电子罗盘在飞行体方位角测量系统中的应用研究

程　颖,　朱　炼

(安徽工商职业学院 电子信息系,合肥　231131)



电子罗盘在飞行体方位角测量系统中的应用研究

程颖,朱炼

(安徽工商职业学院 电子信息系,合肥231131)

摘要：为了更精确地测量飞行体的方位角,设计了一种采用电子罗盘实现方位测量的飞行体方位角测量系统。首先,进行了方位角测量系统方案设计;其次,探讨了系统罗差及其解决方法;再次,提出了双罗盘高精度测量方法,并建立精度控制模型;最后,通过实验验证了双罗盘方位角测量系统比单罗盘系统的测量精度更高。

关键词：电子罗盘;地磁传感器;方位角;误差

一、引言

飞行体的方位测量通常运用陀螺仪或电子罗盘。早期的陀螺仪体积较大,随着大规模集成电路的发展,出现了小型化陀螺仪,但在电气装配上较为复杂。电子罗盘由于其具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的显著优势而作为姿态传感器被广泛应用于航空、航天及军事等领域[1]。当已知飞行体的速度、起始坐标、航行时间和当地的磁偏角就可以计算出即时位置[2],并为飞行体定向、测北。本文采用基于磁阻式地磁传感器的电子罗盘实现了飞行体方位角测量系统设计,同时,为进一步提高电子罗盘的测量精度,提出了双电子罗盘高精度测量方法。该方法通过将两个罗盘相互轴向垂直安装于同一测量平面的布局方式,利用传感器垂直轴效应,通过对实验数据的处理,得到拟合函数,并由此达到提高系统精度的目的。经过建立误差模型,将实时测量方位角的精度控制在允许的误差范围之内,达到实时方位角测量的目的。

二、方位角测量原理

物体的磁方位角是物体从“磁北”绕垂直于水平面的轴的转角ψM,顺时针旋转为正[3]。设当地的地磁场在地理坐标系中可表示为H=[HXHYHZ],其中:HY=Hsin(ψM)

(1)

则可由下式计算飞行体的磁方位角[4]:

(2)

三、方位角测量系统设计

(一)电子罗盘

本文采用了以HMC1052地磁传感器为主体芯片设计的电子罗盘。它是一款低成本平面数字罗盘模块,具有输入电压低,功耗小(≤18mA),体积小(22×22mm),重量轻,高性价比,易于集成,提供ASCII输出格式等特点[5]。

地磁传感器中有两轴互相垂直,可以同时感应地球磁场的磁分量,进而得出方位角度。该电子罗盘精度高,运行稳定,具有标定功能,能够在任意地点得到准确的方位角,可输出4 800bps、9 600bps和19 200bps三种波特率。同时还具有安装角和磁偏角补偿功能,可在不同的环境下正常工作。[5]

(二)设计原理

方位角测量系统中,采用单个电子罗盘的系统框图如图1所示。系统由电子罗盘、微控制器、放大电路、电源电路和补偿校正电路组成。电子罗盘上的地磁传感器由相互正交的两组磁感元件构成,分别感应x和y方向的地磁分量。随着系统方位角的变化,x和y轴磁感元件感应出来的电压值也会发生相应的变化。采集到的角度信号经放大电路放大后,再经ADC模块转换成数字信号,由微控制器(即单片机)对其处理输出。在双电子罗盘测量系统中,两块电子罗盘接收的信号会传送至微控制器进行校准等一系列的处理。

图1　单电子罗盘的方位角测量系统框图

微控制器内部集成8路10位ADC模块,实现x和y轴电压信号的AD转换以及方位信息的计算处理。当输入到微控制器的电压稳定,且ADC对输入数据开始采样,就可以开始方位角的计算。

方位角计算时,根据ADC的位数对ADC的输入电压刻度记数,10位ADC相对于其输入电压应记数210=1024次,将该记数与零磁场值中的记数相比照。ADC通道AN0和AN1的零磁场记数值理论上都是512,但由于存在一定的错误率记数会有一些偏差。设AN0记数为X,AN1记数为Y,则电路偏差修正值Xco和Yco可通过以下公式计算出来:

(3)

(4)

求出的结果即为修正系数,存入微控制器的存储器中。

另外,系统附近的铁材料对电子罗盘中的地磁传感器会产生影响,需要对X和Y值作进一步修正。这些值可以用硬铁畸变对传感器的校准系数Xoff、Yoff、Xsf和Ysf来表示,且必须在X、Y基础上先减去记数基准数512。这样真正的X和Y方向值的公式为[6]:

(5)

(6)

一旦这些真正方向记数值确定后,方位角α就可以用以下公式计算:

(7)

(三)电子罗盘的安装与使用

将电子罗盘安装在测量系统中时,要注意罗盘的方向问题。罗盘模块上有一个箭头,表示罗盘的指示方向。安装时,载体的安装方向要和该箭头一致,这样,罗盘测出的方向才是所要得到的方向[7]。本系统中采用两块电子罗盘,安装时将其中一块罗盘按上述要求固定好,另一块罗盘上的箭头需与前一块的箭头垂直。

安装完成后,需进行标定。因为罗盘周围磁场环境发生改变后,罗盘计算输出的角度信息将不准确,所以在罗盘正常使用前必须对其重新校准,即标定。标定方法如下:首先将标定信号线接地(即置低电平),上电时,单片机完成初始化后检测该位,为低电平则表示需要对电子罗盘进行标定,单片机发送“p”命令,此时将罗盘均匀缓慢水平地旋转两周,不可以太快,旋转一周的时间一般为1～2分钟。然后将标定信号线与地断开(即置高电平),此时单片机发送“r”命令,标定结束。标定完成后,电子罗盘可以正常使用。

四、系统罗差分析

方位角测量系统误差的产生与多种因素有关,主要有制造误差、安装误差、使用环境改变造成的误差以及磁场的罗差等。本文主要讨论罗差,即由于磁阻式传感器周围的铁磁材料干扰而产生的误差[8]。实际工作中,铁磁干扰可分为两种:硬铁干扰和软铁干扰。

理想情况下,当系统在水平磁场中旋转时,输出是一个以(0,0)为圆心的圆,如图2所示。此时,输出的方向角线性的从0°到360°变化。

图2　传感器理想输出

硬铁干扰由永久磁铁或被磁化的金属产生,大小恒定,与系统相对位置保持不变[9],与罗盘的方向无关。磁阻传感器受硬铁干扰影响在输出的x轴和y轴各加一定值,使得输出曲线的圆心发生了偏移,如图3所示。

图3　硬铁干扰下的实际输出

消除硬铁干扰即要消除曲线的圆心偏移,一般采用的方法是将测量系统安装于固定平台上缓慢旋转一周,由圆上足够多的点得到圆心偏移,并将其存入存储器中,电子罗盘读数时会将此偏移减去。

软铁干扰来源于地球磁场和系统附近的任何磁性材料之间的相互作用[10],与硬铁干扰不同之处在于软铁的干扰程度与罗盘的方向有关,图4描述了软铁对磁场值的影响。

图4　软铁干扰下的实际输出

软铁干扰的校正较为复杂,常用的方法是消除软铁效应,即:将罗盘读数先旋转45°,标记出主轴线,再将软铁干扰下实际输出的椭圆形改为圆形,最后,将读数反转45°即可[11]。

实际工作中,为降低系统罗差,可将罗盘附近所有软铁物质移走,尽可能减少软铁干扰,而飞行体中大多铁质材料都有硬铁特性,只处理硬铁干扰即可;也可以预先对罗盘附近的环境进行消磁。

五、实验分析

采用单个电子罗盘测量飞行体方位角数据时,测量精度可达到±1°,为进一步提高测量精度,可采用双电子罗盘进行测量,即在系统中增加一块同样的电子罗盘,并使两块罗盘按照其上的箭头方向垂直安放。由于系统采用的罗盘在实际使用中会在风力作用下做些微摆动,形成一定的俯仰角度,所以在实验室环境下人为地制造出一定的俯仰角来满足条件,观察系统的误差曲线。

将系统固定于转台上,调整转台使其归零定北,按照标定方法标定罗盘,并由串口输出到PC机上,通过串口调试软件显示记录方位角数据。依次调整俯仰角度0°、1°、-1°、 3°、-3°,对应每个角度从0°～360°按每0.5°转动转台并记录数据。设两个电子罗盘分别为罗盘A和罗盘B,以0°俯仰角为例,罗盘A的误差曲线如图5所示,罗盘B的误差曲线如图6所示。根据误差图像分析得到罗盘A误差规律基本符合正弦函数变化规律,罗盘B误差规律基本符合余弦函数变化规律。由于罗盘A、B始终在同一测量平面内相互垂直,两者变化是同步的,且相位始终相差90°,因此,与预期的误差变化规律一致。

图5　0°罗盘A误差曲线

图6　0°罗盘B误差曲线

由于两个测量罗盘的型号一致,因此系统误差和干扰误差相同,且二者在方位角测量系统整体转动90°时,可以获得相同的测量效果。基于上述分析,我们对罗盘A、B的测量误差进行线性平均形式的叠加处理。在数据拟合过程中,采用最小二乘多项式拟合方法,对所叠加的误差数据进行处理,曲线如图7所示。

图7　0°罗盘AB误差平均值曲线与拟合后曲线的对比

当俯仰角不同时,方位角数据也会发生变化,因此,对不同的俯仰角条件要进行二次拟合。二次拟合时不是单纯地将函数系数线性平均,而是扩大原始数据的叠加样本,将每组俯仰条件下的数据进行统一的拟合,误差曲线如图8,得到的函数如下:

图8　罗盘AB各条件下误差平均值曲线与拟合曲线对比

y=-0.01199309638923x4+0.196955718078292x3

-0.932307210530245x2+1.095540048440864x

+0.353012710884646

(8)

通过拟合可以将两个测量精度为±1°的罗盘所测得数据进行处理,提高精度至±0.5°;同时可以在一定程度上消除不同俯仰条件下所造成的误差。满足方位角测量在±3°的动态变化范围内的测量精度。

六、结束语

采用电子罗盘的方位角测量系统可应用于信息化弹药的方位测量中,具有小型化、低功耗、高精度、高性价比的优良性能。罗盘上的两轴地磁传感器可以较为精确地测量水平于地球表面的飞行体方位角。而采用双电子罗盘的系统测量误差更小,测量精度更高。总的来说,电子罗盘的应用领域日趋广泛,未来必将发挥越来越重要的作用。

参考文献：

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[3]程全,樊宇.磁航向传感器的应用与分析[J].煤炭技术,2011,30(4):152-154.

[4]付敬奇.智能磁方位传感器设计[J].仪器仪表学报,2004,25(4):171-174.

[5]上海直川信息技术有限公司.ZCC212N-232电子罗盘使用手册[EB/OL].(2015-10-03)[2015-11-03].http://wenku.baidu.com/view/e803aadaa58da0116c174929.html.

[6]Honeywell.低成本罗盘(设计参考)[EB/OL].(2015-10-03)[2015-11-03].http://wenku.baidu.com/view/76cab0c7aa00b52acfc7ca00.html.

[7]韩希安.无线电频谱监测系统中测向和定位子系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2012:24-26.

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[9]马成瑶.智能内窥镜形状感知系统的基准空间姿态实时检测研究[D].上海:上海大学,2008:51-53.

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[责任编辑李潜生]

Research on the Application of Electronic Compass in the Flight Body Azimuth Measurement System

CHENG Ying,ZHU Lian

(Electronic Information Department, Anhui Business Vocational College, Hefei 231131, China)

Abstract:In order to measure the azimuth of the flight body accurately, the flight body azimuth measurement system based on electronic compass is designed. First，the scheme of the azimuth measurement system is designed. Second，the solution to system error is discussed. Third, the measurement method of double compass precision is proposed and the precision control model is established. Lastly, the experiment results show that the measurement accuracy of the double compass azimuth measurement system is higher than that of the single compass system.

Key words:electronic compass；geomagnetic sensor；azimuth；error

中图分类号：V441

文献标识码：A

文章编号：1008-6021(2016)01-0121-04

作者简介：程颖(1982-),女,安徽省明光市人,讲师,硕士,安徽工商职业学院电子信息系。

基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重点项目(项目编号：KJ2015A450)；安徽省高等学校自然科学研究一般项目“基于地磁传感器的电视侦察弹方位测量系统的研究”(项目编号：KJ2016B006)。

收稿日期：2015-11-03