三軸磁阻電子羅盤的設(shè)計和誤差補償

摘要：設(shè)計了一款具有傾斜補償功能的三軸磁阻電子羅盤，并對樣機系統(tǒng)做了誤差補償。本系統(tǒng)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、處理磁場和重力加速度信息，井通過液晶顯示模塊LCM6432ZK顯示載體的航向角和姿態(tài)角。結(jié)合經(jīng)典的橢A假設(shè)法和傅里葉級數(shù)模型，對系統(tǒng)的誤差進行補償。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的磁阻電子羅盤實現(xiàn)了集成化和智能化，能實時顯示載體的航向角和姿態(tài)角，航向誤差可穩(wěn)定在±0.6°以內(nèi)。

引言

電子羅盤是利用地磁場來實現(xiàn)定向功能的裝置，已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)。單片機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合利用先進加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器，為導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)字化提供了有利的幫助，是未來電子羅盤的發(fā)展方向。因自身的誤差及環(huán)境磁場的影響，電子羅盤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，但不能自動補償;參考文獻的最佳橢圓假設(shè)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樣機，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補償后的羅盤系統(tǒng)航向角精度可以穩(wěn)定在±0.6°以內(nèi)，該羅盤結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件組成

本文研制的電子羅盤框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)基于磁阻效應(yīng)，根據(jù)磁場大小確定方向，三軸磁阻傳感器HMC1043感測載體坐標系下地球磁場X、Y、Z軸的分量Ux1、Uy1、Uz1。ME MS加速度計ADXL203通過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(jù)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在X軸和Y軸的分量Hx和Hy，則航向角φ可根據(jù)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(zhuǎn)換成大電流脈沖，使磁阻傳感器置位/復(fù)位，以消除磁阻傳感器的偏置和放大器的失調(diào)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，亦可實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換和串口輸出。

2 電子羅盤誤差補償

電子羅盤利用地球磁場確定載體的航向，而地球磁場強度僅有0.5～0.6 gauss，極易受到外界磁場環(huán)境的影響，又由于傳感器本身在制造、安裝過程中不可避免地會存在一些誤差，磁阻電子羅盤的誤差不可避免，從而影響到精度。有資料表明：當車輛沿一座鋼鐵橋梁直行時，角速率陀螺指示的航向變化很小，而電子羅盤指示的航向變化幅度超過100°。修正這些誤差僅僅通過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(shù)據(jù)進行預(yù)處理，從而保證A/D采樣的穩(wěn)定性;根據(jù)經(jīng)典橢圓假設(shè)理論，將橢圓中心移至原點，將Y軸作為基準對X軸進行校正，在此基礎(chǔ)上再對羅差構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘法求取羅差補償系數(shù)對羅差進行補償。

2.1 原點校正原理

根據(jù)Michel Moulin等人提出的橢圓假設(shè)，在用于地面車輛時，羅盤系統(tǒng)的誤差形成過程可認為是傳感器測出的水平面上兩個磁場分量的合成向量頂點在平面上由一個圓變成了一個橢圓的過程，其逆過程就是基于橢圓假設(shè)的誤差補償過程。該方法雖然易于實現(xiàn)自動補償和校準，但是樣機用該方法實驗測得系統(tǒng)精度僅為±2°。本文首先采用該方法將橢圓中心移至原點，然后將Y軸作為基準對X軸進行校正，在此基礎(chǔ)上再構(gòu)建羅差模型進行補償校正。

首先，將橢圓中心移到原點。將羅盤水平旋轉(zhuǎn)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(jù)式(3)～(6)求得X、Y軸的輸出中點Xo、Yo和輸出范圍Xrang、Yrang：

根據(jù)橢圓假設(shè)，可認為橢圓是由X、Y軸靈敏度不同造成，同時根據(jù)樣機的實際運行情況可知，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軸靈敏度進行校正。

式(8)、(9)即為經(jīng)過橢圓原點校正后的X、Y軸輸出。此時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測量航向時電子羅盤系統(tǒng)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圍的鐵磁材料影響而產(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(jù)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(shù)，則消除羅差后的羅盤航向角φc為：

φc=φ-△φ (11)

根據(jù)最小二乘原理求取最小二乘解。

5項羅差校正公式，即式(10)實現(xiàn)了對圓周誤差、半圓誤差和象限誤差的補償，但傳感器不對稱誤差并未得到補償。經(jīng)過對誤差特性曲線的分析，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(gòu)成7項羅差校正公式，即：

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

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

樣機在0～360°范圍內(nèi)，每隔15°對共24個實驗點進行測試，得到24組采樣數(shù)據(jù)，進行羅差修正。對基于橢圓假設(shè)原點修正后的X、Y軸采樣數(shù)據(jù)，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)過基于橢圓假設(shè)原點校正后的航向角誤差可控制在±3°以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上對校正后的X軸、Y軸采樣數(shù)據(jù)，采用基于最小二乘24位置羅差補償法，航向角誤差可穩(wěn)定在±0.6°，可見該誤差補償方法效果較好，同時因該方法利用的是現(xiàn)場的采樣數(shù)據(jù)，實時性也較好。

結(jié)語

本設(shè)計的電子羅盤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(tǒng)成本低，體積小，功耗低。利用地球磁場測量航向，易受外界磁場干擾，結(jié)合經(jīng)典的橢圓假設(shè)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行修正。實驗證明，該誤差補償算法在不用額外增加硬件復(fù)雜度和軟件計算量的前提下，能有效地將航向角誤差穩(wěn)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(jié)果是在水平狀態(tài)下得出的，當俯仰角或翻滾角較大時，修正后的航向角誤差會增大，如何更好地解決這一問題是今后工作的方向。