高精度电子指南针的设计与实现

第35卷(2007第1期计算机与数字工程157高精度电子指南针的设计与实现+胡修林余凯军杨奇(华中科技大学电信系武汉430074摘要近年来,电子指南针被广泛的运用于导航设备中。本文首先介绍了电子指南针工作的原理和实现方案,然后深入分析了误差中对指南针精度影响较大的倾斜误差,并针对该误差提出了一种合理的解决方案。最后文章对电子指南针系统中的各种误差做了小结,并提出了一种平滑滤波算法来消除误差的影响。实践证明该方案极大地提高了系统的稳定性和精度。关键词磁传感器电子指南针KMZ52倾斜补偿权值平均中图分类号P2121引言近年来,电子指南针被广泛的运用于导航设备中。笔者在实现一款手持设备的导航功能过程中,选用了philip公司的KMZ(kmz52/kmZ51系列芯片作为磁感应器来实现电子指南针功能…。KMz系列芯片采用磁阻来测量微弱的地球磁场。根据水平平面上互相垂直的两个方向上的磁场分量,计算出前进方向和磁北极方向的夹角。目前的应用都没有对误差进行分析。本文详细的分析了系统的误差之后,针对影响较大的倾角误差提出了解决方案。文章还提出了一种平滑滤波的算法来提高指南针的精度和稳定性。方波驱动电路400HZ400HZ鬟因警奁目翟盆圜耄罐因袭皂补偿电路(硬件补偿和软件补偿图1指南针硬件实现框图2指南针硬件实现方案如图l所示,方向决定单元输出400Hz左右的方波信号驱动芯片KMz52产生x,y方向上的微弱脉冲电信号。传感器KMz52产生的电压十分微弱,只有几毫伏。放大电路和积分电路把微弱的脉冲电信号放大并展宽成适合模数芯片采样的电压。硬件补偿电路主要补偿系统温度漂移和双轴传感器的非对称性带来的误差,软件补偿则主要是补偿偏置电压和硬铁效应产生的误差等等。根据采样获得的x和y方向上的电压值,按公式(1可得到磁偏角值仅:arctan兰(1秽y实际运用中常采用曲线拟和的方法,得到一条采样值和磁偏角的对应曲线。拟和函数越高阶,指南针的精度就越高旧』。参考文献[3]对具体的硬件电路已做了详细的描述,本文不再赘述。3倾斜干扰和解决方案3.1倾斜干扰在手持导航设备中,指南针芯片中的x,y轴方向上的传感器所确定的平面很多时候和水平面(与重力方向垂直的方向不能平行。特别是伞兵跳伞和行进过程中,指南针系统的倾斜和翻转会导致倾斜误差的产生。严重的情况下,倾斜误差会导致指南针功能基本失效。误差值取决于指南针倾斜的角度r和地球平面的倾角6。如图2所示,x和y是指南针传感器的两个轴,z轴和指南针传感轴所确定的平面相垂直。为了简化描述,固定指南针的两个传感轴所确定的xy平+收到本文时间:2006年3月7日作者简介:胡修林,华中科技大学电信系教授,博导,主要研究方向:现代通信系统与通信网,多媒体通信,卫星通信。余凯军,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统,现代通信系统与通信网。杨奇,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统。万方数据158胡修林等:高精度电子指南针的设计与实现第35卷面和地球的表面相平行。迸一步简化,在没有倾角f的时候,y轴和南北方向重合,x轴和东西方向重合。在没有倾角r的情况下,磁场He的水平平面上只有y方向的分量,而且正确地指向北方。沿着南北轴的倾角(如以东西方向为旋转轴旋转时,磁场He的水平平面的分量将随着磁场改变,但是仍然指向北方。这时候倾斜误差就为零。如果倾斜是沿着东西方向(如以南北方向为旋转轴旋转时,He的水平平面的分量会偏转占角度。至于介于南北和东西方向的倾角,误差取决于倾角的东西方向的分量。Eg违t—west图2倾斜误差产生胁・sin6・sinT,^、sm“。黜诅n—瓦_丁(zJ式(2中,其中f是倾角东西方向的分量,6是地球平面的倾角。方程表明地球平面的倾角和指南针的倾角共同影响着倾斜误差。当倾角为90度的时候,倾斜误差最大。当地球平面的倾角较小的地方,倾斜误差影响比较小,可在10度以内。但是在地球平面的倾角较大的地方,随着指南针倾角角度的增加,倾斜误差会变得很大。3.2解决方案指南针水平放置的时候,避免倾角误差为零。然而,指南针系统的位置常常不是固定的(如手持通信机中的指南针系统,安装环境的干扰也是无法预先知道的。通过把测量的地球因素参量投影到水平平面中,倾角误差(不包括移动物体的倾角误差可以得到补偿。这种补偿方式要求附加的感应器。如图3所示,增加第三个磁感应器,这样地球磁场的x,y,z三个分量都可以测量出来。倾斜和旋转感应器用来测量指南针的倾角状态。倾斜指的是沿着x或者机头朝向的倾角,而旋转指的是沿着y轴的倾角。通过测量的Hxc,Hyc,Hzc(3D空间中来计算地球磁场的Hxe,Hye(水平平面中方向的分量,这个计算分别在两个3D的系统中。KMz52【双轴磁感应器陡=挈|KMz5・c单轴、磁感应器杠;挈S3c44bO之Lc显示×处理器模块双轴倾角传感器礁图3倾斜误差解决实现方案Xe图4倾斜误差消除原理KMz52水平安装,KMz51垂直安装。这样可以分别测量xyz方向上的磁场分量,双轴倾角传感器通过同步串口(sPI把倾斜和旋转的角度传给嵌入式处理芯片。倾角传感器利用测量重力加速度的分量通过计算将其转换为绝对角度值。如图4,根据下面的公式(3(4就可以计算出水平平面上等效的Hxe和Hye。眠e=纸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的反正切值就是此时前进方向和磁北极的夹角,通过正北校正(磁北极和地理北极不重合后,指南针在倾斜的状态下亦可正确指向正北方。万方数据第35卷(2007第1期计算机与数字工程1594系统误差和平滑滤波4.1系统误差下表1描述了系统的主要误差和解决的方法。系统的精度由输出的偏置电压误差,两个传感器之间的非对称性误差,倾角误差,AD量化误差和其他非线性误差共同决定。另外,系统所处的环境的磁场也会对指南针系统造成极大的影响¨。。这些误差在高精度指南针的运用场合是无法忽略的,常常会导致十度左右的测量误差。因此,对计算获得的角度信息进行平滑滤波是非常重要的。平滑滤波后,指南针的指向非常稳定,误差可以小于一度。采用平滑滤波可保证指南针的误差均方根在高精度系统能容忍的范围内。4.2平滑滤波图5平滑滤波原理图计算得到的角度值依次通过各个缓存。每来一个新的角度值的时候,移出最后一个缓存中的角度值,其他的角度值依次移位。根据每个缓存所对应的权值,按照公式(5计算出一个平均值来。权值的选择可以通过试验固定也可以使用相关的神经网络权值算法,如BP算法等等。笔者的实现采用了改进的学习算法,取得了良好的效果。能够有效的减少干扰的影响,特别是突发干扰的影响。“=iL∑口(i彬(i(5∑加(i”1形[凡+i]:f形(凡+生!掣,(n≠。(6【形(ny(n:o权值可以根据式(6确定,其中y删是先验知道的正确值,,(n是输出单元的输出值,.j}是修正参数,笔者采用的值为O.5。5。结语上述方案运用在一款手持导航设备中,不采用’平滑滤波的时候,指南针的指向抖动十分厉害。不采用倾斜补偿的时候,在手持通信设备不和地球平面平行时,指南针精度非常低,往往只能大概区分东南西北四个方向。采用了相应的解决方法后,指南针的稳定度和精度都大大提高。该电子指南针已应用到手持导航设备中,工作稳定,精度达到系统的要求。表1系统误差误差源误差校正方法采样电压偏置电压误差磁传感器非对称性硬铁效应(外加磁场HixHiy倾角误差rn…tan措d—arctan…+等]tand月bUsind+饿yQ叫Ⅲ舳瓦百磊蕊arctan(tan占sinf通过翻转结合反馈和数学矫正可消除通过电磁反馈使用r漂移补偿方法通过双向校正的方法[3]可以消除如本文方案参考文献[2]KMZ52ma印eticFieldSensorDataSheet.2000[1]Philips.ElectroniccompassDesignusingKMz51and[3]胡修林杨奇用磁场传感器KMZ52设计的电子指南针KMZ52AN2002.2000[J].国外电子元器件2004.8万方数据高精度电子指南针的设计与实现作者:胡修林,余凯军,杨奇作者单位:华中科技大学电信系,武汉,430074刊名:计算机与数字工程英文刊名:COMPUTERANDDIGITALENGINEERING年,卷(期:2007,35(1引用次数:0次参考文献(3条1.PhilipsElectronicCompassDesignusingKMZ51andKMZ52AN200220002.KMZ52magneticFieldSensorDataSheet20003.胡修林.杨奇用磁场传感器KMZ52设计的电子指南针[期刊论文]-国外电子元器件2004(08相似文献(2条1.期刊论文封维忠.杨丽.何君君基于磁传感器MMC212的电子指南针-物理实验2010,30(3设计了基于各相异性磁阻传感器芯片MMC212xMG的高精度电子指南针.由于该芯片是带有片上信号处理并集成了I2C总线的完整的传感系统,允许设备直接与微处理器相连而不需要A/D转换器或定时器,所以用该电路制作的电子指南针具有外围电路简单、功耗低、体积小的特点.2.学位论文汤玉林基于MCU的GMR电子指南针的研制2004磁指南针是一个重要的导航工具,它被广泛应用在多种场合。伴随着磁传感器的发展研究,以电子指南针将代替旧的磁针式磁指南针也是一个不断探索的课题。电子指南针可以方便地和其他电子系统接口,符合当今数字化时代的要求。甚至在GPS(全球定位系统中也可以用到。在本文中,用磁阻材料作为磁方向传感器建立了一个电子指南针的原理样机。论文在分析GMR的相关知识、地球磁场的基础上,对磁阻材料作磁方向传感器芯片提出了设计要求,以克服矫顽力的影响。完成了电子指南针硬件构成的设计及软件编程。该电子指南针系统使用MCU作为控制单元的核心。前端电路主要对微弱的地磁场信号进行滤波和放大处理。并由A/D部分将传感器电路的模拟信号进行模数转换以便为MCU进行数字式的数据处理。用加速度计对指南针进行水平状态校正。配备了独立的显示单元和数字接口实现直接显示方向,并可以将数据传送到其它的电子系统。MCU编程采用了KeilC51,而用PC机模拟外设时串口编程采用的是VisualC++。在本论文的工作