磁阻傳感器在車(chē)輛航位推算系統中的應用研究

引言

航位推算是最常用的車(chē)輛定位技術(shù)，它利用方位傳感器和距離傳感器提供的方位角和位移推算出車(chē)輛的位置。距離傳感器通常采用里程計傳感器；而采用何種方位傳感器將直接影響到航位推算系統的精度和成本。用于航位推算系統的方向傳感器有陀螺儀、磁阻傳感器等。陀螺儀尋北精度高，但價(jià)格昂貴、體積大、對環(huán)境要求高(如要求載體靜止、無(wú)振動(dòng))、且誤差隨時(shí)間積累，因此不適合于要求低成本的車(chē)輛導航。而磁阻傳感器具有體積小、功耗低、易于安裝，且溫度特性好、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，因此在車(chē)輛航位推算系統中采用磁阻傳感器具有較高的性?xún)r(jià)比。

圖1 磁阻傳感器工作原理圖

圖2 航向測量原理框圖

圖3 置位/復位脈沖對磁阻傳感器的輸出影響

圖4  HMC1022及其外圍電路圖

磁阻傳感器原理

磁阻傳感器是利用磁原理測量地磁場(chǎng)沿載體坐標系分量，通過(guò)數值計算、誤差校正，準確地得出載體的航向角。    

磁阻傳感器工作原理如圖1所示。它由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，在電阻中有電流流過(guò)，且在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H，使得兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向朝著(zhù)電流方向轉動(dòng)，引起電阻阻值增加；另外兩相對放置的電阻的磁化方向背向電流轉動(dòng)，從而引起電阻阻值減少。在線(xiàn)性區域，輸出和外加磁場(chǎng)成正比，靈敏度和傳遞函數的線(xiàn)性區域成反比。

航向角測量原理框圖如圖2所示。將二軸磁阻傳感器沿車(chē)輛的東、北向坐標軸安裝，即可測量到地磁場(chǎng)沿載體坐標的兩個(gè)分量。已知地磁場(chǎng)的水平分量H0與地球表面平行，指向地磁北極。令HX和HY分別為東、北向磁阻傳感器的輸出，則有

                              (1)

于是，航向角可由下式得出：

                           (2)

在使用式(2)計算航向角時(shí)，由于正切函數的多值性，航向角在大于180°是有效的，并且不允許Y＝0的除法運算。

磁阻傳感器誤差分析及補償

航向精度主要受以下幾個(gè)因素的影響：A/D轉換的分辨率；磁阻傳感器的誤差、溫度影響和附近的鐵質(zhì)材料；地球磁場(chǎng)的變化。傾角誤差在車(chē)輛導航中可以忽略不計。

A/D轉換的分辨率

車(chē)輛航位推算系統要求定位精度達到1°并且能測量0.1°的角度變化。已知地磁場(chǎng)在X-Y水平面上，磁場(chǎng)分量的典型值為300mG。根據航向公式(2)，有 ，則。即Y/X比率的1/573的變化會(huì )導致航向0.1°變化。由于經(jīng)A/D轉換后的數字量的最高位為符號位，若使用10位A/D轉換器，其分辨率為1/512，大于1/573，因此10位A/D轉換器不能滿(mǎn)足測量0.1°的角度變化的要求。那么A/D轉換器應等于或大于12位?？紤]到硬磁環(huán)境干擾的影響，系統測量的磁場(chǎng)范圍考慮為±800mG，則A/D轉換器的位數應為12位，可測得的最小磁場(chǎng)為0.8/2048＝0.39mG，它是HMC1022可測得的最小磁場(chǎng)量的4倍多(HMC1022可測得的最小磁場(chǎng)量為85?Gs)。因此，12位A/D轉換器完全滿(mǎn)足要求。

磁阻傳感器誤差

欲使總體航向精度達到1°，對磁阻傳感器的噪聲、線(xiàn)性度、磁滯、重復性等參數的測量誤差應優(yōu)于0.5°。磁阻傳感器的增益誤差和偏移，在硬磁校正時(shí)都可以被補償掉，不必考慮。表1給出了這些參數的誤差值、這些參數引起的磁場(chǎng)誤差，以及和最終導致的航向誤差。由表中可知，磁阻傳感器若能提供小于0.925mG的磁場(chǎng)誤差，對應的航向誤差將為0.25°。

溫度誤差

磁阻傳感器的溫度系數也會(huì )影響到航向精度，包括溫度漂移和靈敏度溫度系數。

溫度變化引起靈敏度溫度系數變化時(shí)，磁阻傳感器在X軸向和Y軸向的輸出增益的變化是成正比的。因此，在航向的計算中，此因素可以互相抵消掉。即溫度變化對航向精度無(wú)影響?！　?/p>

磁阻傳感器的溫度漂移是不匹配的，會(huì )對航向輸出有直接影響。溫漂是由每個(gè)傳感器元件的精確電阻值引起的。在磁阻傳感器中設計有偏置電流帶OFF+/OFF-，可以消除溫漂。通過(guò)一個(gè)交流耦合驅動(dòng)器，在OFF+/OFF-電流帶上產(chǎn)生一個(gè)雙向脈沖，如圖3所示。這兩個(gè)電流脈沖引起的磁阻傳感器的輸出是對稱(chēng)的，有一個(gè)相同的截距，可以通過(guò)運算消除掉。首先，對電流帶施加一置位脈沖，測量出此時(shí)的磁場(chǎng)強度B和輸出電壓；然后對電流帶施加一復位脈沖，測量出此時(shí)的磁場(chǎng)強度B和輸出電壓，將可消除偏置電壓Vos。

附近的鐵質(zhì)材料

航向是以地球水平面東、北兩軸向的地磁分量為基礎的，磁阻傳感器必須測量出這些值，且排除附近的磁源或干擾。干擾的大小取決于磁阻傳感器安裝的平臺材質(zhì)、連接頭和它附近的鐵質(zhì)。

在磁阻傳感器周?chē)鷽](méi)有任何物體產(chǎn)生磁場(chǎng)的場(chǎng)合下，成垂直狀態(tài)的兩組傳感器測出來(lái)的地磁輸出信號，隨著(zhù)傳感器的360傻貿穌哂胗嘈擼礁鍪涑魴藕藕銑?，就变抽W嗽殘喂旒?，检测到地磁场抵\浠段0.3Gs。但是，如果車(chē)輛被磁化或有固定磁干擾的情況下，輸出信號的合成就會(huì )偏離原點(diǎn)，且不再是一個(gè)圓，而是近似橢圓。對地磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，當存在著(zhù)10倍左右的干擾磁場(chǎng)時(shí)，從3Gs開(kāi)始，車(chē)輛被磁化；當有20倍以上的干擾磁場(chǎng)時(shí)，在1Gs左右磁化量達到飽和。

對這種疊加磁場(chǎng)的干擾可以通過(guò)校正將其補償掉。通常使用的校正方法是：讓安裝有磁阻傳感器的車(chē)輛在水平面上作環(huán)形運動(dòng)，然后找出磁阻傳感器X、Y軸輸出的最大和最小值；接著(zhù)確定出原點(diǎn)偏移值；最好根據偏移量進(jìn)行補償。

地球磁場(chǎng)的變化

地球的兩磁極的連線(xiàn)和地球自轉軸之間有11.5募薪(即磁偏角)，而且在地球的不同地方，磁北極和地理北極方向之間，都有不同的角度差值，此差值最大可達25?。因此，哉娸^蚣撲闃?，需要架Vセ蚣由洗舜牌?。磁偏綇娰pü虻牡卮牌塹贗薊騁PS輸出的數據中得到。

磁阻傳感器外圍電路設計

本文采用了霍尼韋爾公司的磁阻傳感器HMC1022應用于車(chē)輛航位推算系統，航位推算系統平臺的處理器芯片采用的是飛思卡爾公司的32位嵌入式處理器芯片MC9328MXL。HMC1022是二軸磁阻傳感器，可以輸出前后方向、左右方向的方位信息，輸出數據經(jīng)放大器放大后，再由A/D轉換將檢測到的模擬信號轉換為數字信號，經(jīng)SPI串行通信送到處理器計算出航向角。HMC1022及其外圍電路如圖4所示。

由于磁阻傳感器在制造過(guò)程中選定薄膜長(cháng)度的方向為軸，當玻莫合金薄膜在受到外部強磁場(chǎng)干擾時(shí)(大于20G)，薄膜磁化極性會(huì )受到破壞，傳感器特性也會(huì )改變。HMC1022使這個(gè)問(wèn)題得以解決，該芯片上有兩個(gè)阻值為7.7Ω(典型值)置位/復位電流帶，對玻莫合金薄膜施加0.5~4A、2?s的脈沖電流，通過(guò)這一瞬態(tài)的強恢復磁場(chǎng)來(lái)恢復或保持傳感器特性。置位脈沖或復位脈沖對傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區別是傳感器的輸出改變正負號。由圖4可知，555定時(shí)器每10分鐘產(chǎn)生1秒寬度的低電平時(shí)鐘信號，該時(shí)鐘信號控制CMOS開(kāi)關(guān)管IRF7105的導通和截止，從IRF7105的3腳接的1?F電容處激勵一大于0.5A的脈沖電流。在IRF7105的3腳和電源間串有200?的降壓電阻起降低噪聲的作用。

地磁場(chǎng)的變化引起磁阻傳感器的輸出電壓變化，HMC1022的2、4引腳輸出地磁在水平坐標(X-Y)中前后方向(Y軸)引起的變化電壓，5、12引腳輸出地磁在水平坐標中水平坐標中左右方向(X軸)引起的變化電壓?？紤]到硬磁環(huán)境干擾的影響，系統測量的磁場(chǎng)范圍考慮為±800mG。HMC1022的靈敏度為0.8至1.25mV/V/G，磁阻傳感器的供電電壓為5V，那么任一電橋上最大可能的地磁激勵可能為

因此必須將該電壓信號放大至A/D轉換器能精確轉換的電壓范圍。本文采用了AMP04放大器。要使電壓對應A/D轉換器模擬輸入端0至5V的電壓范圍，需將電壓放大為500倍，在A(yíng)MP04的1、8腳之間接一個(gè)的增益電阻可以達到該放大倍數。在A(yíng)MP04的6、8腳接的1.5nF電容為放大器提供了1kHz的截止頻率。

A/D轉換器采用的是TI公司的12位TLC2543。TLC2543中的SPI引腳電平為5V，而MC9328MXL的輸入輸出腳電平為3V。用MAX1840與MAX8867組合，可以實(shí)現兩接口高-低電平和低-高電平混合轉換。SPI1接口配置為主機模式，TLC2543的片選信號可由