高精度電子指南針的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第35卷(2007第1期計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程157高精度電子指南針的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)+胡修林余凱軍楊奇(華中科技大學(xué)電信系武漢430074摘要近年來,電子指南針被廣泛的運(yùn)用于導(dǎo)航設(shè)備中。本文首先介紹了電子指南針工作的原理和實(shí)現(xiàn)方案,然后深入分析了誤差中對指南針精度影響較大的傾斜誤差,并針對該誤差提出了一種合理的解決方案。最后文章對電子指南針系統(tǒng)中的各種誤差做了小結(jié),并提出了一種平滑濾波算法來消除誤差的影響。實(shí)踐證明該方案極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。關(guān)鍵詞磁傳感器電子指南針KMZ52傾斜補(bǔ)償權(quán)值平均中圖分類號P2121引言近年來,電子指南針被廣泛的運(yùn)用于導(dǎo)航設(shè)備中。筆者在實(shí)現(xiàn)一款手持設(shè)備的導(dǎo)航功能過程中,選用了philip公司的KMZ(kmz52/kmZ51系列芯片作為磁感應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)電子指南針功能…。KMz系列芯片采用磁阻來測量微弱的地球磁場。根據(jù)水平平面上互相垂直的兩個(gè)方向上的磁場分量,計(jì)算出前進(jìn)方向和磁北極方向的夾角。目前的應(yīng)用都沒有對誤差進(jìn)行分析。本文詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的誤差之后,針對影響較大的傾角誤差提出了解決方案。文章還提出了一種平滑濾波的算法來提高指南針的精度和穩(wěn)定性。方波驅(qū)動(dòng)電路400HZ400HZ鬟因警奩目翟盆圜耄罐因襲皂補(bǔ)償電路(硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償圖1指南針硬件實(shí)現(xiàn)框圖2指南針硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖l所示,方向決定單元輸出400Hz左右的方波信號驅(qū)動(dòng)芯片KMz52產(chǎn)生x,y方向上的微弱脈沖電信號。傳感器KMz52產(chǎn)生的電壓十分微弱,只有幾毫伏。放大電路和積分電路把微弱的脈沖電信號放大并展寬成適合模數(shù)芯片采樣的電壓。硬件補(bǔ)償電路主要補(bǔ)償系統(tǒng)溫度漂移和雙軸傳感器的非對稱性帶來的誤差,軟件補(bǔ)償則主要是補(bǔ)償偏置電壓和硬鐵效應(yīng)產(chǎn)生的誤差等等。根據(jù)采樣獲得的x和y方向上的電壓值,按公式(1可得到磁偏角值僅:arctan蘭(1穢y實(shí)際運(yùn)用中常采用曲線擬和的方法,得到一條采樣值和磁偏角的對應(yīng)曲線。擬和函數(shù)越高階,指南針的精度就越高舊』。參考文獻(xiàn)[3]對具體的硬件電路已做了詳細(xì)的描述,本文不再贅述。3傾斜干擾和解決方案3.1傾斜干擾在手持導(dǎo)航設(shè)備中,指南針芯片中的x,y軸方向上的傳感器所確定的平面很多時(shí)候和水平面(與重力方向垂直的方向不能平行。特別是傘兵跳傘和行進(jìn)過程中,指南針系統(tǒng)的傾斜和翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)致傾斜誤差的產(chǎn)生。嚴(yán)重的情況下,傾斜誤差會導(dǎo)致指南針功能基本失效。誤差值取決于指南針傾斜的角度r和地球平面的傾角6。如圖2所示,x和y是指南針傳感器的兩個(gè)軸,z軸和指南針傳感軸所確定的平面相垂直。為了簡化描述,固定指南針的兩個(gè)傳感軸所確定的xy平+收到本文時(shí)間:2006年3月7日作者簡介:胡修林,華中科技大學(xué)電信系教授,博導(dǎo),主要研究方向:現(xiàn)代通信系統(tǒng)與通信網(wǎng),多媒體通信,衛(wèi)星通信。余凱軍,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng),現(xiàn)代通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)。楊奇,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。萬方數(shù)據(jù)158胡修林等:高精度電子指南針的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第35卷面和地球的表面相平行。迸一步簡化,在沒有傾角f的時(shí)候,y軸和南北方向重合,x軸和東西方向重合。在沒有傾角r的情況下,磁場He的水平平面上只有y方向的分量,而且正確地指向北方。沿著南北軸的傾角(如以東西方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),磁場He的水平平面的分量將隨著磁場改變,但是仍然指向北方。這時(shí)候傾斜誤差就為零。如果傾斜是沿著東西方向(如以南北方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),He的水平平面的分量會偏轉(zhuǎn)占角度。至于介于南北和東西方向的傾角,誤差取決于傾角的東西方向的分量。Eg違t—west圖2傾斜誤差產(chǎn)生脅?sin6?sinT,^、sm“。黜詛n—瓦_(dá)丁(zJ式(2中,其中f是傾角東西方向的分量,6是地球平面的傾角。方程表明地球平面的傾角和指南針的傾角共同影響著傾斜誤差。當(dāng)傾角為90度的時(shí)候,傾斜誤差最大。當(dāng)?shù)厍蚱矫娴膬A角較小的地方,傾斜誤差影響比較小,可在10度以內(nèi)。但是在地球平面的傾角較大的地方,隨著指南針傾角角度的增加,傾斜誤差會變得很大。3.2解決方案指南針?biāo)椒胖玫臅r(shí)候,避免傾角誤差為零。然而,指南針系統(tǒng)的位置常常不是固定的(如手持通信機(jī)中的指南針系統(tǒng),安裝環(huán)境的干擾也是無法預(yù)先知道的。通過把測量的地球因素參量投影到水平平面中,傾角誤差(不包括移動(dòng)物體的傾角誤差可以得到補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式要求附加的感應(yīng)器。如圖3所示,增加第三個(gè)磁感應(yīng)器,這樣地球磁場的x,y,z三個(gè)分量都可以測量出來。傾斜和旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器用來測量指南針的傾角狀態(tài)。傾斜指的是沿著x或者機(jī)頭朝向的傾角,而旋轉(zhuǎn)指的是沿著y軸的傾角。通過測量的Hxc,Hyc,Hzc(3D空間中來計(jì)算地球磁場的Hxe,Hye(水平平面中方向的分量,這個(gè)計(jì)算分別在兩個(gè)3D的系統(tǒng)中。KMz52【雙軸磁感應(yīng)器陡=挈|KMz5?c單軸、磁感應(yīng)器杠;挈S3c44bO之Lc顯示×處理器模塊雙軸傾角傳感器礁圖3傾斜誤差解決實(shí)現(xiàn)方案Xe圖4傾斜誤差消除原理KMz52水平安裝,KMz51垂直安裝。這樣可以分別測量xyz方向上的磁場分量,雙軸傾角傳感器通過同步串口(sPI把傾斜和旋轉(zhuǎn)的角度傳給嵌入式處理芯片。傾角傳感器利用測量重力加速度的分量通過計(jì)算將其轉(zhuǎn)換為絕對角度值。如圖4,根據(jù)下面的公式(3(4就可以計(jì)算出水平平面上等效的Hxe和Hye。眠e=紙c‘cos咖一^『yc‘sin咖。si叩一肱。sin咖-co印(3蜘=鼽.c0甲+舷.?s卸(4Hxe和Hye的反正切值就是此時(shí)前進(jìn)方向和磁北極的夾角,通過正北校正(磁北極和地理北極不重合后,指南針在傾斜的狀態(tài)下亦可正確指向正北方。萬方數(shù)據(jù)第35卷(2007第1期計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程1594系統(tǒng)誤差和平滑濾波4.1系統(tǒng)誤差下表1描述了系統(tǒng)的主要誤差和解決的方法。系統(tǒng)的精度由輸出的偏置電壓誤差,兩個(gè)傳感器之間的非對稱性誤差,傾角誤差,AD量化誤差和其他非線性誤差共同決定。另外,系統(tǒng)所處的環(huán)境的磁場也會對指南針系統(tǒng)造成極大的影響¨。。這些誤差在高精度指南針的運(yùn)用場合是無法忽略的,常常會導(dǎo)致十度左右的測量誤差。因此,對計(jì)算獲得的角度信息進(jìn)行平滑濾波是非常重要的。平滑濾波后,指南針的指向非常穩(wěn)定,誤差可以小于一度。采用平滑濾波可保證指南針的誤差均方根在高精度系統(tǒng)能容忍的范圍內(nèi)。4.2平滑濾波圖5平滑濾波原理圖計(jì)算得到的角度值依次通過各個(gè)緩存。每來一個(gè)新的角度值的時(shí)候,移出最后一個(gè)緩存中的角度值,其他的角度值依次移位。根據(jù)每個(gè)緩存所對應(yīng)的權(quán)值,按照公式(5計(jì)算出一個(gè)平均值來。權(quán)值的選擇可以通過試驗(yàn)固定也可以使用相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值算法,如BP算法等等。筆者的實(shí)現(xiàn)采用了改進(jìn)的學(xué)習(xí)算法,取得了良好的效果。能夠有效的減少干擾的影響,特別是突發(fā)干擾的影響?！?iL∑口(i彬(i(5∑加(i”1形[凡+i]:f形(凡+生!掣,(n≠。(6【形(ny(n:o權(quán)值可以根據(jù)式(6確定,其中y刪是先驗(yàn)知道的正確值,,(n是輸出單元的輸出值,.j}是修正參數(shù),筆者采用的值為O.5。5。結(jié)語上述方案運(yùn)用在一款手持導(dǎo)航設(shè)備中,不采用’平滑濾波的時(shí)候,指南針的指向抖動(dòng)十分厲害。不采用傾斜補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候,在手持通信設(shè)備不和地球平面平行時(shí),指南針精度非常低,往往只能大概區(qū)分東南西北四個(gè)方向。采用了相應(yīng)的解決方法后,指南針的穩(wěn)定度和精度都大大提高。該電子指南針已應(yīng)用到手持導(dǎo)航設(shè)備中,工作穩(wěn)定,精度達(dá)到系統(tǒng)的要求。表1系統(tǒng)誤差誤差源誤差校正方法采樣電壓偏置電壓誤差磁傳感器非對稱性硬鐵效應(yīng)(外加磁場HixHiy傾角誤差rn…tan措d—arctan…+等]tand月bUsind+餓yQ叫Ⅲ舳瓦百磊蕊arctan(tan占sinf通過翻轉(zhuǎn)結(jié)合反饋和數(shù)學(xué)矯正可消除通過電磁反饋使用r漂移補(bǔ)償方法通過雙向校正的方法[3]可以消除如本文方案參考文獻(xiàn)[2]KMZ52ma印eticFieldSensorDataSheet.2000[1]Philips.ElectroniccompassDesignusingKMz51and[3]胡修林楊奇用磁場傳感器KMZ52設(shè)計(jì)的電子指南針KMZ52AN2002.2000[J].國外電子元器件2004.8萬方數(shù)據(jù)高精度電子指南針的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者:胡修林,余凱軍,楊奇作者單位:華中科技大學(xué)電信系,武漢,430074刊名:計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程英文刊名:COMPUTERANDDIGITALENGINEERING年,卷(期:2007,35(1引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(3條1.PhilipsElectronicCompassDesignusingKMZ51andKMZ52AN200220002.KMZ52magneticFieldSensorDataSheet20003.胡修林.楊奇用磁場傳感器KMZ52設(shè)計(jì)的電子指南針[期刊論文]-國外電子元器件2004(08相似文獻(xiàn)(2條1.期刊論文封維忠.楊麗.何君君基于磁傳感器MMC212的電子指南針-物理實(shí)驗(yàn)2010,30(3設(shè)計(jì)了基于各相異性磁阻傳感器芯片MMC212xMG的高精度電子指南針.由于該芯片是帶有片上信號處理并集成了I2C總線的完整的傳感系統(tǒng),允許設(shè)備直接與微處理器相連而不需要A/D轉(zhuǎn)換器或定時(shí)器,所以用該電路制作的電子指南針具有外圍電路簡單、功耗低、體積小的特點(diǎn).2.學(xué)位論文湯玉林基于MCU的GMR電子指南針的研制2004磁指南針是一個(gè)重要的導(dǎo)航工具,它被廣泛應(yīng)用在多種場合。伴隨著磁傳感器的發(fā)展研究,以電子指南針將代替舊的磁針式磁指南針也是一個(gè)不斷探索的課題。電子指南針可以方便地和其他電子系統(tǒng)接口,符合當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代的要求。甚至在GPS(全球定位系統(tǒng)中也可以用到。在本文中,用磁阻材料作為磁方向傳感器建立了一個(gè)電子指南針的原理樣機(jī)。論文在分析GMR的相關(guān)知識、地球磁場的基礎(chǔ)上,對磁阻材料作磁方向傳感器芯片提出了設(shè)計(jì)要求,以克服矯頑力的影響。完成了電子指南針硬件構(gòu)成的設(shè)計(jì)及軟件編程。該電子指南針系統(tǒng)使用MCU作為控制單元的核心。前端電路主要對微弱的地磁場信號進(jìn)行濾波和放大處理。并由A/D部分將傳感器電路的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以便為MCU進(jìn)行數(shù)字式的數(shù)據(jù)處理。用加速度計(jì)對指南針進(jìn)行水平狀態(tài)校正。配備了獨(dú)立的顯示單元和數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)直接顯示方向,并可以將數(shù)據(jù)傳送到其它的電子系統(tǒng)。MCU編程采用了KeilC51,而用PC機(jī)模擬外設(shè)時(shí)串口編程采用的是VisualC++。在本論文的工作