全固态三轴电子罗盘的应用设计

摘 要：全固态三轴电子罗盘,通过磁通门传感器作为敏感元件来测量地磁场,用双轴加速度计来进行倾斜补偿；单片机采集磁通门信号与载体的姿态数据,计算载体航向角,克服了传统的机械式磁罗盘读数误差大、结构复杂等问题.

Abstract：All-solid-statetriaxialdigitalpassisadevicethatusingthefluxgatesensorasthesensingelementtomeasurethemagicfield,usingthebiaxialaccelerometertomeasurethecarrier'sattitudetotiltpensationeffect,andusingtheMCUtocollectthefluxgatesignalwithcarriertocalculatetheheadingfinally.Itoverestheproblemsoftraditionalmechanicaltypemagicpass,suchas,bigerrorrate,plexstructure,andsoon.

关 键 词：电子罗盘；磁通门传感器；加速度计；单片机；全固态

Keywords：electronicpass；fluxgatesensor；accelerometer；singlechipmicroputer；all-solid-state

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）21-0238-02

0引言

电子罗盘是一种将磁场传感器与电子线路、微控制器等集成于一体,以数字量精确地给出地理航向角的装置[1],与传统的指针式和平衡架结构罗盘相比具有许多优势.

1电子罗盘工作原理

地磁场在x轴、y轴和z轴上的磁场强度分量,分别用Hx、Hy和Hz来表示,再通过双轴加速度计测量出载体的俯仰角?渍和翻滚角?兹.得到以上五个参量后,将三维空间中的三个磁场强度分量Hx、Hy和Hz换算成二维空间水平面上的磁场强度分量Hxx和Hyy,其换算公式是[1]

Hxx等于Hxcos?渍+Hysin?兹sin?渍-Hzcos?兹sin?渍（1）

Hyy等于Hycos?兹+Hzsin?兹（2）

将计算得到的Hxx和Hyy代入公式（3）中,可以得到电子罗盘系统换算成水平面内的地磁航向角?茁′为

?茁′等于arctan（3）

计算出地磁航向角?茁′之后,再查找出载体所在地的磁偏角γ,根据公式α等于?茁′+γ就可以求出载体的地理航向角α.

2电子罗盘总体设计方案

本文电子罗盘的总体设计方案分为四个部分：信息采集、信号调理、信息处理、输出显示.总体的设计方案框图如图1所示.

2.1信息采集

2.1.1地球磁场强度信息采集设计中采用磁通门传感器来测量地球磁场强度.磁通门传感器是根据磁饱和原理制成的,它的输出可以是电压、电流或者时间差.

2.1.2载体姿态信息采集ADXL212可以用来进行倾斜测量.当加速度计的X轴和Y轴的方向与地球表面平行时（读数近似为0g）,可以用作双轴倾斜角传感器,一个轴用来测量俯仰角,另一个轴用来测量翻滚角[2].将ADXL212的输出连接到单片机的计数器,计算出X轴高电平的持续时间t1x和Y轴的高电平持续时间t1y,可以计算出两个轴向的占空比ηx和ηy,即：

ηx等于t1x/t2（4）

ηy等于t1y/t2（5）

从而可以计算出两个轴向的加速度值分别为：

Ax（g）等于（ηx-0.5）/12.5%（6）

Ay（g）等于（ηy-0.5）/12.5%（7）

俯仰角和翻滚角的值计算如下：

φ等于arcsin[Ax（g）]（8）

θ等于arcsin[Ay（g）]（9）

2.2信号调理磁通门传感器的输出信号是含有各偶次谐波分量的交流信号.实际应用中需要将交流信号转换成直流信号,并且只保留其二次谐波分量,滤除其他各偶次谐波分量,本文中对磁通门信号调理过程的原理如图2所示.

2.3信息处理

2.3.1A/D转换磁通门信号经过信号调理之后输出的是模拟信号,而单片机只能处理数字信号,所以调理之后的磁通门信号送到单片机之前必须进行模数转换.

2.3.2航向角解算利用单片机的定时/计数器来测量加速度计的占空比输出信号,求出输出信号的高电平持续时间,就能够得到加速度.利用加速度和姿态角的函数关系,可以计算出俯仰角和翻滚角,进而求得航向角.单片机控制数码管完成对信息的处理以及运算等功能.

3结论

全固态三轴电子罗盘相比于之前的液体电子罗盘,省去了阻尼液与机械装置,结构简单,磁通门传感器也不会出现延迟误差,性能以及长时间工作的稳定性能都更好,双轴加速度计进行倾斜补偿,使之应用范围更广,数值更精确.