畢業(yè)設(shè)計(jì)譯文中文.doc

AMR 電子羅盤的設(shè)計(jì)及其誤差補(bǔ)償摘要;該文介紹了磁阻式電子羅盤的工作原理,設(shè)計(jì)了一種利用磁阻傳感器和加速度計(jì)測(cè)定航向角、俯仰角、側(cè)滾角的電子羅盤測(cè)量系統(tǒng)。在分析電子羅盤誤差形成的基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用這些補(bǔ)償方法,可有效的減低由制造和安裝等所引起的誤差。同時(shí),這種補(bǔ)償方法也適用于其它3 軸傳感器系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:導(dǎo)航系統(tǒng)， 磁阻傳感器，誤差補(bǔ)償1 引言目前,導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車、航海、航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。電子羅盤是導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分,主要分為磁通門和磁阻式。磁通門傳感器是由一套環(huán)繞磁芯的線圈組成,該磁芯配有勵(lì)磁電路,能夠提供低成本的磁場(chǎng)探測(cè)方法,但它們體積偏大、易碎、響應(yīng)時(shí)間慢。而使用磁阻傳感器的電子羅盤克服了磁通門羅盤的不足,具有體積小、重量輕、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),是未來電子羅盤的發(fā)展方向。因此,本文所設(shè)計(jì)的電子羅盤采用3軸磁阻傳感器進(jìn)行地球磁場(chǎng)矢量測(cè)量,利用2 軸加速度計(jì)測(cè)量載體的重力加速度,通過補(bǔ)償算法校準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差,得到載體的航向角。2電子羅盤的基本原理地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 5 10 - 4 - 0. 6 10 - 4T ,無論何地,磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北,這是所有電子羅盤的制作基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位,通過以下3 個(gè)姿態(tài)參數(shù):航向角() ,俯仰角() ,橫滾角(）。將磁阻傳感器的3個(gè)敏感軸沿載體的3個(gè)坐標(biāo)軸安裝,分別測(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度H 在載體坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)上的投影分量(HX ,HY ,HZ)。在地平坐標(biāo)系中,磁阻傳感器的3軸輸出為(HR - X ,HR - Y ,HR - Z）。式（1）如下2 軸加速計(jì)測(cè)得的重力加速度為GX ,GY ,已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎禐間 ,可得: = arcsin (GY/ g) (2) = arcsin (GX/ g) (3) = arctan (HR - X/ HR - Y) (4)3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電子羅盤的設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示,可分為3 大模塊:傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和MCU 模塊。系統(tǒng)首先利用加速度計(jì)敏感地球重力場(chǎng)中測(cè)量載體的姿態(tài),然后通過姿態(tài)坐標(biāo)變換將磁阻傳感器沿載體坐標(biāo)的測(cè)量信號(hào)變換到地平坐標(biāo)系。在微處理器中進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)計(jì)算、坐標(biāo)變換,系統(tǒng)誤差補(bǔ)償,得到載體的姿態(tài)參數(shù),將它們通過串口在上位機(jī)實(shí)時(shí)輸出。由于磁阻傳感器的輸出均為mV 級(jí)的電壓信號(hào),所以必須經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后,才可以送到A/ D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖1 電子羅盤結(jié)構(gòu)框圖3.2系統(tǒng)選型3.2.1傳感器模塊本系統(tǒng)所用的磁阻傳感器是HMC1001/ 1002 單軸/雙軸磁阻傳感器,將它們組合成3軸磁阻傳感器,可測(cè)量X,Y,Z 軸的磁場(chǎng)分量。其磁場(chǎng)測(cè)量范圍是2 105nT ,分辨率可達(dá)2. 7nT。傳感器的芯片上有兩個(gè)磁耦合的電流帶:偏置電流帶和置位電流帶,省去了外加線圈的需要。加速計(jì)采用了可提供模擬電壓輸出的小量程、小尺寸、低功耗的2 軸加速度計(jì)ADXL202 ,測(cè)量范圍是2g。因?yàn)閭鞲衅鞅旧碜詭Я诵盘?hào)調(diào)理電路,所以不需要外加電路,可以直接接入A/ D 轉(zhuǎn)換器。3.2.2數(shù)據(jù)采集模塊在傳感器測(cè)量范圍內(nèi),磁阻傳感器輸出的是與磁場(chǎng)成正比的差分電壓信號(hào),在5V 供電的情況下產(chǎn)生30mV 的偏置電壓,因此可通過信號(hào)調(diào)理電路把雙極性的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào),同時(shí)通過模擬低通濾波,消除高頻噪聲,最終得到05V 的電壓范圍。AD7714 是一款高分辨率、低噪聲的24 位- A/ D 轉(zhuǎn)換器,支持6 路單端信號(hào)輸入滿足5 路信號(hào)的采集要求。3.2.3 MCU 模塊作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分,微處理器負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,通過姿態(tài)矩陣誤差補(bǔ)償,可以得到載體的姿態(tài)參數(shù)。但其計(jì)算量較大,普通的單片機(jī)不能滿足使用要求,本系統(tǒng)最終選用高速DSP 芯片作為微處理器。TMS320VC5402 是一款性價(jià)比極高的16bit 定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,最高工作頻率可達(dá)100MHz ,提供了兩個(gè)高速、雙向、多通道帶緩沖的串行接口。置位/ 復(fù)位電路是用于消除高強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)磁阻傳感器的影響,使其恢復(fù)到測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度狀態(tài)。置位/ 復(fù)位信號(hào)是在微處理器的控制下產(chǎn)生,置位脈沖和復(fù)位脈沖對(duì)傳感器所起的作用基本一樣,唯一的區(qū)別是傳感器的極性改變。4系統(tǒng)誤差分析及其補(bǔ)償方法電子羅盤是通過地球磁場(chǎng)來確定載體航向角,因而不希望有其它磁場(chǎng)疊加到地磁場(chǎng)上,影響磁場(chǎng)的大小和方向,造成航向角誤差。由于磁阻傳感器本身的構(gòu)造和環(huán)境因素的影響,誤差是不可避免的。主要誤差可分為:制造誤差、安裝誤差和環(huán)境誤差。環(huán)境誤差是由磁阻傳感器周圍的鐵磁材料影響而引起的磁羅差可以通過參考文獻(xiàn)3、4中提出的方法進(jìn)行校正補(bǔ)償。本文主要研究制造誤差和安裝誤差的補(bǔ)償方法,假定載體是安裝在無鐵磁材料的環(huán)境中。4.1制造誤差補(bǔ)償制造誤差與多種因素有關(guān),主要表現(xiàn)為這3 方面:一是由于PCB 生產(chǎn)工藝以及芯片的安裝,并不能保證傳感器的3 軸完全的正交而引起的誤差,稱為正交誤差;二是由于傳感器的靈敏度和放大倍數(shù)的乘積不相等,而引起的誤差,稱為靈敏度誤差;三是由于傳感器、模擬電路和A/ D 轉(zhuǎn)換的零點(diǎn)不為零,所引起的誤差稱為零位誤差。針對(duì)以上的誤差,可以利用標(biāo)量場(chǎng)補(bǔ)償方法5進(jìn)行誤差補(bǔ)償。假設(shè)載體是工作在均勻的磁場(chǎng)內(nèi),由于制造誤差的存在,磁阻傳感器的3個(gè)敏感軸不正交,如圖2 所示,偏移角分別為X ,Y ,Y，H。是經(jīng)過補(bǔ)償后的磁場(chǎng)3軸矢量,K是磁阻傳感器的靈敏度對(duì)角矩陣,U是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出電壓列矢量,O是磁阻傳感器的偏移量列矢量,B是3軸正交化矩陣。 H2X + H2Y + H2Z = H2 (5) 4.2安裝誤差補(bǔ)償經(jīng)過制造誤差補(bǔ)償后,假設(shè)磁阻傳感器的3 軸是完全正交,但它們?cè)诎惭b時(shí),與載體上的X,Y,Z 軸不平行,由此而產(chǎn)生的誤差稱為安裝誤差。其實(shí)也就是相當(dāng)于依次繞X,Y,Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)了3 個(gè)角度,如圖3 所示,A 為磁阻坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣。 圖2 三軸不正交的偏移角圖3 三軸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 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)在載體平臺(tái)水平的狀態(tài)下進(jìn)行,經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)環(huán)境誤差補(bǔ)償后,可認(rèn)為系統(tǒng)是在無磁的平臺(tái)上工作,使電子羅盤均勻旋轉(zhuǎn)一周,對(duì)0360每10為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正,如圖4 所示,實(shí)線是未經(jīng)過誤差補(bǔ)償?shù)暮较蛘`差,達(dá)到9,而虛線是經(jīng)過誤差補(bǔ)償后的航向誤差基本可以控制在0. 6之內(nèi),局部誤差為1.3。不過,因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是在電子羅盤的俯仰角和橫滾角為零的條件下進(jìn)行的,所以當(dāng)俯仰角和橫滾角較大時(shí),補(bǔ)償效果將會(huì)受到一定的影響。本文針對(duì)磁阻傳感器的誤差提出的兩種補(bǔ)償方法,可以用在其它3 軸傳感器系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。圖4 誤差補(bǔ)償前后對(duì)比圖參考文獻(xiàn)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 ,俞濟(jì)祥 ,陳哲.導(dǎo)航系統(tǒng)M .北京:航空工業(yè)出版社 ,1993 :2 - 12.3楊新勇 ,黃國(guó)圣.磁航向系統(tǒng)誤差修正方法研究J .儀器儀表學(xué)報(bào) ,2004 ,25 (4) :466 - 470.4王璐 ,趙忠. 磁羅盤誤差分析及補(bǔ)償J.傳感技