一种磁阻式电子罗盘测试和标定方法研究*

陈瑜，张铁民，彭孝东(.华南农业大学工程学院，广州50642;2.机器人学国家重点实验室中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳006)

一种磁阻式电子罗盘测试和标定方法研究*

陈瑜1，2，张铁民1*，彭孝东1
(1.华南农业大学工程学院，广州510642;2.机器人学国家重点实验室中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016)

在分析了影响磁罗盘工作过程中可能存在的误差及其来源，针对罗差误差，提出一种椭圆假设补偿法与最小二乘法求补偿系数相结合的方法对电子罗盘进行标定。实验验证了最大误差达34.2°的电子罗盘系统经过标定补偿后误差降至3°以内，能基本满足一般导航系统的要求。该方法也适用于其他磁罗盘的标定。

电子罗盘;标定;最小二乘法;椭圆假设补偿

当今大多数导航系统使用某种型号的罗盘来确定航向。目前有几种类型的电子罗盘可供选择:磁通门、磁阻式、磁感应式以及其他类型［1］。其中磁阻(MR)传感器灵敏度高，响应时间快，固态封装尺寸小，并作为集成电路易批量生产。因此，本课题组的导航系统选择了磁阻式的电子罗盘。但由于磁阻式电子罗盘容易受到制造和环境等因素的影响，不可避免地会出现各种误差，因此要对误差进行补偿校正，以得到较为准确的航向信号。

本课题组正在研究设计一套应用于高地隙农业移动作业平台的自动导航系统，为了实现系统的小型化，低成本，并具有较高的精度，因此设计了一套基于图像处理系统、电子罗盘和INS(惯性导航系统)的组合导航系统。该组合导航系统的性能依赖采集的图像质量和处理速度，当图像信号受到干扰或处理时延较大时则取决于电子罗盘和INS误差的校正预测值。因此文中采用椭圆假设补偿法与最小二乘法求补偿系数相结合的方法对电子罗盘进行误差补偿，实验表明，经过标定补偿后的电子罗盘系统精度可以由原先的34.2°达到3°以内。

1 电子罗盘DCM250测试和标定系统

1.1 电子罗盘简介

项目选购的电子罗盘DCM250是瑞芬公司开发的低成本三维电子罗盘，其引进了美国三维补偿技术，使得在产品倾斜±40°的环境下依然可提供准确的航向数据。DCM250单板是小型低功耗的器件，价格适中，其航向的分辨率为0.1°，而俯仰与翻滚的分辨率达到了0.01°，且有±40°的倾角补偿。另外，DCM250具有一定的补偿功能。

1.2 标定系统

为了测试电子罗盘的性能，将电子罗盘DCM250固定在载体转台上进行相应测试。测试时按照试验要求的角度转动转台，并记录罗盘输出。在进行实验的时候要注意，避免在转台周围使用电机和个人手机等易产生变化磁场的电子设备，以减少软磁干扰，保证磁阻传感器能够正常工作。

电子罗盘测试和标定系统的MCU采用STM32F103单片机，采用串口连接读取数据，并通过串口在笔记本电脑上存储电子罗盘输出的数据。测试和标定系统的组成框图如图1所示。

图1 测试和标定系统组成框图

2 电子罗盘测试和简单校正

2.1 自带软件的测试

在用到DCM250三维电子罗盘时，厂家提供了一个罗盘的自带软件，用这个软件就可以直接在电脑上显示电子罗盘检测到的数据。在用自带软件做测试时，将电子罗盘DCM250放在一个高30 cm的纸盒上并将其固定在转盘上(DCM250说明书上要求其安装位置离铁磁材料至少30 cm以上)，把DCM250通过串口直接连接到电脑上，转盘每转动10°，就测量并读取一次数据。用自带软件做测试时，使转盘逆时针转动，在该电子罗盘没有经过任何校正的情况下，测量到的实测值和理论值之间的误差如图2所示。

图2 无校正时实测值和理论值的误差图

由图2可知，测试时电子罗盘检测值与理论值误差很大，最大的误差甚至达到了34.2°。如此大的误差，在导航系统中是不能接受的。因此，该电子罗盘必须要经过一定的标定和校准后才能使用。

2.2 简单校正后电子罗盘的测试

2.2.1 DCM250的简单校准

对DCM250做校准的方法有2种:一种是用自带软件对DCM250进行校准;另一种是通过单片机发送指令来校准。

用自带软件对DCM250校准的方法［2］如下:①将罗盘平行放置远离干扰的平面上，然后正确连接到RS232通讯口，打开电源;②点击自带软件上的“CALL-START”按钮。如图3所示;③DCM250会返回响应信号，DCM250罗盘上绿色指示灯亮起;④将罗盘原地从0°到360°旋转一圈，进行采集罗盘周围磁场数据。在旋转的过程中旋转的速度不宜太快，控制在40 s/圈以上;⑤旋转完一圈后，点自带软件上的“CALL-SAVE”按钮。

点击SAVE按钮后，DCM250会保存其周围磁场的数据，如此就完成了DCM250的简单校准。

图3 电子罗盘自带软件校准图

根据以上DCM250的校正方法可知，DCM250本身采用的是文献［3］中的“椭圆假设补偿法”。该椭圆假设补偿法，可利用软件自动补偿技术，使操作过程大大简化，减少了硬件调试环节和工作量［3］。这种方法考虑了水平面内的软铁和硬铁效应，水平转动一圈对零位和标度因数进行补偿，但没有考虑天向磁场的软硬铁效应［4］。而由以下实际测试的实验数据可以看出，这种电子罗盘自带的校正方法虽然简单，但误差补偿效果不甚理想。

我们在实验室首先采用自带软件校准的方法，即椭圆假设补偿法做测试。采用STM32单片机做主控，单片机与电子罗盘模块通过串口连接，单片机读取三维电子罗盘模块DCM250上的数据，然后再通过串口把数据发送到电脑并显示出来。在电脑上，用串口调试助手来显示接收到的数据。把三维电子罗盘模块DCM250固定在转盘上，然后转动转盘，每转过10°测量一次数据。为了更好的进行误差系数标定，在进行实验数据采样时，要求在每个位置停留1 s以上，以便取得较多的采样点。我们在每个位置读取10个数据，把串口调试助手接收到的10个罗盘数据存储在一个Excel表格中，去掉一个最大值和一个最小值，其余8个数取平均值，以减少误差。简单校正后用单片机测试得到的理论值和测量值的误差如图4所示。

图4 简单校正后实测值和理论值的误差图

由图4可知，对DCM250进行简单校准后，误差只在-2°至+9°之间。而没对DCM250做校准前，用自带软件测量到的数据误差最大达到34.2°。对比简单校准前后的数据可知，对罗盘进行简单校准后，误差的范围大幅减少，但-2°至+9°的误差范围还是比较大的，因此还要对数据做进一步的处理，以对误差进行补偿，使得误差尽量减小。

3 电子罗盘误差补偿方法

在电子罗盘中，产生误差的原因很多，而最主要的有2种，第1种是系统自身存在的误差，包括制造误差和安装误差。第2种误差是由磁阻电子罗盘周围工作环境因素而造成的误差，主要指罗差。罗差是磁阻电子罗盘误差的主要部分［5］。

罗差是利用地球磁场测量方位时磁阻电子罗盘所特有的一种误差，也是对精度影响最大的一种误差，在不同的应用环境下其值不同。罗差是由于磁阻传感器周围的铁磁材料、电器设备等影响与地球磁场叠加，使磁阻传感器不能准确感应地球磁场而产生的航向误差。罗差根据干扰磁场的大小和方向的变化情况可以分为2种:硬磁材料引起的罗差和软磁材料引起的罗差。

硬磁材料相当于永久磁铁，同时由于磁阻传感器较小，可认为硬磁材料产生的磁场在传感器周围均匀分布，且与磁阻传感器固连在载体上，因此无论载体如何变化，硬磁材料产生的合成磁场在3个轴上的分量是不变的，它所造成的误差随航向角在0°到360°之间变化时近似于正弦曲线，这种误差为半圆罗差，硬磁材料引起的罗差Δφy可近似用下式［6］表示:

式中:φ为罗差补偿前磁阻电子罗盘的输出航向值，B、C为罗差补偿系数。

软磁材料本身不产生磁场，但它被环境磁场磁化后将影响其周围磁场，它引起的误差大小相对于载体方向随外界磁场的变化而变化，可分解为两部分:一是大小和方向均不变的误差即圆周误差，二是与2φ成近似正弦曲线的象限罗差。软磁材料引起的罗差Δφr可用下式［6］表示:

式中:A、D、E为罗差补偿系数。

综合式(1)和式(2)，Δφz表示总罗差，可得罗差方程:

则补偿罗差后的航向角φh为:

通过上面的分析可知，进行磁阻电子罗盘的罗差补偿需要针对具体的环境求出误差公式中的误差补偿系数A、B、C、D、E。

罗差校正主要是针对环境磁场而进行的，电子罗盘的罗差校正方法有很多，在不同的应用场合，不同校正方法的效果也不一致。例如，最小二乘拟合法对稳定的干扰磁场补偿效果较好，但其对于运动的载体补偿效果有效有限。目前国内许多研究都采用此算法，如西北工业大学邵婷婷［5］，上海交通大学王永强［7］，中国电子科技集团第二十八研究所蒋贤至［8］。而根据磁罗盘的零位、标度因数和安装误差等因素采用十二位置法标定，可用来补偿三轴软硬铁效应，对于低成本磁罗盘零位、标度因数、安装误差的生产标定具有较好的作用［9］。北京航空航天大学的郭鹏飞［9］，中国兵器工业第203研究所的张娇［10］都采用了此方法。另外，西北工业大学的王璐［11］采用一种基于BP神经网络的补偿方法，通过建立三层BP网络模型可以较好的补偿磁罗差并且补偿后的航向误差方差很小。除此之外，最佳椭圆拟合法既保证了系统较高的数据更新率，又使操作过程大大简化，该算法的补偿精度稍低。这种算法在一些载体位置经常变动的场合应用较多，南京航空航天大学自动化学院杨新勇［12］，中国科学院半导体研究所宋海明［13］等正是采用此算法。这种方法需要测出x、y甚至z方向上的磁场强度或跟磁场强度有关的3个方向上的电压输出，但项目选购的电子罗盘DCM250直接输出的是角度信号。因此，结合我们当前的实验条件，我们在椭圆假设补偿法的基础上，采用了最小二乘法进行误差校正。

为提高精度，在计算罗差补偿系数时，采用“误差平方和最小”的原理，即最小二乘法求取。具体方法是在0°到360°之间，每隔10度进行一次测量，一共在36个实验点进行误差测试，用得到的36组航向角的原始数据，通过MATLAB软件，就可以求出补偿系数。在求得补偿系数后，把测到的数据代入公式就可计算出补偿后的航向角。

记误差方程:

其中:

将36组实验数据代入公式，根据矩阵性质，可以求得罗差的补偿系数:

把补偿前的数据代入到矩阵U和矩阵H中，用MATLAB软件对矩阵做计算处理，即可计算出矩阵G。在MATLAB中，解得在实验室环境的补偿系统:

把解得的罗差补偿系数代入式(3)中，可得总罗差的计算方式，把总罗盘的计算式代入式(4)，通过计算可求得补偿后的航向输出角度。补偿前后的误差曲线如图5所示。

由图5可看出，在补偿前，电子罗盘的误差在9°以内，而补偿后航向角的误差基本都是在3°以内。通过对比补偿前后的数据可以看出，最小二乘法的应用，对误差的补偿起到了一定的作用。

图5 补偿前后误差对比图

4 结束语

导航系统采用的电子罗盘DCM250成本低、体积小、功耗低;利用地球磁场测量航向，实现无接触测量，寿命长;根据现场的采样数据，我们先用椭圆假设补偿法进行简单校准，再用最小二乘法求补偿系数，通过MATLAB解出了该系统中罗差补偿系数的具体数值，补偿效果较好。在进行补偿前，航向输出角的误差最大高达近34.2°，而补偿后的误差基本都在3°以内。实验证明，该电子罗盘能满足一般导航要求，而本文采用的方法也适用于其他磁罗盘的标定。如果要进一步提高导航精度，可以采用电子罗盘和INS(惯性导航系统)等多传感器信息融合技术，这也是本课题组下一步努力研究的方向。

［1］磁阻传感器在导航系统中的应用，霍尼韦尔商业开关与传感器，http://www.honeywell.com/sensing

［2］DCM250单板40°倾角补偿式三维电子罗盘产品说明书，瑞芬科技有限公司。

［3］刘静.基于磁阻传感器的姿态测量系统设计［D］.武汉:华中科技大学，2007.

［4］Caruso M J.Applications of Magnetic Sensors for Low Cost Compass Systems［C］//Proceedings of the 2000 IEEE Position，Location and Navigation Symposium，2000:177-184.

［5］邵婷婷.倾斜补偿电子罗盘设计［D］.西安:西北工业大学，2007

［6］邵婷婷，马建仓，胡士峰，等.电子罗盘的倾斜及罗差补偿算法研究［J］.传感技术学报，2007(6):1335-1337.

［7］王永强.基于地磁测量的数字罗盘研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［8］蒋贤至.数字电子罗盘误差分析及校正技术研究［J］.现代雷达，2005，27(6):39-42.

［9］郭鹏飞，任章，邱海韬.一种十二位置不对北的磁罗盘标定方法［J］.中国惯性技术学报，2007，15(5):598-601.

［10］张娇，陈静，杨栓虎.三轴磁阻式传感器标定方法研究［J］.弹箭与制导学报，2010，30(6):46-48.

［11］王璐，赵忠.磁罗盘误差分析及补偿［J］.传感技术学报，2007，20(2):439-441.

［12］杨新勇，黄圣国.智能磁航向传感器的研制及误差补偿算法分析［J］.北京航空航天大学学报，2004，30(3):244-248.

［13］宋海明，韩海，赵柏秦等.霍尔罗盘误差补偿算法及实验分析［J］.传感器与仪器仪表，2008，4(9):187-188.

陈瑜(1981-)，女(汉族)，讲师，博士研究生，主要研究领域为农业机械组合导航与定位、无线传感器网络导航与定位，chenyu219@126.com;

张铁民(1961-)，男，汉族，黑龙江安达人，博士，教授，博士生导师，主要从事农业航空、农业电气化与自动化研究，tm-zhang@163.com。

Research on Test and Calibration Methods of a Magnetic Resistance Type Electronic Compass*

CHEN Yu1，2，ZHANG Tiemin1*，PENG Xiaodong1

(1.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China; 2.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

The possible error and its source of magnetic compass are analyzed.In view of the compass error，elliptic assume compensation method combined with leastsquare method for compensating coefficientmethod were proposed here to calibrate the electronic compass.The experiment verified the maximum error is drop from 34.2°to 3°when the compass system is compensated.And the experiment results demonstrate that the compass system can be used in common navigation field.This method is also applicable to other magnetic compass calibration.

electronic compass;calibration;least square method;ellipse hypothesis compensation

TP212

A

1004－1699(2014)05－0622－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.010

项目来源:国家“十二五”课题项目(2013AA102300);机器人学国家重点实验室开放课题项目(RL2012-O02)

2014-03-16

2014-04-16