摘 要：電子羅盤是一種通過測(cè)量地球磁場(chǎng)獲得載體航向角的設(shè)備。利用MEMS三軸磁阻傳感器和Atmega128單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種高集成度、低功耗、小型化的電子羅盤。介紹了電子羅盤的設(shè)計(jì)原理及其具體實(shí)現(xiàn)，分析了系統(tǒng)測(cè)量精度的誤差來源，并通過最小二乘法對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)硬磁材料引起的半圓羅差和軟磁材料引起的圓周羅差及象限羅差的誤差補(bǔ)償后，系統(tǒng)航向角誤差可從±24.5°提高到±2.5°。

關(guān)鍵詞：載體航向角測(cè)量；電子羅盤；磁阻傳感器；誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP212.9；V241.61+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2013）04-0031-03

DesignofElectronicCompassBasedonMEMSSensor

WANGChanggang，GURui，YUYunzhi

（JiangsuAutomationResearchInstitute，Lianyungang222000，China）

Abstract：Electroniccompassisakindofdevice，whichcanacquiretheheadinganglebymeasuring earth′smagneticfield.Ahighlyintegrated，low-powerconsumptionandminiaturizedelectroniccompass isdesignedbyusingMEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）3-axismagnetoresistivesensorand Atmega128microcontroller.Thispaperintroducestheprinciplesoftheelectroniccompass，analysesthe systematicerrorsources，andcomputestheerrorcompensationwithleastsquaredmethod.Experimental resultsshowthattheerrorofheadinganglecanbereducedfrom±24.5°to±2.5°aftererrorcompensationforsemicirculardeviationcausedbyhardmagneticmaterials，circumferentialdeviationandquadrantaldeviationcausedbysoftmagneticmaterial.

Keywords：carrierheadinganglemeasurement；electroniccompass；magnetoresistivesensor；error compensation

0 引 言

電子羅盤作為導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)崟r(shí)提供載體航向角[1]，被廣泛應(yīng)用于汽車、航海、航空、航天等領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是微處理器的廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)越來越趨于集成度高、體積小、功耗低的發(fā)展方向。

本文設(shè)計(jì)的電子羅盤是基于MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）三軸磁阻傳感器HMC5883L和微控制器Atmega128實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過數(shù)字濾波以及羅差補(bǔ)償算法，測(cè)量誤差可降低到±2.5°內(nèi)；傳感器和微控制器之間通過I2C通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、實(shí)時(shí)性好；RS485外部接口，可與其他導(dǎo)航設(shè)備以及控制器通信，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交換。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁阻傳感器采用的是Honeywell的HMC5883L三維磁阻芯片，HMC5883L附帶Honeywell專利的集成電路，包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成的置位/復(fù)位帶，增加了傳感器的抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力，消除傳感器內(nèi)部測(cè)量偏差和溫度漂移差值；傳感器通過I2C串行接口輸出三軸磁場(chǎng)數(shù)字量，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值為8Gauss，其測(cè)量范圍可以根據(jù)測(cè)量精度和周圍磁場(chǎng)環(huán)境，通過對(duì)磁阻傳感器的配置進(jìn)行調(diào)節(jié)，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5～0.6Gauss，為了提高測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)中采用的測(cè)量范圍是0～0.88 Gauss。

微控制器采用Atmel的Atmega128單片機(jī)，RISC結(jié)構(gòu)、快速單周期指令系統(tǒng)，并具備1MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力，可以快速實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)硬件乘法運(yùn)算，內(nèi)部集成I2C，UART串行通信接口，簡(jiǎn)化系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)。

電子羅盤通過RS485接口與外部設(shè)備通信，差分信號(hào)傳輸，在復(fù)雜的環(huán)境下有一定的抗干擾能力。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

2.1 誤差分析

系統(tǒng)采用三軸磁阻傳感器設(shè)計(jì)，集成度高，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的制造誤差和安裝誤差。航向傳感器的主要誤差是周圍工作環(huán)境造成的羅差，羅差對(duì)精度的影響最大可達(dá)幾十度，羅差分硬磁材料引起的半圓羅差和軟磁材料引起的圓周羅差及象限羅差[5]。半圓羅差隨著航向角在0°～360°內(nèi)變化時(shí)近似正弦曲線，可表示為Bsinφ+Ccosφ，軟磁材料本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁化后影響其周圍磁場(chǎng)，造成的圓周羅差和象限羅差可表示為A+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）。得到羅差方程：

Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）

（5）

對(duì)羅差補(bǔ)償后，得實(shí)際航向角：

φc=φ-Δφ（6）式中：φc為實(shí)際航向角；φ為羅差補(bǔ)償前的航向角；Δφ為羅差；A，B，C，D，E表示羅差補(bǔ)償系數(shù)。

2.2 誤差補(bǔ)償

電子羅盤的羅差補(bǔ)償，需針對(duì)具體的環(huán)境求出羅差補(bǔ)償系數(shù)，為了提高補(bǔ)償系數(shù)的測(cè)量精度，通過實(shí)驗(yàn)方法在0°～360°之間每隔15°共24個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行航向角測(cè)試，得到航向角測(cè)量值和測(cè)量誤差，采用最小二乘補(bǔ)償法計(jì)算出羅差補(bǔ)償系數(shù)，代入誤差補(bǔ)償方程。表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算羅差補(bǔ)償系數(shù)為

[A，B，C，D，E]=[-5.3316，-17.6782，5.8320，1.852，-1.0113]

圖4為表1對(duì)應(yīng)的誤差擬合曲線，從表和圖中可以看出，誤差補(bǔ)償前最大誤差-24.5°，誤差隨著航向角的變化基本為正弦曲線，誤差較大；補(bǔ)償后的航向角誤差在±2.5°內(nèi)。圖5為誤差補(bǔ)償后，在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬合曲線以及標(biāo)準(zhǔn)值曲線，曲線基本重合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量都是在俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為零的情況下進(jìn)行，當(dāng)引入這兩個(gè)姿態(tài)角后，對(duì)測(cè)量精度可能會(huì)有一定的影響。

3 結(jié) 束 語

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低。而且實(shí)驗(yàn)也證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量誤差基本限定在±2.5°內(nèi)，系統(tǒng)可應(yīng)用于普通導(dǎo)航領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可根據(jù)具體應(yīng)用，在相同工作環(huán)境下，對(duì)測(cè)量誤差采用多次羅差補(bǔ)償法進(jìn)行迭代補(bǔ)償，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

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