地磁传感器飞行器转速测量法研究

顾浩卿，陈 志，孟光韦（上海机电工程研究所，201109）

地磁传感器飞行器转速测量法研究

顾浩卿，陈 志，孟光韦
（上海机电工程研究所，201109）

本文对地磁传感器飞行器转速测量方法进行了分析和研究，并给出了结论及今后的展望、应用。

地磁传感器；转速；测量法

0 引言

现阶段对于飞行器的转速测量，主要的方法有：光电传感器测量法及硅微机械陀螺传感器（简称“MEMS”）测量法，但是光电传感器测量法主要受天气因素限制（在阴天或雨雪天无法感受光强变化且在晴好天气时也宜受到地面反射太阳光源的干扰），而MEMS传感器每个器件的特性均不一致，需在地面进行大量的参数标定后，方可投入使用，且受温度变化影响较大，存在温漂现象。故本文研究了一种新型的对于飞行器转速的测量方法，即地磁传感器测量法。

1 地磁传感器测量原理

地磁传感器可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出，其由在硅圆片上电积的一个薄层镍铁（或称坡莫合金，或镍铁导磁合金）薄膜制成，并布置成一个惠斯通桥式电阻带，当存在磁场时，薄层镍铁感受到薄膜侧的外部磁场产生变化，致使磁力线产生旋转，并改变其角度，这又使电阻值发生变化（△R/R）并造成惠斯通电桥的电压输出相应的变化。这种镍铁电阻的变化被称作磁阻效应，它直接与电流的方向和磁化矢量有关。

2 地磁传感器在各个领域的测量应用

随着地磁传感器技术的成熟及制造业的精密生产，地磁传感器相对于其他传统的传感器测量技术而言，其尺寸更小，最大不超过几个毫米，最小的甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加的微小，在汽车、生物医学、环境监测、电子通信等人们所接触到的各个领域均有着广泛的应用前景：

a.智能手机中的电子指南针利用地磁场与手机内置的地磁传感器，实现了地理方向定位功能。当指南针的指针方向有变化时，说明手机内置地磁传感器感受到了地磁场的变化。相对于传统的GPS定位功能来说，其信号不受地形、地物遮挡影响，尤其在高楼林立区域和植被茂密的林地，GPS定位信息的准确性仅为60%，而地磁传感器则保证了定位信息100%的准确性。

b.现今的汽车电子行业，已开始大量使用设有地磁传感器装置的路侧停车场及地下停车场，用于监测车辆停放信息。其工作原理也相当的通俗易懂，就像蝙蝠的回声定位功能一样，当发送的信号被弹回就意味着前方有障碍物，发送的信号畅通就意味着前方空闲。

现今，地磁传感器在航空、航天、军事等高科技前沿领域，也逐渐开始了其设计应用。

3 地磁传感器在飞行器中的转速测量应用研究

3.1 HMC2003三轴型地磁传感器技术特性

飞行器在空中飞行中主要感受不同飞行地域、不同飞行高度的地磁场变化，地球的地磁场变化范围为±（0.5～0.6）Gs，故可选用覆盖地球磁场量程范围的一款三轴地磁传感器，本文中选用了霍尼韦尔公司的HMC2003三轴型地磁传感器测量模块为应用研究对象。（测量参数见表1所示。）

表1 HMC2003三轴型地磁传感器测量参数表

单独对HMC2003三轴型地磁传感器进行参数及零位噪声测试，测试数据见表2及表3所示。

注：表中输出幅值量之差即表示地球磁场的变化量，例：2.52-2.08=0.44V=0.44高斯。

表3 HMC2003三轴型地磁传感器零位噪声测试数据表

由上述数据可知，HMC2003三轴型地磁传感器对X轴、Y轴、Z轴各个方向旋转性能测试灵敏度高且零位噪声小，输出稳定。

3.2 HMC2003三轴型地磁传感器在飞行器中的转速测量应用方案

飞行器中的程序指令舱或制导舱功能是通过各类传感器探测、识别飞行器在空中的运动特性（高低、方位、俯仰、转速等），采集信息形成控制指令，操纵飞行器稳定飞行。

以某小型飞行器程序指令舱为例，将HMC2003三轴型地磁传感器固定于舱体头部（用以敏感飞行器飞行过程中的地磁场变化量），通过程序指令舱中部电路组合的DC-DC电源模块LSA28D1505为其提供+15V供电电源，并将地磁传感器X轴、Y轴、Z轴三路输出信号以屏蔽导线形式引至电路组合中的信号转换电路及CPU芯片C8051F045（见图2所示）进行信号处理后，发出控制指令至后级执行机构控制飞行器稳定飞行。

4 地面仿真试验验证

将安装有地磁传感器的飞行器舱体固定于地面用的三轴半实物仿真转台回转中心内，见图3所示。

图2 传感器测量电路框图

图3 飞行器转速测量连接示意图

设置仿真转台回转中心转速，分别在5转、10转、15转、20转、15转+平面摆（3°+2Hz）、15转+平面摆（3°+5Hz）、15转+圆锥摆（3°+2Hz）、15转+圆锥摆（3°+5Hz）的条件下，对地磁传感器的输出信号进行监测，其输出性能见图4所示。

图4 a-地磁传感器输出信号图（5转）

图4 b-地磁传感器输出信号图（20转

表2 HMC2003三轴型地磁传感器参数测试数据表

图4 c-输出信号图（15转+平面摆3°、2Hz）

图4 d-输出信号图（15转+圆锥摆3°、5Hz）

5 研究结论及展望

由仿真结果可知，在转速为0～20转及转台摆动0～5Hz的条件下，地磁传感器的三轴信号旋转输出与基准信号保持一致，能准确测量飞行器的转速，并且通过对三轴信号的解算，其电压波动量也与转台摆动角度保持一致。

故可将此套测量方法用于导航控制，既能准确测量飞行器的旋转频率，也能得知飞行器的方位、俯仰、高低方向的角度值。且地磁传感器可全天候的对飞行器转速及姿态进行测量，不受环境因素干扰，稳定可靠，在无人机迅速发展的领域，应可大为广泛的进行实际应用。

［1］传感器原理与检测技术，钱爱玲、钱显毅，机械工业出版社2015年08月01日。

［2］现代传感器原理及应用，张志勇，电子工业出版社2014年01月01日。

［3］地磁导航原理，杨晓东、王炜，国防工业出版社2009年09 月01日。

Geomagnetism Sensor's air rotating frequency testing method research

Gu Haoqing，Chen Zhi，Meng Guangwei
（Shanghai Electromechanical Engineering Institute，201109）

This article analyzes and researches Geomagnetism Sensor 's air rotating frequency testing method and gives the conclusion，expectation，application for the future.

Geomagnetism Sensor；rotation；testing method