陳瑜，張鐵民，彭孝東(.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州50642;2.機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)006)

一種磁阻式電子羅盤(pán)測(cè)試和標(biāo)定方法研究*

陳瑜1，2，張鐵民1*，彭孝東1
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642;2.機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)110016)

在分析了影響磁羅盤(pán)工作過(guò)程中可能存在的誤差及其來(lái)源，針對(duì)羅差誤差，提出一種橢圓假設(shè)補(bǔ)償法與最小二乘法求補(bǔ)償系數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)電子羅盤(pán)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最大誤差達(dá)34.2°的電子羅盤(pán)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定補(bǔ)償后誤差降至3°以內(nèi)，能基本滿足一般導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。該方法也適用于其他磁羅盤(pán)的標(biāo)定。

電子羅盤(pán);標(biāo)定;最小二乘法;橢圓假設(shè)補(bǔ)償

當(dāng)今大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)使用某種型號(hào)的羅盤(pán)來(lái)確定航向。目前有幾種類(lèi)型的電子羅盤(pán)可供選擇:磁通門(mén)、磁阻式、磁感應(yīng)式以及其他類(lèi)型［1］。其中磁阻(MR)傳感器靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，固態(tài)封裝尺寸小，并作為集成電路易批量生產(chǎn)。因此，本課題組的導(dǎo)航系統(tǒng)選擇了磁阻式的電子羅盤(pán)。但由于磁阻式電子羅盤(pán)容易受到制造和環(huán)境等因素的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種誤差，因此要對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償校正，以得到較為準(zhǔn)確的航向信號(hào)。

本課題組正在研究設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于高地隙農(nóng)業(yè)移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，低成本，并具有較高的精度，因此設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理系統(tǒng)、電子羅盤(pán)和INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能依賴(lài)采集的圖像質(zhì)量和處理速度，當(dāng)圖像信號(hào)受到干擾或處理時(shí)延較大時(shí)則取決于電子羅盤(pán)和INS誤差的校正預(yù)測(cè)值。因此文中采用橢圓假設(shè)補(bǔ)償法與最小二乘法求補(bǔ)償系數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)電子羅盤(pán)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)標(biāo)定補(bǔ)償后的電子羅盤(pán)系統(tǒng)精度可以由原先的34.2°達(dá)到3°以內(nèi)。

1 電子羅盤(pán)DCM250測(cè)試和標(biāo)定系統(tǒng)

1.1 電子羅盤(pán)簡(jiǎn)介

項(xiàng)目選購(gòu)的電子羅盤(pán)DCM250是瑞芬公司開(kāi)發(fā)的低成本三維電子羅盤(pán)，其引進(jìn)了美國(guó)三維補(bǔ)償技術(shù)，使得在產(chǎn)品傾斜±40°的環(huán)境下依然可提供準(zhǔn)確的航向數(shù)據(jù)。DCM250單板是小型低功耗的器件，價(jià)格適中，其航向的分辨率為0.1°，而俯仰與翻滾的分辨率達(dá)到了0.01°，且有±40°的傾角補(bǔ)償。另外，DCM250具有一定的補(bǔ)償功能。

1.2 標(biāo)定系統(tǒng)

為了測(cè)試電子羅盤(pán)的性能，將電子羅盤(pán)DCM250固定在載體轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)按照試驗(yàn)要求的角度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，并記錄羅盤(pán)輸出。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候要注意，避免在轉(zhuǎn)臺(tái)周?chē)褂秒姍C(jī)和個(gè)人手機(jī)等易產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的電子設(shè)備，以減少軟磁干擾，保證磁阻傳感器能夠正常工作。

電子羅盤(pán)測(cè)試和標(biāo)定系統(tǒng)的MCU采用STM32F103單片機(jī)，采用串口連接讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口在筆記本電腦上存儲(chǔ)電子羅盤(pán)輸出的數(shù)據(jù)。測(cè)試和標(biāo)定系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試和標(biāo)定系統(tǒng)組成框圖

2 電子羅盤(pán)測(cè)試和簡(jiǎn)單校正

2.1 自帶軟件的測(cè)試

在用到DCM250三維電子羅盤(pán)時(shí)，廠家提供了一個(gè)羅盤(pán)的自帶軟件，用這個(gè)軟件就可以直接在電腦上顯示電子羅盤(pán)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。在用自帶軟件做測(cè)試時(shí)，將電子羅盤(pán)DCM250放在一個(gè)高30 cm的紙盒上并將其固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上(DCM250說(shuō)明書(shū)上要求其安裝位置離鐵磁材料至少30 cm以上)，把DCM250通過(guò)串口直接連接到電腦上，轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)10°，就測(cè)量并讀取一次數(shù)據(jù)。用自帶軟件做測(cè)試時(shí)，使轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在該電子羅盤(pán)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何校正的情況下，測(cè)量到的實(shí)測(cè)值和理論值之間的誤差如圖2所示。

圖2 無(wú)校正時(shí)實(shí)測(cè)值和理論值的誤差圖

由圖2可知，測(cè)試時(shí)電子羅盤(pán)檢測(cè)值與理論值誤差很大，最大的誤差甚至達(dá)到了34.2°。如此大的誤差，在導(dǎo)航系統(tǒng)中是不能接受的。因此，該電子羅盤(pán)必須要經(jīng)過(guò)一定的標(biāo)定和校準(zhǔn)后才能使用。

2.2 簡(jiǎn)單校正后電子羅盤(pán)的測(cè)試

2.2.1 DCM250的簡(jiǎn)單校準(zhǔn)

對(duì)DCM250做校準(zhǔn)的方法有2種:一種是用自帶軟件對(duì)DCM250進(jìn)行校準(zhǔn);另一種是通過(guò)單片機(jī)發(fā)送指令來(lái)校準(zhǔn)。

用自帶軟件對(duì)DCM250校準(zhǔn)的方法［2］如下:①將羅盤(pán)平行放置遠(yuǎn)離干擾的平面上，然后正確連接到RS232通訊口，打開(kāi)電源;②點(diǎn)擊自帶軟件上的“CALL-START”按鈕。如圖3所示;③DCM250會(huì)返回響應(yīng)信號(hào)，DCM250羅盤(pán)上綠色指示燈亮起;④將羅盤(pán)原地從0°到360°旋轉(zhuǎn)一圈，進(jìn)行采集羅盤(pán)周?chē)艌?chǎng)數(shù)據(jù)。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)的速度不宜太快，控制在40 s/圈以上;⑤旋轉(zhuǎn)完一圈后，點(diǎn)自帶軟件上的“CALL-SAVE”按鈕。

點(diǎn)擊SAVE按鈕后，DCM250會(huì)保存其周?chē)艌?chǎng)的數(shù)據(jù)，如此就完成了DCM250的簡(jiǎn)單校準(zhǔn)。

圖3 電子羅盤(pán)自帶軟件校準(zhǔn)圖

根據(jù)以上DCM250的校正方法可知，DCM250本身采用的是文獻(xiàn)［3］中的“橢圓假設(shè)補(bǔ)償法”。該橢圓假設(shè)補(bǔ)償法，可利用軟件自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，使操作過(guò)程大大簡(jiǎn)化，減少了硬件調(diào)試環(huán)節(jié)和工作量［3］。這種方法考慮了水平面內(nèi)的軟鐵和硬鐵效應(yīng)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)零位和標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，但沒(méi)有考慮天向磁場(chǎng)的軟硬鐵效應(yīng)［4］。而由以下實(shí)際測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，這種電子羅盤(pán)自帶的校正方法雖然簡(jiǎn)單，但誤差補(bǔ)償效果不甚理想。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室首先采用自帶軟件校準(zhǔn)的方法，即橢圓假設(shè)補(bǔ)償法做測(cè)試。采用STM32單片機(jī)做主控，單片機(jī)與電子羅盤(pán)模塊通過(guò)串口連接，單片機(jī)讀取三維電子羅盤(pán)模塊DCM250上的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦并顯示出來(lái)。在電腦上，用串口調(diào)試助手來(lái)顯示接收到的數(shù)據(jù)。把三維電子羅盤(pán)模塊DCM250固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，每轉(zhuǎn)過(guò)10°測(cè)量一次數(shù)據(jù)。為了更好的進(jìn)行誤差系數(shù)標(biāo)定，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)，要求在每個(gè)位置停留1 s以上，以便取得較多的采樣點(diǎn)。我們?cè)诿總€(gè)位置讀取10個(gè)數(shù)據(jù)，把串口調(diào)試助手接收到的10個(gè)羅盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)Excel表格中，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，其余8個(gè)數(shù)取平均值，以減少誤差。簡(jiǎn)單校正后用單片機(jī)測(cè)試得到的理論值和測(cè)量值的誤差如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)單校正后實(shí)測(cè)值和理論值的誤差圖

由圖4可知，對(duì)DCM250進(jìn)行簡(jiǎn)單校準(zhǔn)后，誤差只在-2°至+9°之間。而沒(méi)對(duì)DCM250做校準(zhǔn)前，用自帶軟件測(cè)量到的數(shù)據(jù)誤差最大達(dá)到34.2°。對(duì)比簡(jiǎn)單校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)可知，對(duì)羅盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)單校準(zhǔn)后，誤差的范圍大幅減少，但-2°至+9°的誤差范圍還是比較大的，因此還要對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，以對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使得誤差盡量減小。

3 電子羅盤(pán)誤差補(bǔ)償方法

在電子羅盤(pán)中，產(chǎn)生誤差的原因很多，而最主要的有2種，第1種是系統(tǒng)自身存在的誤差，包括制造誤差和安裝誤差。第2種誤差是由磁阻電子羅盤(pán)周?chē)ぷ鳝h(huán)境因素而造成的誤差，主要指羅差。羅差是磁阻電子羅盤(pán)誤差的主要部分［5］。

羅差是利用地球磁場(chǎng)測(cè)量方位時(shí)磁阻電子羅盤(pán)所特有的一種誤差，也是對(duì)精度影響最大的一種誤差，在不同的應(yīng)用環(huán)境下其值不同。羅差是由于磁阻傳感器周?chē)蔫F磁材料、電器設(shè)備等影響與地球磁場(chǎng)疊加，使磁阻傳感器不能準(zhǔn)確感應(yīng)地球磁場(chǎng)而產(chǎn)生的航向誤差。羅差根據(jù)干擾磁場(chǎng)的大小和方向的變化情況可以分為2種:硬磁材料引起的羅差和軟磁材料引起的羅差。

硬磁材料相當(dāng)于永久磁鐵，同時(shí)由于磁阻傳感器較小，可認(rèn)為硬磁材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)在傳感器周?chē)鶆蚍植?，且與磁阻傳感器固連在載體上，因此無(wú)論載體如何變化，硬磁材料產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)在3個(gè)軸上的分量是不變的，它所造成的誤差隨航向角在0°到360°之間變化時(shí)近似于正弦曲線，這種誤差為半圓羅差，硬磁材料引起的羅差Δφy可近似用下式［6］表示:

式中:φ為羅差補(bǔ)償前磁阻電子羅盤(pán)的輸出航向值，B、C為羅差補(bǔ)償系數(shù)。

軟磁材料本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，但它被環(huán)境磁場(chǎng)磁化后將影響其周?chē)艌?chǎng)，它引起的誤差大小相對(duì)于載體方向隨外界磁場(chǎng)的變化而變化，可分解為兩部分:一是大小和方向均不變的誤差即圓周誤差，二是與2φ成近似正弦曲線的象限羅差。軟磁材料引起的羅差Δφr可用下式［6］表示:

式中:A、D、E為羅差補(bǔ)償系數(shù)。

綜合式(1)和式(2)，Δφz表示總羅差，可得羅差方程:

則補(bǔ)償羅差后的航向角φh為:

通過(guò)上面的分析可知，進(jìn)行磁阻電子羅盤(pán)的羅差補(bǔ)償需要針對(duì)具體的環(huán)境求出誤差公式中的誤差補(bǔ)償系數(shù)A、B、C、D、E。

羅差校正主要是針對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)而進(jìn)行的，電子羅盤(pán)的羅差校正方法有很多，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，不同校正方法的效果也不一致。例如，最小二乘擬合法對(duì)穩(wěn)定的干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償效果較好，但其對(duì)于運(yùn)動(dòng)的載體補(bǔ)償效果有效有限。目前國(guó)內(nèi)許多研究都采用此算法，如西北工業(yè)大學(xué)邵婷婷［5］，上海交通大學(xué)王永強(qiáng)［7］，中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十八研究所蔣賢至［8］。而根據(jù)磁羅盤(pán)的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差等因素采用十二位置法標(biāo)定，可用來(lái)補(bǔ)償三軸軟硬鐵效應(yīng)，對(duì)于低成本磁羅盤(pán)零位、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差的生產(chǎn)標(biāo)定具有較好的作用［9］。北京航空航天大學(xué)的郭鵬飛［9］，中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所的張嬌［10］都采用了此方法。另外，西北工業(yè)大學(xué)的王璐［11］采用一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償方法，通過(guò)建立三層BP網(wǎng)絡(luò)模型可以較好的補(bǔ)償磁羅差并且補(bǔ)償后的航向誤差方差很小。除此之外，最佳橢圓擬合法既保證了系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)更新率，又使操作過(guò)程大大簡(jiǎn)化，該算法的補(bǔ)償精度稍低。這種算法在一些載體位置經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合應(yīng)用較多，南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院楊新勇［12］，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所宋海明［13］等正是采用此算法。這種方法需要測(cè)出x、y甚至z方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度或跟磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的3個(gè)方向上的電壓輸出，但項(xiàng)目選購(gòu)的電子羅盤(pán)DCM250直接輸出的是角度信號(hào)。因此，結(jié)合我們當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件，我們?cè)跈E圓假設(shè)補(bǔ)償法的基礎(chǔ)上，采用了最小二乘法進(jìn)行誤差校正。

為提高精度，在計(jì)算羅差補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，采用“誤差平方和最小”的原理，即最小二乘法求取。具體方法是在0°到360°之間，每隔10度進(jìn)行一次測(cè)量，一共在36個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行誤差測(cè)試，用得到的36組航向角的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB軟件，就可以求出補(bǔ)償系數(shù)。在求得補(bǔ)償系數(shù)后，把測(cè)到的數(shù)據(jù)代入公式就可計(jì)算出補(bǔ)償后的航向角。

記誤差方程:

其中:

將36組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式，根據(jù)矩陣性質(zhì)，可以求得羅差的補(bǔ)償系數(shù):

把補(bǔ)償前的數(shù)據(jù)代入到矩陣U和矩陣H中，用MATLAB軟件對(duì)矩陣做計(jì)算處理，即可計(jì)算出矩陣G。在MATLAB中，解得在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的補(bǔ)償系統(tǒng):

把解得的羅差補(bǔ)償系數(shù)代入式(3)中，可得總羅差的計(jì)算方式，把總羅盤(pán)的計(jì)算式代入式(4)，通過(guò)計(jì)算可求得補(bǔ)償后的航向輸出角度。補(bǔ)償前后的誤差曲線如圖5所示。

由圖5可看出，在補(bǔ)償前，電子羅盤(pán)的誤差在9°以內(nèi)，而補(bǔ)償后航向角的誤差基本都是在3°以內(nèi)。通過(guò)對(duì)比補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)可以看出，最小二乘法的應(yīng)用，對(duì)誤差的補(bǔ)償起到了一定的作用。

圖5 補(bǔ)償前后誤差對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航系統(tǒng)采用的電子羅盤(pán)DCM250成本低、體積小、功耗低;利用地球磁場(chǎng)測(cè)量航向，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，壽命長(zhǎng);根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的采樣數(shù)據(jù)，我們先用橢圓假設(shè)補(bǔ)償法進(jìn)行簡(jiǎn)單校準(zhǔn)，再用最小二乘法求補(bǔ)償系數(shù)，通過(guò)MATLAB解出了該系統(tǒng)中羅差補(bǔ)償系數(shù)的具體數(shù)值，補(bǔ)償效果較好。在進(jìn)行補(bǔ)償前，航向輸出角的誤差最大高達(dá)近34.2°，而補(bǔ)償后的誤差基本都在3°以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明，該電子羅盤(pán)能滿足一般導(dǎo)航要求，而本文采用的方法也適用于其他磁羅盤(pán)的標(biāo)定。如果要進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度，可以采用電子羅盤(pán)和INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))等多傳感器信息融合技術(shù)，這也是本課題組下一步努力研究的方向。

［1］磁阻傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，霍尼韋爾商業(yè)開(kāi)關(guān)與傳感器，http://www.honeywell.com/sensing

［2］DCM250單板40°傾角補(bǔ)償式三維電子羅盤(pán)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，瑞芬科技有限公司。

［3］劉靜.基于磁阻傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［4］Caruso M J.Applications of Magnetic Sensors for Low Cost Compass Systems［C］//Proceedings of the 2000 IEEE Position，Location and Navigation Symposium，2000:177-184.

［5］邵婷婷.傾斜補(bǔ)償電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007

［6］邵婷婷，馬建倉(cāng)，胡士峰，等.電子羅盤(pán)的傾斜及羅差補(bǔ)償算法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007(6):1335-1337.

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陳瑜(1981-)，女(漢族)，講師，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械組合導(dǎo)航與定位、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航與定位，chenyu219@126.com;

張鐵民(1961-)，男，漢族，黑龍江安達(dá)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)航空、農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究，tm-zhang@163.com。

Research on Test and Calibration Methods of a Magnetic Resistance Type Electronic Compass*

CHEN Yu1，2，ZHANG Tiemin1*，PENG Xiaodong1

(1.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China; 2.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

The possible error and its source of magnetic compass are analyzed.In view of the compass error，elliptic assume compensation method combined with leastsquare method for compensating coefficientmethod were proposed here to calibrate the electronic compass.The experiment verified the maximum error is drop from 34.2°to 3°when the compass system is compensated.And the experiment results demonstrate that the compass system can be used in common navigation field.This method is also applicable to other magnetic compass calibration.

electronic compass;calibration;least square method;ellipse hypothesis compensation

TP212

A

1004－1699(2014)05－0622－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.010

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家“十二五”課題項(xiàng)目(2013AA102300);機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(RL2012-O02)

2014-03-16

2014-04-16