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AMR 电子罗盘的设计及其误差补偿摘要;该文介绍了磁阻式电子罗盘的工作原理,设计了一种利用磁阻传感器和加速度计测定航向角、俯仰角、侧滚角的电子罗盘测量系统。在分析电子罗盘误差形成的基础上,提出了相应的补偿方法。实验结果表明,利用这些补偿方法,可有效的减低由制造和安装等所引起的误差。同时,这种补偿方法也适用于其它3 轴传感器系统。关键词:导航系统， 磁阻传感器，误差补偿1 引言目前,导航系统在汽车、航海、航空等领域已经得到广泛的应用。电子罗盘是导航系统不可缺少的重要组成部分,主要分为磁通门和磁阻式。磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成,该磁芯配有励磁电路,能够提供低成本的磁场探测方法,但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。而使用磁阻传感器的电子罗盘克服了磁通门罗盘的不足,具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点,是未来电子罗盘的发展方向。因此,本文所设计的电子罗盘采用3轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量,利用2 轴加速度计测量载体的重力加速度,通过补偿算法校准导航系统的误差,得到载体的航向角。2电子罗盘的基本原理地球的磁场强度为0. 5 10 - 4 - 0. 6 10 - 4T ,无论何地,磁场的水平分量永远指向磁北,这是所有电子罗盘的制作基础。传统的导航定位,通过以下3 个姿态参数:航向角() ,俯仰角() ,横滚角(）。将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体的3个坐标轴安装,分别测量地磁场磁感应强度H 在载体坐标系3个坐标上的投影分量(HX ,HY ,HZ)。在地平坐标系中,磁阻传感器的3轴输出为(HR - X ,HR - Y ,HR - Z）。式（1）如下2 轴加速计测得的重力加速度为GX ,GY ,已知当地的重力加速度值为g ,可得: = arcsin (GY/ g) (2) = arcsin (GX/ g) (3) = arctan (HR - X/ HR - Y) (4)3系统设计3. 1系统结构框图电子罗盘的设计框图如图1 所示,可分为3 大模块:传感器模块、数据采集模块和MCU 模块。系统首先利用加速度计敏感地球重力场中测量载体的姿态,然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换,系统误差补偿,得到载体的姿态参数,将它们通过串口在上位机实时输出。由于磁阻传感器的输出均为mV 级的电压信号,所以必须经过运算放大器放大后,才可以送到A/ D 转换器进行模数转换。图1 电子罗盘结构框图3.2系统选型3.2.1传感器模块本系统所用的磁阻传感器是HMC1001/ 1002 单轴/双轴磁阻传感器,将它们组合成3轴磁阻传感器,可测量X,Y,Z 轴的磁场分量。其磁场测量范围是2 105nT ,分辨率可达2. 7nT。传感器的芯片上有两个磁耦合的电流带:偏置电流带和置位电流带,省去了外加线圈的需要。加速计采用了可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗的2 轴加速度计ADXL202 ,测量范围是2g。因为传感器本身自带了信号调理电路,所以不需要外加电路,可以直接接入A/ D 转换器。3.2.2数据采集模块在传感器测量范围内,磁阻传感器输出的是与磁场成正比的差分电压信号,在5V 供电的情况下产生30mV 的偏置电压,因此可通过信号调理电路把双极性的电压信号转换成单极性信号,同时通过模拟低通滤波,消除高频噪声,最终得到05V 的电压范围。AD7714 是一款高分辨率、低噪声的24 位- A/ D 转换器,支持6 路单端信号输入满足5 路信号的采集要求。3.2.3 MCU 模块作为整个设计的核心部分,微处理器负责对传感器采集的信号进行实时处理,通过姿态矩阵误差补偿,可以得到载体的姿态参数。但其计算量较大,普通的单片机不能满足使用要求,本系统最终选用高速DSP 芯片作为微处理器。TMS320VC5402 是一款性价比极高的16bit 定点数字信号处理器,最高工作频率可达100MHz ,提供了两个高速、双向、多通道带缓冲的串行接口。置位/ 复位电路是用于消除高强度的磁场对磁阻传感器的影响,使其恢复到测量磁场的高灵敏度状态。置位/ 复位信号是在微处理器的控制下产生,置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本一样,唯一的区别是传感器的极性改变。4系统误差分析及其补偿方法电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角,因而不希望有其它磁场叠加到地磁场上,影响磁场的大小和方向,造成航向角误差。由于磁阻传感器本身的构造和环境因素的影响,误差是不可避免的。主要误差可分为:制造误差、安装误差和环境误差。环境误差是由磁阻传感器周围的铁磁材料影响而引起的磁罗差可以通过参考文献3、4中提出的方法进行校正补偿。本文主要研究制造误差和安装误差的补偿方法,假定载体是安装在无铁磁材料的环境中。4.1制造误差补偿制造误差与多种因素有关,主要表现为这3 方面:一是由于PCB 生产工艺以及芯片的安装,并不能保证传感器的3 轴完全的正交而引起的误差,称为正交误差;二是由于传感器的灵敏度和放大倍数的乘积不相等,而引起的误差,称为灵敏度误差;三是由于传感器、模拟电路和A/ D 转换的零点不为零,所引起的误差称为零位误差。针对以上的误差,可以利用标量场补偿方法5进行误差补偿。假设载体是工作在均匀的磁场内,由于制造误差的存在,磁阻传感器的3个敏感轴不正交,如图2 所示,偏移角分别为X ,Y ,Y，H。是经过补偿后的磁场3轴矢量,K是磁阻传感器的灵敏度对角矩阵,U是A/D转换器的输出电压列矢量,O是磁阻传感器的偏移量列矢量,B是3轴正交化矩阵。 H2X + H2Y + H2Z = H2 (5) 4.2安装误差补偿经过制造误差补偿后,假设磁阻传感器的3 轴是完全正交,但它们在安装时,与载体上的X,Y,Z 轴不平行,由此而产生的误差称为安装误差。其实也就是相当于依次绕X,Y,Z 轴转动了3 个角度,如图3 所示,A 为磁阻坐标系到载体坐标系的姿态变换矩阵。 图2 三轴不正交的偏移角图3 三轴不平行的偏移角由式1、式3 和式5 ,可得:HC - X HC - Y HC - ZT = A- 1 HR - X HR - Y HR - ZT (7)5 实验结论分析测试实验在载体平台水平的状态下进行,经过对系统环境误差补偿后,可认为系统是在无磁的平台上工作,使电子罗盘均匀旋转一周,对0360每10为一个测量点测得数据进行误差校正,如图4 所示,实线是未经过误差补偿的航向误差,达到9,而虚线是经过误差补偿后的航向误差基本可以控制在0. 6之内,局部误差为1.3。不过,因为本实验是在电子罗盘的俯仰角和横滚角为零的条件下进行的,所以当俯仰角和横滚角较大时,补偿效果将会受到一定的影响。本文针对磁阻传感器的误差提出的两种补偿方法,可以用在其它3 轴传感器系统进行误差补偿。图4 误差补偿前后对比图参考文献1 Carus o MJ . Application of magneto resistive sens ors in navigation systemsJ . Sens ors and Actuators ,1997 ,42 (9) :15 - 21.2袁信 ,俞济祥 ,陈哲.导航系统M .北京:航空工业出版社 ,1993 :2 - 12.3杨新勇 ,黄国圣.磁航向系统误差修正方法研究J .仪器仪表学报 ,2004 ,25 (4) :466 - 470.4王璐 ,赵忠. 磁罗盘误差分析及补偿J.传感技术学报 ,2007 ,20 (2) :439 - 441.5Platil A ,Kubik J ,Vopalensky M,et al.Precise AMR magnetometer for compassJ . Proceedings of IEEE Sens ors ,2003 ,1 (3) :472 - 476 6