)實(shí)現了對圓周誤差、半圓誤差和象限誤差的補償，但傳感器不對稱(chēng)誤差并未得到補償。經(jīng)過(guò)對誤差特性曲線(xiàn)的分析，是3倍角羅差項分量偏大所致，為提高精度，增加3倍角羅差項，構成7項羅差校正公式，即：

△φ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin(2φ)+Ecos(2φ)+Fsin(3φ)+Gsin(3φ) (12)

實(shí)驗表明，增加3倍角羅差項可提高精度，但效果有限，且會(huì )增加單片機系統負擔，故最終選擇5項羅差校正公式進(jìn)行羅差校正。

樣機在0～360°范圍內，每隔15°對共24個(gè)實(shí)驗點(diǎn)進(jìn)行測試，得到24組采樣數據，進(jìn)行羅差修正。對基于橢圓假設原點(diǎn)修正后的X、Y軸采樣數據，采用基于最小二乘24位置羅差補償法，樣機運行一周得到最終航向角的誤差如圖3所示。

由圖2、3可知，經(jīng)過(guò)基于橢圓假設原點(diǎn)校正后的航向角誤差可控制在±3°以?xún)?，在此基礎上對校正后的X軸、Y軸采樣數據，采用基于最小二乘24位置羅差補償法，航向角誤差可穩定在±0.6°，可見(jiàn)該誤差補償方法效果較好，同時(shí)因該方法利用的是現場(chǎng)的采樣數據，實(shí)時(shí)性也較好。

結語(yǔ)

本設計的電子羅盤(pán)樣機采用三軸磁阻傳感器HMC1043和MEMS加速度計ADXL203研制而成，系統成本低，體積小，功耗低。利用地球磁場(chǎng)測量航向，易受外界磁場(chǎng)干擾，結合經(jīng)典的橢圓假設法和基于最小二乘24位置羅差補償法，提出一種新的補償方法對誤差進(jìn)行修正。實(shí)驗證明，該誤差補償算法在不用額外增加硬件復雜度和軟件計算量的前提下，能有效地將航向角誤差穩定在±0.6°，補償效果良好，精度較高。需要指出的是，該補償算法的誤差補償結果是在水平狀態(tài)下得出的，當俯仰角或翻滾角較大時(shí)，修正后的航向角誤差會(huì )增大，如何更好地解決這一問(wèn)題是今后工作的方向。