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2019年04月29日

電子羅盤是一種重要的導航工具,能實時提供移動物體的航向和姿態。由于電子羅盤可以測量出較為精確的航向角,也就是偏航角,所以電子羅盤在機器人、無人機等的姿態測量、解算等方面有著較大的應用。

要實現電子羅盤功能,需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。如此搭配上適合的互補融合算法,我們就可以在短時間內設計出成本低、性能高的電子羅盤。


ST電子羅盤方案介紹

一個傳統的電子羅盤系統至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數據,一個三軸加速計以測量羅盤傾角,通過信號條理和數據采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數據傳送給處理器。處理器通過磁場數據計算出方位角,通過重力數據進行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態的影響。


鐵磁場干擾及校準

電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯,而一個普通的手機喇叭當相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場,一個手機馬達在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場,這一特點使得針對電子設備表面地球磁場的測量很容易受到電子設備本身的干擾。


磁場干擾是指由于具有磁性物質或者可以影響局部磁場強度的物質存在,使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發生了偏差。如圖11所示,在磁傳感器的XYZ 坐標系中,綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉動過程中在XY平面內的投影軌跡,再沒有外界任何磁場干擾的情況下,此軌跡將會是一個標準的以O(0,0)為中心的圓。當存在外界磁場干擾的情況時,測量得到的磁場強度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。


一般可以認為,干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾,如擺放在電路板上的馬達和喇叭,還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩,螺絲,電阻, LCD背板以及外殼等等。同樣根據安培定律有電流通過的導線也會產生磁場。為了校準這些來自電路板的磁場干擾,主要的工作就是通過計算將γ求出。


平面校準方法

針對XY軸的校準,將配備有磁傳感器的設備在XY平面內自轉,等價于將地球磁場矢量繞著過點O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉,而紅色的圓為磁場矢量在旋轉過程中在XY平面內投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2,  (Ymax + Ymin)/2)。同樣將設備在XZ平面內旋轉可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓,這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ(γx, γy, γz)。


立體8字校準方法

一般情況下,當帶有傳感器的設備在空中各個方向旋轉時,測量值組成的空間幾何結構實際上是一個圓球,所有的采樣點都落在這個球的表面上,這一點同兩維平面內投影得到的圓類似。這種情況下,可以通過足夠的樣本點求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式:(x-γx)^2+(y-γy)^2+(z-γz)=R^2

8字校準法要求用戶使用需要校準的設備在空中做8字晃動,原則上盡量多的讓設備法線方向指向空間的所有8個象限。

同樣,通過10面校準方法,也可以達到校準的目的。


傾斜補償及航偏角計算

經過校準后電子羅盤在水平面上已經可以正常使用了。但是更多的時候羅盤并不是保持水平的,通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度,需要通過加速度傳感器進行傾斜補償。

對于一個物體在空中的姿態。 Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角,Roll(θ)定義為y軸和水平面的夾角。由Pitch角和Roll角能引起的航向角的誤差。   

通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度Ax,Ay,Az的分量,再通過式1可以計算出Pitch和Roll。

式1  計算Pitch和Roll

式2可以將磁力計測得的三軸數據(Hx ,Hy ,Hz)通過Pitch和Roll轉化為式1中計算航向角需要的HY和HZ。之后再利用式3計算出航向角。

式2 計算HZ和HZ

 

式3 計算航向角


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