姚麗青，楊文杰

( 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原030013)

基于磁阻傳感器和加速度傳感器的電子羅盤具有體積小、重量輕、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)用于航空、航海、交通、電子通訊等領(lǐng)域，也應(yīng)用于智能手機(jī)等生活類電子產(chǎn)品中．具體可以配合車載GPS 導(dǎo)航(GPS 進(jìn)入隧道或速度低于20km/h 就會(huì)失效)、電信基站天線角度的測量、大型機(jī)械平臺的水平測量、手機(jī)、游戲桿等產(chǎn)品中．本設(shè)計(jì)中的電子羅盤采用Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x，y)，單軸磁阻傳感器HMC1021Z 以及MEMS 重力加速度傳感器MXD2020E，采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后，羅盤系統(tǒng)精度基本上可以達(dá)到± 1°．該羅盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，已經(jīng)被用到電信基站天線角度監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價(jià)值．本文中的電子羅盤固定在載體上，通過自身的加速度傳感器和磁阻傳感器分別測量出重力加速度在載體坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量與地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系中的分量，通過CPU 的處理確定出載體的具體方位，載體與水平地面間的夾角．

1 電子羅盤的基本原理

1．1 坐標(biāo)系統(tǒng)

地球的磁場強(qiáng)度為0．5～0．6 gauss，無論何地，磁場的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，這是所有磁羅盤的制作基礎(chǔ)［2］．傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位，通過3 個(gè)角度，即方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 定義了姿態(tài)參數(shù)，實(shí)際上就是載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系．現(xiàn)在取兩個(gè)坐標(biāo)系OXYZ與O 'X'Y'Z'，OXYZ為地理坐標(biāo)系，OX在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指向地理北極，OY在水平面內(nèi)與OX垂直在OX右方，OZ與OX、OY構(gòu)成右螺旋關(guān)系，即沿重力加速度方向．方位角α 定義為沿Z軸方向看去OXY繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正，俯仰角θ 定義為沿Y軸方向看去OZX繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正，橫滾角φ 定義為沿X軸方向看去OYZ繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正．O'X'Y'Z'固定在載體上，以載體質(zhì)心為原點(diǎn)，平面直角坐標(biāo)系O'X'Y'固定在載體的對稱平面上，

O'Z'沿由O'X'至O'Y'的右螺旋前進(jìn)方向．坐標(biāo)系OXYZ先繞Y軸轉(zhuǎn)過θ，再繞X軸旋轉(zhuǎn)φ 與坐標(biāo)系O'X'Y'Z'重合．要了解載體在空間的姿態(tài)，就必須測出方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ．

1．2 各各角度的測量原理

加速度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為［0 0g］T，在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為［g'x g'y g'z］T，根據(jù)坐標(biāo)系O'X'Y'Z'、OXYZ之間的變換關(guān)系，它們的關(guān)系為:

即:

磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為，在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為中三個(gè)量由磁阻傳感器測出，根據(jù)坐標(biāo)系OXYZ、O'X'Y'Z'之間的變換關(guān)系，它們之間的關(guān)系為:

方位角α=arctanHx/Hy，至此載體在空間的方位由它的方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 完全確定．

2 電子羅盤系統(tǒng)

電子羅盤的硬件原理框圖如圖1 所示．本系統(tǒng)選用MXD2020兩軸重力加速度傳感器Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x，y)，單軸磁阻傳感器HMC1021Z，分別獲得載體平面的重力加速度分量和三維空間的地磁場分量，采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后，測得載體的姿態(tài)參數(shù)并通過Rs485 傳入上位機(jī)．

2．1 微處理器

微處理器的原理圖見圖2，該系統(tǒng)采用TI 公司的16 位RISC 結(jié)構(gòu)超低功耗單片機(jī)MSP430F247 作微處理器，本處理器擁有超低功耗，片上資源豐富，擁有60 KB Flash ROM，4kB RAM，32 路通用I/O 口，8 路12－Bit A/D 轉(zhuǎn)換器，10 個(gè)可捕獲比較的定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)異步通用串行口，JTAG 調(diào)試口，等外圍電路，便于開發(fā)和二次開發(fā)［2－3］．

2．2 加速度傳感器模塊設(shè)計(jì)

圖1 電子羅盤系統(tǒng)框圖Fig．1 Electronic compass system block diagram

由原理分析可知，加速度傳感器只需要X，Y兩軸便可，本設(shè)計(jì)選用MXD2020．MXD2020 所測重力加速度與Dout 輸出的脈沖占空比成正比，且加速度為0 時(shí)占空比為0．5，量程因子為0．2/g［4］．用MSP430F247 的TA0 測量X軸的占空比，TA1 測量Y軸的占空比，gx=(T1x/T2x－0．5)g/0．2=gsinθ，gy=(T1y/T2y－0．5)g/0．2=gsinφ．由此可知:

每次測量開始，設(shè)為上升沿中斷，時(shí)鐘源1 μs，第一次中斷打開計(jì)時(shí)器，并改為下降沿中斷，第二次中斷再改為上升沿中斷，同時(shí)捕獲脈沖“ON”計(jì)時(shí)值T1，第三次中斷中捕獲T2 計(jì)時(shí)值，并關(guān)閉中斷．T1，T2 測得，代入式(6)可求得角θ，φ，與水平面真夾角．

2．3 磁阻傳感器設(shè)計(jì)

用MSP430F247 的A0，A1，A2 對Hx'，Hy'，Hz'軸的磁場分量做A/D 轉(zhuǎn)換，Avcc 接3．3 v 并選為Verf A/D 參考電壓，精密三運(yùn)放AD623 作為磁阻傳感器信號放大，為區(qū)分磁場極性用一片AD623 做一精密二分壓電路，將3．3v 分為1．65v 作為磁阻傳感器信號放大器AD623 的參考 電 壓 Vref． HMC1052，HMC1051 的敏感電壓(sensitivity)為1．2(max)mV/V/gauss 橋路偏置電壓bridge offset 為1．25 mV/V，名義電壓設(shè)為0．135 mV/V 則HMC1052 ，1051 的最大輸出電壓為1．335×5×0．625+(1．25+0．135)×5=10．425 mV，取整為10 mV，增益Gain=1．65/0．01=165，Rg=637［5］，IRF7509 組成“H”橋路對磁阻阻傳感器置位/復(fù)位電路，假設(shè)置位后測得值為Mset(x，y，z)，復(fù)位后測得值為Mres(x，y，z)，實(shí)際磁場值為H(x，y，z)則offset(x，y，z)=Mset(x，y，z)+Mres(x，y，z)－4096，H(x，y，z)=Mset(x，y，z)－offset(x，y，z)－2048．Hx，Hy，Hz，φ，θ 前已求得，自然可求得航向角［4］．

圖2 微處理器原理圖Fig．2 The principle diagram of the microprocessor

圖3 加速度傳感器原理圖Fig．3 The principle diagram of the acceleration sensor

當(dāng)(Hx＜0)時(shí)，航向角α=π－arcTan(Hx/Hy);當(dāng)(H＞0，Hy＜0)時(shí)，航向角α=－arcTan(Hx/Hy);

當(dāng)(Hx＞0，Hy＞0)時(shí)，航向角α=2π－arcTan(Hx/Hy);

當(dāng)(Hx=0，Hy＜0)時(shí)，航向角α=π/2;當(dāng)(Hx=0，Hy＞0)時(shí)，航向角α=3π/2．

圖4 X、Y 軸磁場分量測量電路Fig．4 X，Y axis magnetic field component measurement circuit

圖5 Z 軸磁場分量測量電路Fig．5 The Z axis magnetic field component measurement circuit

3 誤差補(bǔ)償

圖6 為用MATLAB 求得的誤差擬合函數(shù)，其中* 為航向角誤差值，曲線為擬合函數(shù)曲線，由圖可知除130°與180°誤差在1 度左右外，其它角度誤差擬合函數(shù)相當(dāng)好，f(α)=a+bsinα+ccosα+dsin2α+ecos2α(因?yàn)檎`碼差與實(shí)測航向角的函數(shù)關(guān)系具有周期性，所以可設(shè)該函數(shù)為富里葉級數(shù)前5 項(xiàng)，由MATLAB 可求得a，b，c，d，e 系數(shù))

圖6 航向角誤差擬合函數(shù)圖Fig．6 Course angle error of fitting function diagram

4 結(jié)語

基于Honeywell 公司生產(chǎn)的磁阻傳感器芯片研制的電子羅盤系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、抗震性高、穩(wěn)定性好;同時(shí)硬件價(jià)格低廉、成本低、功耗小．采用的基于最小二乘法位置羅差補(bǔ)償法是羅盤誤差補(bǔ)償方法中的一種，該方法相比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償方法、橢圓擬合誤差補(bǔ)償方法來說，有較高的測量精度，只要計(jì)算出系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償函數(shù)系數(shù)，羅盤系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償校正，操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)．實(shí)驗(yàn)證明該電子羅盤系統(tǒng)可應(yīng)用在普通導(dǎo)航領(lǐng)域．

［1］ 劉敬彪，鄭玉冰，章雪挺． 三軸磁羅盤的設(shè)計(jì)與誤差校正［J］．自動(dòng)化儀表，2008(9):10－12．

［2］ 袁信，俞濟(jì)祥，陳哲．導(dǎo)航系統(tǒng)［M］．北京:航空工業(yè)出版社，1993:2－ 2．

［3］ Honeywell Application Note:AN205l［EB/OL］．(2007－10－08)［2014－07－01］．www．magneticsensors．com．

［4］ Michael J．Caruso Applications of Magneto Resistive Sensors in Navigation System［J］．Sensors and Act uators，1997，21:357－342．