三轴磁盘测量方法的研究

三轴磁盘测量方法的研究

0磁盘法探测磁法目前，该系统在汽车、航运、航空等领域得到了广泛的应用。磁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。虽然磁通门传感器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磁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,是未来磁罗盘的发展方向。因此,本文提出了一种利用磁阻传感器和加速度计测定航向角、俯仰角、侧滚角的磁罗盘测量系统,在分析磁罗盘误差来源的基础上,主要针对磁阻传感器的制造误差和安装误差,提出了一种简单而快速的校正方法,能有效地提高磁罗盘航向角的测量精度。1场矢量测量地球的磁场强度为0.5～0.6gauss,无论何地,磁场的水平分量永远指向磁北,这是所有磁罗盘的制作基础。传统的导航定位,通过3个角度——航向角(α)、俯仰角(γ)和横滚角(β)——定义了姿态参数,实际上就是载体坐标系和地理坐标系之间的方位关系。本文采用的磁罗盘采用三轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量,设地磁场在载体坐标系3个坐标上的投影分量(HX、HY、HZ),在地平坐标系中,磁阻传感器的三轴输出为(HR-X、HR-Y、HR-Z)。令:Rroll=[1000cosγsinγ0-sinγcosγ]Rpitch=[cosβ0-sinβ010sinβ0cosβ](1)Rroll=⎡⎣⎢1000cosγ−sinγ0sinγcosγ⎤⎦⎥Rpitch=⎡⎣⎢cosβ0sinβ010−sinβ0cosβ⎤⎦⎥(1)可得:[ΗR-XΗR-YΗR-Ζ]Τ=R-1pitchR-1roll[ΗXΗYΗΖ]Τ(2)[HR−XHR−YHR−Z]T=R−1pitchR−1roll[HXHYHZ]T(2)设三轴加速计测得的重力加速度为(GX、GY、GZ),可得:γ=arctan(-GYGΖ)β=arctan(GX√G2Y+G2Ζ)α=arctan(ΗR-XΗR-Y)(3)γ=arctan(−GYGZ)β=arctan(GXG2Y+G2Z√)α=arctan(HR−XHR−Y)(3)2系统设计2.1a/d转换电路磁罗盘的框图如图1所示,可分为传感器模块、数据采集模块和MCU模块3大模块。系统首先采集三轴加速度计和三轴磁阻传感器的信号,由于磁阻传感器的输出均为mV级的电压信号,所以必须经过信号调理后,才可以送到A/D转换器进行模数转换。转换后的数字信号送入微处理器,进行实时的姿态矩阵计算,同时进行系统误差校正,最终得到稳定的姿态参数,将它们通过串口在上位机实时输出。2.2系统选择别测量空间本系统所用的磁阻传感器是HMC1001/1002单轴/双轴磁阻传感器,组合成三轴磁阻传感器,分别测量空间3个正交方向(HX、HY、HZ),磁场测量范围是±2gauss。传感器的芯片上有偏置电流带和置位电流带两个磁耦合的电流带,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、低功耗的三轴加速度计ADXL330,测量范围是±2g,可直接接入A/D转换器。a/d转换芯片在传感器测量范围内,磁阻传感器输出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0～5V的电压范围。A/D转换芯片的选择是整个系统设计的关键。ADS1256是一款高分辨率、低噪声的24位∑-ΔA/D转换器,支持8路单端信号输入,满足6路信号采集要求。位置/数据安全本系统选用S3C44B0芯片作为微处理器,用于控制置位/复位电路、A/D转换、系统误差校正以及数据传输。磁罗盘的姿态参数可以通过RS-232向上位机输出。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。3磁阻传感器自身环境误差引起的磁罗差误差,存在双向误差磁罗盘通过地球磁场来确定载体航向角,在实际应用中,不希望有其它磁场叠加到地磁场上,从而影响磁场的大小和方向,并造成航向角误差。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4和文献5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校正方法,载体是安装在无磁三轴转台上进行实验的。3.1误差校正方法制造误差与多种因素有关,主要表现为:①由于PCB生产工艺以及芯片的安装,并不能保证传感器的三轴完全正交而引起的误差,称为正交误差;②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;③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。在理想的情况下,磁阻传感器的3个敏感轴是完全正交的,没有制造误差存在的情况下,在均匀场中,它们的测量值分别为HX、HY、HZ,其关系如下:Η2X+Η2Y+Η2Ζ=Η2(4)H2X+H2Y+H2Z=H2(4)在实际的应用中,由于灵敏度误差和零位误差的存在,则有式(6)成立。K(KX、KY、KZ)是3轴磁阻传感器的比例因子;U(UX、UY、UZ)是三轴磁阻传感器经过A/D后的输出电压列矢量;O(OX、OY、OZ)是三轴磁阻传感器偏移量的列矢量,即:(ΚX×UX-ΟX)2+(ΚY×UY-ΟY)2+(ΚΖ×UΖ-ΟΖ)2=Η2(5)由于需要三轴磁阻传感器完全正交,但目前的制造工艺并不能保证这一条件的成立。因此,必须对三轴的非正交误差进行校正,三轴磁阻传感器非正交的空间模型,如图2所示。3个敏感轴分别为X′、Y′、Z′。通过空间矢量转换,在式(6)中,经过校正后的磁场三轴矢量分别为HX、HY、HZ。[ΗXΗYΗΖ]Τ=[ΚX⋅UX-ΟXΚY⋅UY-ΟYΚΖ⋅UΖ-ΟΖ]Τ×[cosθX0sinθXcosθYcosϕYsinθYcosθYsinθY001]-1(6)因此,要得到经过误差校正的HX、HY、HZ,实际上就是计算出KX、KY、KZ、OX、OY、OZ、θX、θY、ϕY这9个未知量。结合式(4),则可得:{fk(X)=0k=0‚1‚⋯‚n-1n=9X=(ΚX‚ΚY‚ΚΖ‚ΟX‚ΟY‚ΟΖ‚θX‚θY‚θΖ)Τfk(X)=Η2X+Η2Y+Η2Ζ-Η2(7)式(7)为非线性方程组,可以采用特定的算法进行求解。在本实验中,采用了拟Newton迭代法对此方程组进行求解。采用HMC1001和HMC1002组合为三轴磁阻传感器并进行实验。将该模块绕X轴旋转,每10°为一个测量点,在测得的数据中任意挑选9组进行求解。当三轴磁阻传感器的制造误差得到较好的校正后,磁罗盘在均匀场中所测得的|H|值基本是恒定的。3.2基于a-1的磁阻传感器误差校正方法经上述误差校正后,可认定磁阻传感器的三轴是完全正交,但它们在安装时,由于与载体上的X、Y、Z轴不平行,而产生的误差称为安装误差。如图3所示,其实也就是相当于依次绕X、Y、Z轴转动了3个角度θ、ϕ、φ,A为磁阻坐标系到载体坐标系的姿态变换矩阵。A=[cosθcosϕsinθcosφ+cosθsinϕsinφsinθsinφ-cosθsinϕsinφ-sinθcosϕcosθcosφ-sinθsinϕsinφcosθsinφ+sinθsinϕsinφsinθ-cosϕsinφcosϕsinφ](8)经过A-1的误差补偿,这时HR-X、HR-Y和HR-Z变为HC-X、HC-Y和HC-Z,由式(1)、式(2)和式(6),可得:[ΗC-XΗC-YΗC-Ζ]Τ=A-1[ΗR-XΗR-YΗR-Ζ]Τ(9)θ、ϕ、φ的求解是进行安装误差校正的关键,具体可分为两步:第一步,首先载体绕X轴旋转,为了降低磁阻传感器交叉影响,航向角必须设置在东西方向上。在旋转的过程中,HX理论上是恒定不变的。但在实际的试验中,由于ϕ、φ的存在,HX的值是呈正弦波形式,可用拟Newton迭代法求出ϕ、φ。第二步,将载体水平放置,绕Z轴旋转,求出最佳的θ角,使HZ的值在旋转的过程中保持恒定。将求得的θ、ϕ、φ代入式10,经过误差补偿后,这时三轴磁场矢量分别为HC-X、HC-Y和HC-Z,则校正后的航向角为:α=arctan(ΗC-XΗC-Y)(10)3.3误差校正方法为验证上述算法的准确性,对系统进行测试。将载体水平固定在无磁平台上,使磁罗盘均匀旋转一周。在0°～360°之间,每10°为一个测量点测得数据并进行误差校正。如图4所示,航向误差与航向角之间基本满足正弦关系,实线是未经过误差校正的磁罗盘航向误差,达到±9°,而虚线是经过误差校正后的航