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国内外电子罗盘研究现状及发展趋势传感器是电子罗盘的核心部分

发布时间:2019-07-26 17:32 来源:未知 编辑:admin

  国内外电子罗盘研究现状及发展趋势传感器是电子罗盘的核心部分 目前可应用于测量地球磁场的传感器主要有以下几种 磁通门传感器、霍尔传感器、AMR传感器和GMR传感器等 12 。电子罗盘是采用三轴磁敏传感器测量地磁场在载体上的分量 并使用加速度传感器测量载体的俯仰角和横滚角 在微处理器进行姿态和航向解算

  国内外电子罗盘研究现状及发展趋势传感器是电子罗盘的核心部分 目前可应用于测量地球磁场的传感器主要有以下几种 磁通门传感器、霍尔传感器、AMR传感器和GMR传感器等 12 。电子罗盘是采用三轴磁敏传感器测量地磁场在载体上的分量 并使用加速度传感器测量载体的俯仰角和横滚角 在微处理器进行姿态和航向解算 最终输出稳定的航向角。数字化的电子罗盘摆脱了复杂的机械结构 在防震防冲击 对杂散场效应的电路补偿以及电子系统中直观的用户交互界面方面有着传统机械式罗盘所没有的诸多优势 不仅提高了航向测量的可靠性 测量精度也得以大幅度的提升 并且体积更小 重量更轻 13 。在罗差补偿方面体现出了数字式电子罗盘的另一大优势 机械式罗盘的罗差补偿电路不仅只能补偿罗差的一部分 而且体积很大且需要外接电路装置 系统装置复杂 而电子罗盘依靠高性能的微处理器 使罗差补偿算法和传感器校准算法在微处理器中就能够完成 不需要添加多余的硬件补偿电路就可以补偿掉绝大部分的罗差。在有外来磁场的干扰下 电子罗盘可以通过与用户交互界面通信来控制MCU进行磁场校准来实现罗差补偿。鉴于电子罗盘的众多优点 使其成为了在航向导航系统领域中的研究热点。国内在这方面的研究开展也是比较早的 西北工业大学在无人机上就使用了两轴捷联数字式导航系统 北京航天航空大学开发的GPS SINS组合导航系统 还有宜昌测试技术研究院开发的高精度电子罗盘等 它们在感应地球磁场矢量上使用的传感器均为磁通门传感器 其中宜昌测试技术研究院开发的高精度电子罗盘精度可以达到0 以上分辨率可达0 宜昌测试技术研究院的磁通门传感器如图11所示。这种罗盘可以精确输出航向角、俯仰角和横滚角等姿态信息。其价格也较昂贵 主要使用在一些对航向精度要求特别高的领域 如航海、石油钻井、水下平台作业、飞机姿态测量、机器人控制等领域。 宜昌测试技术研究院高精度电子罗盘但是总体来说 国内由于受到关键技术和计算机技术的发展制约 对于体积小、灵敏度高的AMR和GMR等传感器器件的开发并不多见 电子罗盘研究绝大多数还是集中在应用上 比如市面上基于AMR传感器的应用开发很多 但是绝大多数精度不高 可靠性和抗干扰性相较于国外同类产品均有一定的差距。 在国外 美国Honeywell公司致力于航空航天及民用市场领域的电子罗盘开发 在基于自身公司开发的AMR传感器基础上研制出了HMR系列数字电子罗盘 其中HMR3500为三杭州电子科技大学硕士学位论文 轴全姿态电子罗盘航向精度在整个全姿态内都稳定在1 以内 HMR3600结合了陀螺仪技术使受到磁扰动的Z轴获得了惯性稳定性 使电子罗盘的动态性能大大提高 并且内置世界地磁模型自动纠正磁偏差 在倾斜在 80 之内的航向精度全部稳定在0 以内14 。HMR3600实物如图1 2所示。 HMR3600电子罗盘实物图基于磁通门传感器开发的电子罗盘做的最好的公司有KVH公司和PNI公司。KVH公司生产的C 100电子罗盘专为工业和军事上的使用而设计 该罗盘分辨率达到0 以内。PNI公司结合自己专利技术的三轴磁通门传感器开发研制了TCM系列电子罗盘 其精度很高。TCM3航向精度在0 以内TCM5在倾斜 70 范围内精度稳定达到0 倾斜大于70时航向精度也在0 以内罗盘分辨率达到0 罗盘性能非常稳定15 TCM5电子罗盘实物图国外还有像美国Crossbow公司基于磁通门技术的电子罗盘 飞思卡尔基于AMR技术的电子罗盘 日本旭化成基于霍尔技术的电子罗盘 Memsic公司基于MEMS技术CHS系列电子罗盘等等。 目前 电子罗盘主要的发展趋势分为以下两方面 一是主要面向航空航天、军事应用的高精度三轴电子罗盘 这种电子罗盘不受价格限制 更加关注于产品的性能和稳定性 对内部每个器件的选型都极为严格 并且需要严格的数据标定和反复的产品功能测试。这种电子杭州电子科技大学硕士学位论文 罗盘分辨率高、航向精度好有磁偏角自校准功能、可以在任意倾斜的情况下准确指示方向 二是应用于车辆导航、智能手机和平板电脑的集成化程度高、体积小的内嵌式电子罗盘。近年来汽车、智能手机、平板电脑和游戏机等电子设备的导航功能已经将电子罗盘变成标准配置 电子罗盘的使用量不断的增大。目前智能手机和平板制造商如苹果、三星 HTC和国内的一些公司都在其发布的智能设备中都集成了电子罗盘 如图1 4所示 未来将扩大到游戏机以及数位相机等装置上。 手机中集成的电子罗盘三是应用于一些需要辨向的民用市场 比如在气象领域内使用的方向仪以及使用对径极化磁铁的旋转编码器和角度传感器等。市面上现有的风向仪大多利用电阻码盘 虽然抗干扰能力强 但是分辨率低且无法单独确定方向 需要与辨向设备联合使用。而使用电子罗盘模块研制的风向仪依靠地球磁场确定方向 可以很好的解决这一问题 这类产品已经在厂家试用并准备大批量生产。图1 5为手持式风向仪。 手持式风向仪电子罗盘可以弥补了个人导航设备中全球定位系统 GPS 的导航功能。在苹果首次将电子罗盘功能放入iPhone 3GS后 消费者开始喜欢使用智能手机自觉式自动旋转地图的导航功能 杭州电子科技大学硕士学位论文 也因此开启了电子罗盘结合智能手机GPS功能的时代使罗盘功能成为基本配备 配备电子罗盘功能的导航系统能够提供使用者前进方位的信息 改善了手持式GPS设备的定位功能。电子罗盘的应用领域也在不断拓广 比如用数位相机拍摄照片后 可透过GPS导航功能将拍摄地点内嵌成为照片的附属资讯 然后与照片一同应用于SNS社群服务上。现在还有厂商将磁敏传感器和加速度传感器集成在一起推出6轴元件 甚至还集成了陀螺仪推出9轴感测器件 罗盘可以校准陀螺先天漂移的问题 而陀螺克服了电子罗盘不能进行动态测量的弊端 集成磁罗盘的9轴感测器件输出的数据将可以用来推算使用者更细微的动作状态 它可在室内推测出使用者的行走状态以及进行人员室内定位推算 并且在游戏市场上使用该功能可以提高游戏的准确率、流畅度和更快的动态控制效果 提升用户体验。 上述提到的应用需要将电子罗盘内嵌在智能设备中 所以需要罗盘芯片体积小 功耗低 成本少并且集成化程度高 内部不仅带有三轴磁敏传感器 还集成了三轴加速度传感器 D转换器并能够通过标准IIC接口或者SPI接口输出数字信号。现在国外芯片生产厂家如飞思卡尔公司的MAG3110和日本旭化成公司生产的AK8973、AK8975和AK8963C都是三轴数字化传感器芯片美国ST公司的LSM303DLH 霍尼韦尔公司的HCS01和爱知制钢的AMI603都是已经集成了加速度传感器的高集成度6轴罗盘感应器。目前 美国InvenSense已经成功推出了9轴传感器芯片MPU 9150 ST公司也新推出了9轴惯性传感器模块INEMO M1 霍尼韦尔公司推出了10轴的盲区推估模块DRM4000 这些高集成度的传感器芯片不仅体积小 并且功能非常强大 通过传感器数据融合算法 能够应用于游戏、增强实景、图像稳定、高级导航、机器人和身体运动重构等方面的用户体验 也能够识别用户的复杂身体运动 并将其极其准确、快速地将其转化成数字模型。根据市场研究机构IHS在2011年的报告 受惠于手机和平板装置等终端产品的热销 电子罗盘全球营收预计达4 191亿美元 较2010年的2 423亿美元爆发性增长186 未来几年也会有强劲的两位数增长幅度。到2015年之前 营收预计累积至8 422亿美元 是2010年规模的三倍以上。其稳定而强劲的增长势头表明其市场规模将会攀上新的台阶。 研究目的和意义电子罗盘是一种新型的重量轻、体积小、稳定性高、可靠性好的姿态检测模块 广泛应用于航空、航天、航海、车辆导航、智能终端设备、气象检测等领域。特别是近年来智能手机、平板电脑和游戏机等消费电子设备的导航功能已经将电子罗盘变成标准配置 近些年的电子罗盘市场前景形势非常乐观。但是我国由于受到关键技术和计算机技术的发展制约 电子罗盘核心传感器主要还是依靠国外进口 国内的罗盘市场只是停留在产品应用层面 并且由于电子罗盘在军工方面具有明显的应用潜能 西方国家严格禁止了高精度电子罗盘像我国出口 国内只能使用一些性能相对一般的进口产品及磁敏传感器。现在市面上使用最多的电子罗盘基本上是采用AMR传感器和磁通门传感器研制而成的 但是使用新型高灵敏度的GMR传感器制造的电子罗盘几乎没有 GMR传感器属于一类新型的传感器 与AMR传感杭州电子科技大学硕士学位论文 器相比具有体积小、灵敏度高、线性度好、磁场分辨率高、接口电路简单等诸多优点 更适合于电子罗盘的应用 本文开展了在国内东方微磁科技有限公司生产的具有自主专利技术的GMR传感器基础上进行了电子罗盘航向测量系统的相关技术研究。 现在交通运输行业迅速发展 交通拥堵现象时有发生 社会各界对公共交通问题非常关注。现今GPS技术在车辆导航、定位方面有着广泛的应用 但当车辆行驶在立交桥下面、深山峡谷、城市高楼大厦区域等地区时 GPS信号将会被地形、地物所遮挡 导致精度大大降低 甚至不能使用 16 。为解决这个问题 需要采用组合导航定向的方法 在现有GPS的基础上增加电子罗盘功能 它可以对GPS信号进行有效补偿 保证导航定向信息有效 即使是在GPS信号失效后也能正常工作 给车辆交通指明正确的方向 可以有力缓解交通拥堵 为步入智能交通时代迈进一步 17 本文设计制作的电子罗盘设计精度希望能够达到1 为了实现这个目标 主要从以下两个方面着手 一方面是利用新技术、高性能的传感器和微处理器 提高电子罗盘的精度 同时降低罗盘功耗和尺寸 减小罗盘体积 为以后的内嵌式开发做准备。另一方面就是从补偿校准算法分析 因为电子罗盘是测量地球磁场来确定航向的 而地球磁场本身比较微弱 很容易受到环境磁场的干扰和其他因素的影响 导致航向角精度有很大的误差 因此需要分析并研究电子罗盘误差的来源并提出补偿方法 通过罗差补偿校准来提高电子罗盘精度。 为此 本文从电子罗盘测量原理开始分析 详细分析了各种影响电子罗盘精度的误差来源 提出了电子罗盘的误差补偿方法 设计和实现了电子罗盘误差补偿算法的软件 并且介绍和分析了电子罗盘各个模块功能的硬件电路部分。最后经过了标准实验室进行实验和测量 结果表明 本文设计的电子罗盘补偿算法能够很好的对磁场干扰进行补偿 能够提高电子罗盘的航向角精度和稳定性。 本文的主要内容基于目前磁敏传感器领域新技术的发展和测量地磁场面临的硬件设计和软件补偿算法的技术问题 本文重点研究基于GMR传感器的三轴电子罗盘的硬件设计开发 以及提高航向精度和抗干扰能力的软件补偿算法。主要的研究内容包括电子罗盘的测量原理、电子罗盘的硬件设计、电子罗盘的软件设计、电子罗盘的误差分析及磁场补偿方法等四个方面。本文围绕这四个方面的内容 共分为如下六章内容。 第一章—绪论。简要介绍了电子罗盘的发展历史和国内外电子罗盘的研究发展概况 根据现有多传感器集成化的发展的趋势 详细介绍了罗盘的技术发展方向和相关应用领域 并根据现有国内的技术需求现况 提出了本文选题的背景和依据 针对电子罗盘面临的精度问题 结合最新传感器技术发展 提出了采用GMR传感器设计开发的解决方法 从而引出本课题的研究对象和内容。最后介绍了论文各部分的主要内容。 第二章—电子罗盘的测量原理。本章简述了地磁测量的基本原理 利用方向余弦法推导了从机体坐标系到地理坐标系之间的坐标变换矩阵。并在此基础上推导出了航向角和姿态角的计杭州电子科技大学硕士学位论文 算公式。第三章—电子罗盘的硬件设计。在对各元器件工作机理及器件性能分析的基础上 完成了GMR传感器和加速度传感器信号采集和处理电路设计、微控制器外围电路设计、电源管理电路设计以及串口通信电路设计。 第四章—电子罗盘的软件设计。介绍了系统的软件编译工具和电子罗盘的软件程序编程和调试 设置了罗盘的两种工作模式 详细介绍了软件数字滤波算法、磁场数据和加速度数据的标定校准算法、航向和姿态解算、单片机Flash 存储空间分配及存储读写方法 然后介绍了电子罗盘采用的数据通信协议 最后详细介绍了系统中单片机主要资源的配置和使用 包括I O口、时钟源、ADC转换器、flash以及串口的配置及使用方法。 第五章—电子罗盘误差分析及磁场补偿方法。首先分析了系统中主要器件存在的误差 并根据误差来源给出相应的标定方法 最后针对工作环境中存在磁场干扰对罗盘的影响 提出了行之有效的误差补偿方案。 第六章—实验及分析结果。本章主要介绍了利用标准无磁转台进行电子罗盘航向分辨率、精度、重复性等实验的步骤和方法 并在测试中增加一组铁磁性干扰源进行对比实验来验证软件算法的可行性。实验结果表明罗盘精度达到预先设计的精度目标并证明了补偿算法的可定性。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章电子罗盘的测量原理 地磁航向测量的基本原理地球本身带有磁性 是地球内部的物理性质之一。地球是一个大磁体 在其周围形成地磁场。地球磁场方向起源于地理南极附件的磁场北极 终止于地理北极附件的磁场南极 磁场强度约在0 5Gauss左右 18 。地球磁场可用图2 1中所示的偶级模型模拟表示 它近似于将一个磁铁棒放在地球中心。地球表面任一点的地球磁场总强度的矢量方向与地理水平面均存在一定的角度β 称为磁倾角。在北半球的地磁场方向向下指向磁北 磁倾角为正。在赤道附件 地磁场方向水平平行于磁北 磁倾角为零。在南半球 地磁场方向向上指向磁北 磁倾角为负。地球磁场在地理坐标系中可以分解成垂直于地理表面的垂直分量Hg和始终水平指向磁北的水平分量H0 如图2 2所示。磁敏传感器正是利用地磁场水平分量始终指向磁北这一特性来确定载体任一姿态相对于磁北的方位角。磁航向角定义为载体前进方向X轴在地理坐标系内的投影与地磁子午线 。当载体对地理坐标系映射后X轴方向与磁北方向重合时 磁航向角为0 沿着顺时针方向 磁航向角在0 360 之间表示。在二维平面内 载体坐标系与地理坐标系重合 根据水平坐标系X轴和Y轴检测到的地磁场在水平面内磁场分量分别为Hx和Hy 由此可推出磁航向角计算公式为arctanyxHH 但是由于上面公式求出的航向角是载体相对于磁北的方位角度。而我们真正需要的是载体相对于地理北极的方位角 由于地理的南北极和地磁的南北极不重合 两者之间存在一个磁偏角α 如果磁北相较于地理北极偏东 则磁偏角为正 反之 则磁偏角为负。不同的地方 磁偏角也不一样 可以通过查找国际地磁参考场 IGRF 来确定各个地方的磁偏角 查找到的磁偏角在加上求出的磁航向角 才是我们真正需要的相对于地理北极的航向角。 杭州电子科技大学硕士学位论文 地磁场H在水平坐标系内分解图在实际应用中 载体不一定与地理水平坐标系平行 更多的情况是载体在三维空间中 载体坐标系和地理坐标系定义如图2 3所示。载体坐标系定义取载体重心为坐标系原点O X轴沿载体纵轴向前 Y轴沿载体横轴向右 Z轴垂直于XY平面向下 21 22 。地理坐标系坐标定义取地理球心为原点O X轴沿着地理北方向 Y轴沿着地理东方向 Z轴垂直于XY平面向下 两种坐标系定义都满足右手法则。运动时载体坐标系时刻在发生变化 与地理坐标系不重合。由于电子罗盘与载体是同步运动的 相对于地理坐标系也是在不断变化的。我们把罗盘相对于地理坐标系XYZ三个轴转动的角度定义作为载体的姿态角即 横滚角、俯仰角和航向角。横滚角定义为载体在载体坐标系内以X轴为中心轴转动时载体Y轴与水平面之间的夹角。绕X轴顺时针转动时横滚角为正 反之为负。俯仰角定义为载体在载体坐标系内以Y轴为中心轴转动时载体X轴与水平面之间的夹角。绕Y轴顺时针转动时俯仰角为正 反之为负。而航向角定义为载体在载体坐标系内以Z轴为中心轴转动时载体X轴在水平面上的投影与真北之间的夹角 载体X轴在水平面上的投影与真北重合时 航向角为零 绕Z轴顺时针转动角度时航向角随之增加 变化范围为0 360 杭州电子科技大学硕士学位论文10 航向姿态解算方法为了得到载体的姿态角 需要通过矩阵转换方法将磁敏传感器测量到的值从载体坐标系转换到地理坐标系来表示。下面将使用欧拉角来推导载体坐标系到地理坐标系之间转换关系。一个坐标系到另外一个坐标系的变换 可以通过绕不同坐标系的3次连续转动来实现。如图2 4所示 从地理坐标系O X0Y0Z0到载体坐标系O X3Y3Z3的坐标变换可以表示如下 绕新坐标系的X轴转动ϒ角。文中ϕ、θ和ϒ称为欧拉转动角23 24 姿态旋转变换图当绕地理坐标系的Z轴旋转ϕ角时 地理坐标系从O X0Y0Z0坐标系变成了O X1Y1Z1坐标系 根据方向余弦矩阵推导方法可得在O X1Y1Z1下坐标 X1 Y1 Z1 X0Y0Z0下坐标X0 Y0 Z0 的关系为 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 101010cossin0sincos0001XXYYZZ 同理绕新坐标的Y轴转动θ角后O X2Y2Z2下坐标 X2 Y2 Z2 X1Y1Z1下坐标X1 Y1 Z1 坐标关系为 212121cos0sin010sin0cosXXYYZZ 绕新坐标的Z轴转动ϒ角后OX3Y3Z3下坐标 X3 Y3 Z3 X2Y2Z2下坐标X2 Y2 Z2 坐标关系为 3232321000cossin0sincosXXYYZZ 最终载体坐标系与地理坐标系之间的关系表示为0cossin00cossin0cossinsincos00sincos0sincos001XXYYZZ 因为文中没有添加陀螺仪传感器只使用加速度传感器来求的俯仰角和横滚角 所以航向角大小与加速度计无关 可令航向角ϕ 带入公式可得25 cos0sinsinsincoscossinsincossincoscosbnC 因为本文我们需要求的的是载体坐标系在参考坐标系上的映射关系所以关系式应变为 cossinsinsincos0cossinsincossincoscosnbC

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