2019年04月29日

电子罗盘是一种重要的导航工具,能实时提供移动物体的航向和姿态。由于电子罗盘可以测量出较为精确的航向角,也就是偏航角,所以电子罗盘在机器人、无人机等的姿态测量、解算等方面有着较大的应用。

要实现电子罗盘功能,需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。如此搭配上适合的互补融合算法,我们就可以在短时间内设计出成本低、性能高的电子罗盘。


ST电子罗盘方案介绍

一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据,一个三轴加速计以测量罗盘倾角,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角,通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响。


铁磁场干扰及校准

电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯,而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场,一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场,这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。


磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在,使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。如图11所示,在磁传感器的XYZ 坐标系中,绿色的圆表示地球磁场矢量绕z轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹,再没有外界任何磁场干扰的情况下,此轨迹将会是一个标准的以O(0,0)为中心的圆。当存在外界磁场干扰的情况时,测量得到的磁场强度矢量α将为该点地球磁场β与干扰磁场γ的矢量和。


一般可以认为,干扰磁场γ在该点可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁场的干扰,如摆放在电路板上的马达和喇叭,还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩,螺丝,电阻, LCD背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场。为了校准这些来自电路板的磁场干扰,主要的工作就是通过计算将γ求出。


平面校准方法

针对XY轴的校准,将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转,等价于将地球磁场矢量绕着过点O(γx,γy)垂直于XY平面的法线旋转,而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。这可以找到圆心的位置为((Xmax + Xmin)/2,  (Ymax + Ymin)/2)。同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆,这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx, γy, γz)。


立体8字校准方法

一般情况下,当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上,这一点同两维平面内投影得到的圆类似。这种情况下,可以通过足够的样本点求出圆心O(γx, γy, γz), 即固定磁场干扰矢量的大小及方向。公式:(x-γx)^2+(y-γy)^2+(z-γz)=R^2

8字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动,原则上尽量多的让设备法线方向指向空间的所有8个象限。

同样,通过10面校准方法,也可以达到校准的目的。


倾斜补偿及航偏角计算

经过校准后电子罗盘在水平面上已经可以正常使用了。但是更多的时候罗盘并不是保持水平的,通常它和水平面都有一个夹角。这个夹角会影响航向角的精度,需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。

对于一个物体在空中的姿态。 Pitch(Φ)定义为x轴和水平面的夹角,Roll(θ)定义为y轴和水平面的夹角。由Pitch角和Roll角能引起的航向角的误差。   

通过3轴加速度传感器检测出三个轴上重力加速度Ax,Ay,Az的分量,再通过式1可以计算出Pitch和Roll。

式1  计算Pitch和Roll

式2可以将磁力计测得的三轴数据(Hx ,Hy ,Hz)通过Pitch和Roll转化为式1中计算航向角需要的HY和HZ。之后再利用式3计算出航向角。

式2 计算HZ和HZ

 

式3 计算航向角


新闻中心


依据电子罗盘原理,可实现的误差校准方法

惯性导航系统,实现飞机自主式导航

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