專利名稱：基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量方法及正交補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于巨磁阻傳感器和三軸加速度傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)， 及地磁方位角的全方位測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法，特別涉及一種基于微處理器針對(duì)巨磁阻傳感器三個(gè)軸正交及零位補(bǔ)償方法。屬數(shù)字信號(hào)處理及智能傳感器技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人類不斷發(fā)展，現(xiàn)代航空、航天、航海、地質(zhì)勘探、海洋勘測(cè)等領(lǐng)域中，定向技術(shù)必不可少，方位角的測(cè)量技術(shù)越來越重要?，F(xiàn)階段常見的方位角測(cè)量方法有陀螺儀、無線電航向儀、GPS和磁航向傳感器。陀螺儀準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，但是成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累，且需要進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜、細(xì)致的初始對(duì)準(zhǔn)工作。無線電航向儀設(shè)備簡(jiǎn)單，但是容易受到電磁波的干擾。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS精度高，可實(shí)現(xiàn)全天候定位，但存在城市大峽谷效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致GPS定位失效。磁航向儀是基于磁傳感器利用地磁場(chǎng)來測(cè)量航向的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)易處理、成本低，可直接測(cè)得載體與的磁場(chǎng)的夾角。通常，用于磁航向儀的地磁傳感器需要有高靈敏度、高分辨率、低功耗等特點(diǎn)。目前常用的地磁傳感器可歸為以下幾種
1)、磁通門式羅盤，如專利200610101789. 5 CN1971309是一種“地磁傳感器及其方位角計(jì)算方法”。磁通門式羅盤中，磁通門傳感器多采用雙軸測(cè)量方式，其內(nèi)部使用測(cè)傾儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度有限，動(dòng)態(tài)性能較差，不適合快速運(yùn)動(dòng)物體。2)、磁阻式羅盤，運(yùn)用磁阻傳感器為測(cè)量元件，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，尺寸小動(dòng)態(tài)性能好，但是常用的磁阻元件磁電阻效應(yīng)只有1 3%，分辨率不夠高，在地磁測(cè)量中表現(xiàn)出測(cè)量精度有限，無法實(shí)現(xiàn)高精度的地磁測(cè)量。上述地磁傳感器中，地磁敏感元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分辨率低、動(dòng)態(tài)性能差，如果在地磁檢測(cè)中設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)橫滾角和俯仰角的測(cè)量也存在誤差，將會(huì)給方位角的測(cè)定帶來很大誤差，降低設(shè)備精度。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)及方法，地磁測(cè)量模塊具有體積小，成本低，精度高等特點(diǎn)。同時(shí)，采用三軸加速度傳感器作為系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量模塊，克服了二軸加速度傳感器作為姿態(tài)測(cè)量模塊時(shí)，橫滾角和俯仰角的非單值問題，從而大大提高了地磁方位角測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)的缺陷，提出一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量方法及正交補(bǔ)償方法。在利用巨磁阻傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)更精確和更可靠的基礎(chǔ)上， 結(jié)合三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)方位角的唯一性，并對(duì)三軸巨磁阻輸出非正交和零位偏差進(jìn)行補(bǔ)償。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，由于加速度傳感器的輸出與俯仰角、橫滾角之間均為Sin的正弦關(guān)系，在雙軸加速度傳感器作為姿態(tài)測(cè)量模塊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)俯仰角、橫滾角非單值的情況。同時(shí)由于地磁測(cè)量數(shù)據(jù)、俯仰角及橫滾角和地磁方位角之間為 tan的正切關(guān)系，在計(jì)算中顯然會(huì)存在地磁方位角的非單值問題，降低了地磁方位角測(cè)量的精確度。巨磁阻傳感器在進(jìn)行地磁測(cè)量時(shí)，利用三個(gè)軸向的巨磁阻傳感器同時(shí)進(jìn)行地磁檢測(cè)。在設(shè)計(jì)中三個(gè)軸向上高精度的巨磁阻傳感器通常很難避免非正交現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致非正交誤差。同時(shí)，由于三個(gè)軸向上的巨磁阻傳感器存在不同的零位偏差，這些現(xiàn)象將大大降低巨磁阻傳感器的地磁測(cè)量精度。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方法
一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角全方位測(cè)量系統(tǒng)，由電源模塊、地磁測(cè)量模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、微處理器和上位機(jī)組成。其特征在于，所述電源模塊為系統(tǒng)提供3. 3V穩(wěn)定電源；所述地磁測(cè)量模塊包括X軸、Y軸和Z軸巨磁阻傳感器及對(duì)應(yīng)每軸上的信號(hào)處理電路；所述姿態(tài)測(cè)量模塊包括相互正交的X、Y、Z三軸加速度傳感器；所述地磁測(cè)量模塊連接至微處理器A/D采樣口 ；所述姿態(tài)測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊分別連接至微處理器的數(shù)字IO 口 ；所述微處理器經(jīng)RS232 口連接至上位機(jī)。所述電源模采用電壓轉(zhuǎn)換芯片1117 ；所述地磁測(cè)量模塊采用三軸巨磁阻傳感器八八!1002-02連接此低通濾波電路及儀用運(yùn)放1嫩118 ；所述姿態(tài)測(cè)量模塊采用三軸加速度傳感器ADXL345 ；所述溫度測(cè)量模塊采用溫度傳感器DSB18B20 ；所述微處理器采用微處理器 MSP430F149，對(duì)地磁信息、俯仰信息和溫度信息進(jìn)行預(yù)處理后，通過上位機(jī)處理后得到地磁方位角。一種基于巨磁阻傳感器地磁方位角測(cè)量方法，采用上述測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)方位角全方位測(cè)量的具體步驟如下
(1)系統(tǒng)初始化，包括微處理器和上位機(jī)、溫度傳感器、三軸加速度傳感器之間通信初始化，中斷初始化；
(2)微處理器采集X軸、Y軸、Z軸的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)/ZjrrΗ 、Hs ,系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)， 以及加速度傳感器三個(gè)軸向上重力加速度分量Ax、Ay、Az ；
(3)利用地磁場(chǎng)分量/ZjrrΠ , Hs及三軸加速度傳感器的姿態(tài)信息，計(jì)算俯仰角;κ
7/^sin ^siri 7+ fJricos6-/7_,sm ^cosr
和橫滾角日，通過模型^=-—』HJsr+HJ^——
進(jìn)行方位角計(jì)算。根據(jù)姿態(tài)信息Z和θ及磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方位角ψμ的全方位判定。(4)輸出單值唯一的方位角^/m。所述步驟(3)中，實(shí)現(xiàn)方位角的全方位判定的具體步驟如下
①根據(jù)單軸加速度測(cè)量原理，通過處理加速度傳感器ADL345三個(gè)軸向的輸出信
號(hào)，得到三個(gè)軸向的重力加速度分量Ax、ky、kz。由式& = arCSm|JAi/g OS&jCf和之=arcs44f g , <90tf計(jì)算姿態(tài)角。通過對(duì)Ax、Ay、Az的大小及正負(fù)進(jìn)行組合判
5別，實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角r和橫滾角Θ全方位判定；
(D微處理器通過對(duì)Ax、Ay、Az大于O、小于O、等于O、等于g、等于-g這5種情況進(jìn)行組合判別，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角 > 和橫滾角^全方位判定；
(D根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出水平地磁分量Ha和Hy1 ,
權(quán)利要求
1.一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)，由電源模塊(1)、地磁測(cè)量模塊 (2)、姿態(tài)測(cè)量模塊(3)、溫度測(cè)量模塊(4)、微處理器(5)和上位機(jī)(6)組成，其特征在于，所述電源模塊(1)為系統(tǒng)提供3. 3V穩(wěn)定電源；所述地磁測(cè)量模塊(2 )包括X軸、Y軸和Z軸巨磁阻傳感器及對(duì)應(yīng)每軸上的信號(hào)處理電路；所述姿態(tài)測(cè)量模塊(3)包括相互正交的X、Y、Z 三軸加速度傳感器；所述地磁測(cè)量模塊(2)連接至微處理器(5)A/D采樣口 ；所述姿態(tài)測(cè)量模塊(3)和溫度測(cè)量模塊(4)分別連接至微處理器(5)的數(shù)字IO 口 ；所述微處理器(5)經(jīng) RS232 口連接至上位機(jī)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊(1)采用電壓轉(zhuǎn)換芯片1117 ；所述地磁測(cè)量模塊(2)采用三軸巨磁阻傳感器 AAH002-02連接RC低通濾波電路及儀用運(yùn)放INA118 ；所述姿態(tài)測(cè)量模塊(3)采用三軸加速度傳感器ADXL345 ；所述溫度測(cè)量模塊(4)采用溫度傳感器DSB18B20 ；所述微處理器(5)采用微處理器MSP430F149，對(duì)地磁信息、俯仰信息和溫度信息進(jìn)行預(yù)處理后，通過上位機(jī)(6) 處理后得到地磁方位角。
3.一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量方法，采用權(quán)利要求1所述的地磁方位角全方位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，其特征在于具體操作步驟如下(1)系統(tǒng)初始化；(2)數(shù)據(jù)采集，采集地磁測(cè)量模塊中地磁場(chǎng)在X、Y、Z三軸上的磁場(chǎng)分量 ^xt Hs ,姿態(tài)測(cè)量模塊中χ、γ、Ζ三軸上的加速度分量AX、Ayjz及溫度測(cè)量模塊中的溫度數(shù)據(jù)；(3)利用姿態(tài)數(shù)據(jù)運(yùn)算出單值唯一的俯仰角『和橫滾角Θ，并結(jié)合地磁數(shù)據(jù)TJy^sm&sm r^-TJ^cqsB-TJ^sm ^cos rHf ‘ Hs,通過式HJ^ffJr^^進(jìn)行地磁方位角^M的全方位計(jì)算；(4)輸出地磁方位角_。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(3)中，方位角^k需要進(jìn)行全方位判定，具體步驟如下Q)微處理器(5)將三軸加速度傳感器測(cè)得的加速度分量Ax、Ay帶入等式,y = arcsin(Aic|/g和e=arcsm|Ay|/g計(jì)算俯仰角》禾口橫滾角汐；(D微處理器(5)通過對(duì)Ax、Ay、Az大于O、小于O、等于O、等于g、等于-g這5種情況進(jìn)行組合判別，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角Γ和橫滾角d全方位判定；(D定義水平地磁分量為ΗΙ,Ιυι ,根據(jù)姿態(tài)矩陣及步驟Θ中得出的俯仰角『和橫滾角義解出/^和孖機(jī)；令^ = arrtan ^Ko13<通過下面的判別實(shí)現(xiàn)方位角他的全方 位判定。
5. 一種基于巨磁阻傳感器的方位角測(cè)量正交補(bǔ)償方法，針對(duì)權(quán)利要求1中所述地磁測(cè)量模塊(1)中巨磁阻傳感器三軸非正交及存在零位偏差的問題，提出一種基于微處理器的三軸正交及零位補(bǔ)償方法，其特征在于定義巨磁阻傳感器三個(gè)軸向上實(shí)際坐標(biāo)0x3y3z3及理想坐標(biāo)OX3Y3Z3輸出的磁場(chǎng)量分別為h^ 112和/^3，Hw Hs ；oy3與其在面OY3Z3上投影的夾角為珥，其投影與 OY3的夾角為碼；oz3與其在面OX3Z3上投影的夾角為巧，其投影與OZ3的夾角為％ ；令巨磁阻傳感器三軸上的零位誤差分別為戰(zhàn)，；定義A3, H3和S可分別為實(shí)際及理想輸出的磁場(chǎng)值及零偏值的向量形式，可得
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量方法及正交補(bǔ)償方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁方位角的全方位測(cè)量，減小由于三軸傳感器非正交及零位偏差引起的測(cè)量誤差。該測(cè)量系統(tǒng)，由地三軸磁測(cè)量模塊、三軸姿態(tài)測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、微處理器及上位機(jī)組成。本發(fā)明涉及到智能傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)巨磁阻傳感器進(jìn)行方位角測(cè)量時(shí)，由于數(shù)學(xué)模型導(dǎo)致方位角測(cè)量的多值問題，提出了一種以三軸加速度傳感器為基礎(chǔ)的智能卦限判別法，從而實(shí)現(xiàn)基于巨磁阻傳感器的全方位角測(cè)量。同時(shí)，針對(duì)巨磁阻傳感器三軸非正交及零位偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差，提出了一種在微處理器內(nèi)部完成的三軸正交及零位補(bǔ)償方法，進(jìn)而提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。另外本發(fā)明還具有開發(fā)成本低、硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C17/38GK102313543SQ201110192080
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者付敬奇, 鄭學(xué)理 申請(qǐng)人:上海大學(xué)