磁阻傳感器磁盤標(biāo)定的研究

磁阻傳感器磁盤標(biāo)定的研究

磁阻傳感器是最重要的低精度磁卡檢測(cè)材料，是影響磁卡接收精度的重要因素。由于磁阻傳感器本身制造特性的差異和生產(chǎn)裝配誤差,使得磁羅盤的三軸零位、標(biāo)度因數(shù)各不相同,也帶來(lái)了安裝誤差,給磁羅盤的航向精度帶來(lái)了不必要的損失。而通常借助磁場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定,主要見(jiàn)于磁阻傳感器廠家采用線圈對(duì)磁阻的標(biāo)定,磁羅盤生產(chǎn)后系統(tǒng)級(jí)的標(biāo)定很少見(jiàn)到。本文提出了一種十二位置不對(duì)北的磁羅盤標(biāo)定方法,完全依靠天向磁場(chǎng),推導(dǎo)了三軸磁場(chǎng)的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差的公式。在磁羅盤的實(shí)際使用場(chǎng)合,硬鐵和軟鐵效應(yīng)是影響航向精度的另一個(gè)重要因素。霍尼韋爾公司考慮了水平面內(nèi)的軟鐵和硬鐵效應(yīng),水平轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)零位和標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,而天向磁場(chǎng)的軟硬鐵效應(yīng)則未考慮。黃圣國(guó)采用基于最佳橢圓擬合的誤差補(bǔ)償算法,消除了部分軟硬鐵的影響,補(bǔ)償效果有限,且對(duì)于天向的軟硬鐵效應(yīng)無(wú)法補(bǔ)償。劉詩(shī)斌采用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái),給定準(zhǔn)確的方向,根據(jù)已知的磁傾角和地磁場(chǎng)水平分量,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定誤差系數(shù),這種方法在姿態(tài)給定精度高時(shí),補(bǔ)償準(zhǔn)確度高,存在的問(wèn)題是需要高精度轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備,操作復(fù)雜。文獻(xiàn)提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和Unscented卡爾曼濾波的方法,對(duì)磁羅盤進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定。文獻(xiàn)提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述磁場(chǎng)干擾情況下計(jì)算航向角與真正航向角的非線性關(guān)系,然而這取決與訓(xùn)練樣本的質(zhì)量和完備性,且實(shí)際補(bǔ)償運(yùn)算量大。硬鐵和軟鐵的影響等價(jià)于改變了磁羅盤三軸磁阻傳感器的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差,對(duì)于一些有條件進(jìn)行天向翻滾的應(yīng)用場(chǎng)合,例如磁羅盤手持應(yīng)用,十二位置不對(duì)比標(biāo)定方法能較好地解決軟硬鐵補(bǔ)償問(wèn)題。1磁盤生產(chǎn)過(guò)程中裝配誤差造成的羅差的原因磁盤羅網(wǎng)磁阻傳感器雖然由生產(chǎn)廠家采用線圈進(jìn)行標(biāo)定過(guò),并且在硬件電路上進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,但在實(shí)際應(yīng)用中,除了磁阻傳感器本身特性的差異,磁羅盤生產(chǎn)過(guò)程中的裝配誤差導(dǎo)致了磁羅盤三軸的零位、標(biāo)度因數(shù)有較明顯差異,還有較大的安裝誤差。因此有必要在磁羅盤生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單有效的方法,除去上述因素產(chǎn)生的羅差。由于磁羅盤本身的低成本特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種十二位置不對(duì)北的標(biāo)定方法,不需要精確的磁北向基準(zhǔn),不需要雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái),僅依靠一個(gè)鋁制六面體,實(shí)現(xiàn)了裝配后磁羅盤三軸零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差的標(biāo)定。1.1軸磁阻傳感器誤差模型oxbybzb為磁羅盤的安裝基準(zhǔn)(鋁制六面體)坐標(biāo)系,oxmymzm為磁阻傳感器坐標(biāo)系。標(biāo)度因數(shù)為kx、ky、kz,零位為bx、by、bz,磁阻傳感器組件相對(duì)于安裝基準(zhǔn)的安裝誤差角分別為eyx、ezx、exy、ezy、exz、eyz,如果對(duì)于給定輸入磁場(chǎng)Mx、My、Mz,三軸磁阻傳感器的感應(yīng)電勢(shì)為Vx、Vy、Vz,則三軸磁阻傳感器誤差模型如式(1)所示:1.2天向磁場(chǎng)標(biāo)定標(biāo)定時(shí)為盡量避免環(huán)境的硬鐵和軟鐵效應(yīng)的影響,將磁羅盤固定在鋁制六面體上,并選一處磁場(chǎng)干凈的平面進(jìn)行十二位置翻滾實(shí)驗(yàn),不要求水平(可有小的傾斜角),并選一北向基準(zhǔn)作為翻轉(zhuǎn)時(shí)的參考方向,無(wú)須真正磁北向。假設(shè)地磁場(chǎng)在東北天方向(與真正的東北天坐標(biāo)系有小的誤差角)的磁場(chǎng)分別為Me、Mn、Mu,十二位置實(shí)驗(yàn)的翻滾次序見(jiàn)表1。北緯40°附近磁傾角約為57°,因此天向磁場(chǎng)分量最大,因而本標(biāo)定方法均只根據(jù)各個(gè)位置下的天向磁場(chǎng)來(lái)得到三軸磁阻傳感器的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差等參數(shù)。其他低緯度地區(qū)可以根據(jù)北向磁場(chǎng)分量相對(duì)大小而選擇北向磁場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定,其中1、2、3、4位置的標(biāo)定可得到zx、kx、exy、exz,推導(dǎo)如下。由1、2、3、4位置下得到mx軸向的磁阻傳感器測(cè)量的磁場(chǎng):由(2)+(3)+(4)+(5)可得:由(2)+(3)-(4)-(5)可得:由1、2、3、4位置下得到y(tǒng)m軸向的磁阻傳感器測(cè)量的磁場(chǎng):由(8)+(9)-(10)-(11)可得:同理,由1、2、3、4位置下得到zm軸向的磁阻傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)可得:同理,根據(jù)5、6、7、8位置的標(biāo)定可得到zy、ky、eyx、eyz,根據(jù)9、10、11、12位置的標(biāo)定可得到zz、kz、ezx、ezy:假設(shè)Mu為某一常數(shù),根據(jù)式(6)(7)(12)~(21),可得到磁羅盤三軸磁阻傳感器的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差。2硬鐵相關(guān)磁場(chǎng)的模擬磁羅盤在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,需要考慮硬鐵和軟鐵效應(yīng)帶來(lái)的誤差(稱為羅差)。硬鐵是相對(duì)于磁羅盤三軸帶來(lái)了固定的磁場(chǎng),并且不隨磁羅盤方位的改變而變化。軟鐵產(chǎn)生的與硬鐵相關(guān)的磁場(chǎng)可歸結(jié)到硬鐵中去,產(chǎn)生的與地磁場(chǎng)相關(guān)的磁場(chǎng)與三軸地磁場(chǎng)成比例,且隨著磁羅盤方位變化時(shí)在磁羅盤三軸的分量也隨之變化。Poisson已給出了羅差的數(shù)學(xué)模型,而制造因素引起的誤差從數(shù)學(xué)上看與羅差作用相同,可描述成一個(gè)由12系數(shù)確定的矩陣方程,即可等效于由三軸磁阻傳感器的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差等12個(gè)參數(shù)組成。因此,對(duì)于一些應(yīng)用場(chǎng)合里有條件進(jìn)行天向翻滾的磁羅盤,采用十二位置不對(duì)北標(biāo)定方法同樣能較好地解決軟硬鐵補(bǔ)償問(wèn)題。3試驗(yàn)和效果3.1整體安裝磁盤為了對(duì)磁羅盤人為增加軟鐵和硬鐵效應(yīng),將一鐵棒固定在磁羅盤外殼上(磁阻傳感器上方),并保持相對(duì)位置不變,再將磁羅盤和鐵棒整體安裝在鋁制六面體上。進(jìn)行上述的十二位置不對(duì)北標(biāo)定后,得到的十二參數(shù)如表2所示。3.2維磁場(chǎng)補(bǔ)償將增加了軟硬鐵效應(yīng)的磁羅盤分別以X、Y、Z軸朝上,在平面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)一周,補(bǔ)償前磁場(chǎng)的二維平面曲線應(yīng)該分別為三個(gè)橢圓,而軟硬鐵補(bǔ)償后理想的效果應(yīng)該是轉(zhuǎn)換成了三個(gè)圓(圓心坐標(biāo)為零,且半徑均相同)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,補(bǔ)償后的三個(gè)圓基本重合,表明此模型可對(duì)三軸軟硬鐵效應(yīng)進(jìn)行很好的補(bǔ)償。3.3橫向補(bǔ)償前后浮標(biāo)活動(dòng)面為10個(gè)點(diǎn),積分法解決模型中橫向角誤差將增加了軟硬鐵效應(yīng)的磁羅盤通過(guò)較長(zhǎng)的鋁桿安裝于雙軸手動(dòng)位置轉(zhuǎn)臺(tái)上方,針對(duì)傾斜角取0°、26°和51°,轉(zhuǎn)動(dòng)一周,隔30°取點(diǎn),共取12個(gè)點(diǎn)。比較補(bǔ)償前后的航向角誤差(表3),水平時(shí)補(bǔ)償后航向角最大誤差可達(dá)到0.8°,均方差為0.2°;26°傾角時(shí)航向角最大誤差為1.0°,均方差為0.4°;51°傾角時(shí)航向角最大誤差為1.4°,均方差為0.8°。這表明三軸軟硬鐵效應(yīng)被較好地補(bǔ)償了,而鋁制六面體的加工精度和磁羅盤的姿態(tài)測(cè)量精度影響了大傾角下的航向角精度。4硬鐵效應(yīng)誤差的標(biāo)定本文針對(duì)磁羅盤生產(chǎn)裝配過(guò)程中存在的零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差等參數(shù),設(shè)計(jì)了一種十二位置不對(duì)北的標(biāo)定方法,根據(jù)天向磁場(chǎng),推導(dǎo)了零位、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差的計(jì)算公式,并針對(duì)實(shí)際使用中軟硬鐵效應(yīng)可等效于磁阻傳感器的零位、標(biāo)度因數(shù)