孫繼文，趙國(guó)豪，王洪義

HCM5883L 的無人機(jī)磁航向智能傳感器設(shè)計(jì)

孫繼文，趙國(guó)豪，王洪義

（防空兵學(xué)院，鄭州450052）

介紹了磁阻傳感器和傾角傳感器的工作原理，分析了無人機(jī)飛行過程中俯仰和滾動(dòng)對(duì)方位角測(cè)量精度的影響，基于三軸傾角傳感器ADXL335、三軸磁阻傳感器HCM5883L和C8051F350單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的無人機(jī)磁方位傳感器。本文基于時(shí)間的線性特征，提出了一種新型的誤差校正方法，提高了方位測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)證明，該方位傳感器精度較高、可靠性好，能夠滿足無人機(jī)方位角測(cè)量要求。

傾角傳感器；磁阻傳感器；方位角；時(shí)間特性

引 言

在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，方位測(cè)量是重要的組成部分，起著航向測(cè)量和領(lǐng)航駕駛的作用。磁阻傳感器利用鎳鐵合金電阻測(cè)量某一方向的磁場(chǎng)，具有體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、工作頻帶寬、易于與數(shù)字電路匹配以及便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于無人機(jī)的方位測(cè)量。但是無人機(jī)在飛行過程中，會(huì)產(chǎn)生俯仰角和滾動(dòng)角，同時(shí)由于磁阻傳感器易受地磁環(huán)境的干擾，這些都會(huì)對(duì)磁阻傳感器產(chǎn)生很大影響，使方位測(cè)量精度降低。因此有必要研究一種新的方法對(duì)磁阻傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，提高磁阻傳感器的測(cè)量精度。

1　磁阻傳感器測(cè)量方位角的工作原理

系統(tǒng)在綜合考慮無人機(jī)俯仰和滾動(dòng)的基礎(chǔ)上，基于磁阻效應(yīng)，采用一種用于測(cè)量低磁場(chǎng)強(qiáng)度的三軸磁阻傳感器混合電路組件來感測(cè)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度在X、Y、Z軸的分量，通過解算，得到無人機(jī)的方位角。它由3個(gè)玻莫合金磁阻傳感器和定制接口電子設(shè)備構(gòu)成，并含有高靈敏度溫度補(bǔ)償電路，具有體積小、精度高、可靠性與耐損性高、動(dòng)態(tài)范圍大、外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（1）當(dāng)磁航向傳感器處于水平位置時(shí)

磁航向傳感器輸出的角度值βd是從地理上的“北極”繞垂直于水平面的軸的轉(zhuǎn)角，直接測(cè)定值βc是從“磁北”繞垂直于水平面的軸的轉(zhuǎn)角，其中βd、βc均是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。如圖1所示，以無人機(jī)縱軸方向?yàn)閄軸，橫軸為Y軸，建立直角坐標(biāo)系，η為當(dāng)?shù)卮牌?，磁阻傳感器坐?biāo)系與水平坐標(biāo)系重合，Z軸與磁場(chǎng)矢量垂直，其輸出為零，X、Y軸感測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為HX、HY。

由圖1可知無人機(jī)的航向角為：

圖1　水平位置下方位角示意圖

（2）磁航向傳感器不在水平位置

當(dāng)磁航向傳感器不在水平位置時(shí)，磁阻傳感器平面與水平面出現(xiàn)夾角，即無人機(jī)出現(xiàn)俯仰、滾動(dòng)時(shí)，磁阻傳感器感測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H″X、H″Y、H″Z可以通過歐拉角描述。固定坐標(biāo)系OXYZ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系OX″Y″Z″之間的關(guān)系如圖2所示，X軸為無人機(jī)縱軸方向，Y軸為無人機(jī)橫軸方向向右，Z軸為垂直無人機(jī)水平面向下的方向。

圖2　坐標(biāo)變換圖

其中，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系OX″Y″Z″是由固定坐標(biāo)系OXYZ先繞OZ軸旋轉(zhuǎn)角度β'，得到坐標(biāo)系OX'Y'Z，然后再繞O'X'軸旋轉(zhuǎn)角度θ'（即俯仰角），得到坐標(biāo)系OX'Y″Z'，最后繞OY″軸旋轉(zhuǎn)的角度?'即滾動(dòng)角，得到坐標(biāo)系OX″Y″Z″。因?yàn)榉较蛴嘞揖仃嚩际钦痪仃?，它的逆矩陣存在且就等于它自身的轉(zhuǎn)置矩陣，所以從OX″Y″Z″到OXYZ的逆過程的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

由式（1）、（2）得到不在水平狀態(tài)時(shí)無人機(jī)的航向角為：

因此無人機(jī)在飛行過程中，必須考慮俯仰、滾動(dòng)對(duì)磁傳感器的影響，在測(cè)量俯仰角和滾動(dòng)角時(shí)，系統(tǒng)采用三軸傾角傳感器ADXL335測(cè)得。

2　傾角傳感器測(cè)量?jī)A角的工作原理

測(cè)量?jī)A角的傳感器主要基于單軸傾斜、雙軸傾斜和三軸傾斜的原理。由于工藝技術(shù)水平的限制，傾角傳感器的敏感軸無法嚴(yán)格地平行于傾斜方向，從而會(huì)造成誤差。單軸傾斜不能進(jìn)行全角度的測(cè)量，而且采樣頻率要求很高，雙軸傾斜不能滿足全球范圍內(nèi)的方向確定，而三軸傾斜的傳感器可以彌補(bǔ)以上兩種傳感器的不足，因此系統(tǒng)采用了三軸傾斜傳感器測(cè)量俯仰角和滾動(dòng)角。

在安裝傳感器時(shí)，傳感器的X敏感軸與無人機(jī)縱向一致，Y敏感軸與X敏感軸垂直，并且與無人機(jī)在同一平面，Z敏感軸與X、Y敏感軸垂直。傾角測(cè)量原理示意圖如圖3所示。

Ax=-g sin?（4）

Ay=-g sinγ（5）

Az=g cosε（6）

其中，?為無人機(jī)高低角（水平以上為正，水平以下為負(fù)），γ為無人機(jī)滾動(dòng)角，Ax為加速度傳感器X軸輸出，Ay為加速度傳感器Y軸輸出。當(dāng)無人機(jī)沒有滾動(dòng)角時(shí)，γ為0，X、Y軸和重力在同一平面上，由位置關(guān)系可以得到?=ε。

圖3　傾角測(cè)量原理示意圖

所以可以通過X、Z軸相互補(bǔ)充的方法提高測(cè)量精度，同理可以測(cè)量無人機(jī)飛行時(shí)的滾動(dòng)角。

3　磁航向傳感器的組成

如圖4所示，磁航向傳感器由C8051F350單片機(jī)、三軸磁阻傳感器HMC5883、復(fù)位電路、信號(hào)調(diào)理電路、三軸傾角傳感器ADXL335和接口電路組成。利用ADXL335精確測(cè)量地球重力，HMC5883L感測(cè)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的三軸分量，通過C8051F350進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和誤差補(bǔ)償，最后得到補(bǔ)償后的無人機(jī)航向角。

圖4　磁航向傳感器系統(tǒng)的組成

C8051F350單片機(jī)內(nèi)部有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以與磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路。HMC5883傳感器是霍尼韋爾公司研發(fā)的一種小型高分辨率三軸磁阻傳感器，采用各向異性磁阻技術(shù)，內(nèi)部集成有放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和簡(jiǎn)易的I2C系列總線接口，靈敏度和可靠性較高，與C8051F350配合使用，能夠達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

ADXL335三軸傾角傳感器是美國(guó)ADI公司推出的一款帶有信號(hào)調(diào)理電路的高精度模擬三軸加速度傳感器，具有超低功耗、高靈敏度、高分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、高響應(yīng)頻率、零重力偏差和溫度漂移較低等特點(diǎn)，該加速度計(jì)有較高的分辨率（13位），其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測(cè)量不足1.0°的傾斜角度變化，測(cè)量范圍為±16g，可以直接與單片機(jī)連接，非常適合無人機(jī)飛行中俯仰角和滾動(dòng)角的測(cè)量。

由于磁阻傳感器的輸出均為m V級(jí)的電壓信號(hào)，所以必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后才可以送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入微控制器，進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)矩陣計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正，最終得到穩(wěn)定的姿態(tài)參數(shù)。

由于磁阻傳感器靈敏度極高，當(dāng)磁阻傳感器接收到外界大于20 Gs，地磁場(chǎng)約為0.6 Gs的磁場(chǎng)干擾時(shí)，傳感器薄膜磁化極性會(huì)受到破壞，傳感器特性也會(huì)改變，因此在設(shè)計(jì)時(shí)加入了一個(gè)置位/復(fù)位電路，可以對(duì)敏感元件施加一個(gè)瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)來恢復(fù)或保持傳感器特性。每經(jīng)過一定的采樣時(shí)間，給磁阻傳感器施加一個(gè)置位或復(fù)位脈沖，來恢復(fù)和保持傳感器特性。

4　磁航向傳感器的校正

4.1誤差分析

磁阻傳感器的輸出誤差主要可以分為兩類：第一類是系統(tǒng)自身存在的誤差；第二類是由磁阻傳感器周圍工作環(huán)境因素而造成的誤差，主要指羅差。系統(tǒng)自身誤差是固定的，較容易補(bǔ)償，影響較小。羅差對(duì)磁阻電子羅盤的精度影響最大可達(dá)幾十度，是磁阻傳感器誤差的主要部分。

磁阻傳感器在沒有鐵磁材料的空間里，接受地磁場(chǎng)的方向不會(huì)受影響。當(dāng)磁阻傳感器周圍存在鐵磁材料時(shí)，鐵磁材料將影響地磁場(chǎng)，改變輸出。因?yàn)閭鞲衅鬏^小，可以認(rèn)為該磁場(chǎng)為在傳感器周圍均勻分布的一種加在地磁場(chǎng)的附加恒定磁場(chǎng)，它引起的誤差大小相對(duì)于無人機(jī)方向隨外界磁場(chǎng)的變化而變化。該磁場(chǎng)方向可分解為水平分量和垂直分量，垂直分量對(duì)方位角的影響不大，水平分量與地磁場(chǎng)水平分量形成合成磁場(chǎng)。合成磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量之間的夾角就是羅差，其關(guān)系示意圖如圖5所示。

HG為地磁場(chǎng)水平分量；HP為外界干擾磁場(chǎng)水平分量；H為地磁場(chǎng)水平分量與外界干擾磁場(chǎng)水平分量的合成磁場(chǎng)。羅差的計(jì)算式為：

其中，?M為載體的實(shí)際磁航向，?O為羅盤指示的航向，?C為該磁航向的羅差。

由于地磁場(chǎng)沿地球表面平行的分量總是指向磁北極，在沒有誤差時(shí)，磁阻傳感器X軸輸出最大時(shí)，Y軸輸出為零，而X軸輸出為零時(shí)，Y軸輸出最大。即在無任何金屬材料干擾磁場(chǎng)的理想環(huán)境下，將磁阻傳感器在水平面上緩慢旋轉(zhuǎn)360°，以X軸為輸出橫軸，Y軸為輸出縱軸，采集足夠多的點(diǎn)，即可繪制出近似以（0，0）點(diǎn)為圓心的圓，如圖6所示。

圖5　羅差關(guān)系示意圖

圖6　無干擾條件下的輸出

磁阻傳感器在沒有鐵磁材料的空間里，接受地磁場(chǎng)的方向不會(huì)受影響。但一般情況下，外界環(huán)境不可避免存在鐵磁材料，有些安裝載體及電路磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)傳感器周圍的地磁環(huán)境產(chǎn)生影響，這些鐵磁材料將干擾地磁場(chǎng)，相當(dāng)于在地磁場(chǎng)上又加上了一個(gè)磁場(chǎng)。這時(shí)將磁阻傳感器在水平面上旋轉(zhuǎn)一周，繪制出的曲線不再是一個(gè)圓，而是一個(gè)橢圓，同時(shí)圓心也偏離了原來位置，如圖7所示。

圖7　環(huán)境磁場(chǎng)干擾條件下的輸出

4.2誤差補(bǔ)償

對(duì)羅差的補(bǔ)償通常有基于橢圓假設(shè)補(bǔ)償法、基于最小二乘24位置羅差補(bǔ)償法等，但是基于橢圓假設(shè)法需要繪制橢圓曲線，而最小二乘24位置羅差補(bǔ)償法需要大量的計(jì)算，不利于單片機(jī)處理，因此需要研究一種方便的、高精度的校正方法。

由于時(shí)間具有嚴(yán)格的線性特征，因此系統(tǒng)基于時(shí)間特性對(duì)磁航向傳感器進(jìn)行校正。方法是：到達(dá)指定地域后，將傳感器放置在標(biāo)定裝置上，此時(shí)的方位角為β0，標(biāo)定裝置帶動(dòng)磁航向傳感器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，記下時(shí)間T，由于時(shí)間具有嚴(yán)格的線性，所以在每一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)，標(biāo)定裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也是一定的，即每一時(shí)刻都非常嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其時(shí)間—角度特性如圖8所示。

圖8　時(shí)間—角度特性曲線

則在t時(shí)刻的無人機(jī)方位角為：

其中，βi為對(duì)應(yīng)i時(shí)刻精確方位角，t為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，β0為轉(zhuǎn)動(dòng)的起始方位角。

在理想狀態(tài)下（只有大地磁場(chǎng)，沒有其他磁場(chǎng)干擾），傳感器感應(yīng)的角度變化量也應(yīng)該是固定的，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)時(shí)間單位，對(duì)應(yīng)變換量應(yīng)該為360°/T，在t時(shí)刻測(cè)得的方位角應(yīng)該符合式（11）的計(jì)算結(jié)果。由于附加磁場(chǎng)的干擾，傳感器會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，任何一個(gè)時(shí)刻的值可能都不等于計(jì)算結(jié)果，但是在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，傳感器的輸出值與通過計(jì)算得到的角度值存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

磁航向傳感器測(cè)得的方位角為βc，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間i是非常嚴(yán)格的，代入式（11）便得到無人機(jī)自身的準(zhǔn)確方位角βz。

結(jié) 語

本文分析了俯仰角和滾動(dòng)角對(duì)磁阻傳感器的影響，通過使用三軸傾角傳感器ADXL335，提高了俯仰角和滾動(dòng)角的測(cè)量精度，從而對(duì)三軸磁阻傳感器HMC5883L進(jìn)行誤差補(bǔ)償。最后基于時(shí)間的線性特性對(duì)傳感器進(jìn)行校正，減小誤差。試驗(yàn)表明，該方位傳感器精度高、可靠性好、適用廣泛，已經(jīng)成功應(yīng)用于DF- 6等多種型號(hào)無人機(jī)的姿態(tài)測(cè)量中。

［1］王昌明.傳感器測(cè)試技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］晁敏，蔣東方，文彩虹.磁羅盤誤差分析與校準(zhǔn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（4）：525 532.

［3］金偉，齊世清，王建國(guó).現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［4］周繼明，江世明.傳感器技術(shù)與應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005.

［5］陸建山，王昌明，張愛軍.數(shù)字磁羅盤的航向角干擾補(bǔ)償方法研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：75 76.

［6］孫傳友，孫曉斌.感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

孫繼文（講師），主要研究方向?yàn)榉揽毡夹g(shù)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用；趙國(guó)豪（教授），主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)及應(yīng)用；王洪義（講師），主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)。

Magnetism-oriented lntelligent Sensor for Pilotless Aircraft Based on HCM5883L

Sun Jiwen，Zhao Guohao，Wang Hongyi
（Air Defense Force Academy，Zhengzhou 450052，China）

In the paper，the working principle of magnetism sensor and obliquity sensor is introduced，and the influence of pitch and roll angle measurement accuracy of the UAV during the flight is analyzed.A new type of UAV magnetic orientation sensor is designed，which is based on tri-axial obliquity sensor ADXL335，tri-axial magnetism sensor HCM5883L and C8051F350.According to the linear feature of time，a new method for error revising is proposed，which improves the precision of azimuth-measure.The experimental results show that the azimuth sensor has high precision and good reliability，and can meet the requirement of UAV azimuth angle measurement.

obliquity sensor；magnetism sensor；azimuth；feature of time

TP368.1

A

??薛士然

2016-04-05）