摘  要： 介紹了三軸磁阻傳感器MMC3120MQ的技術(shù)特點(diǎn)，并利用此傳感器、三軸加速度傳感器ADXL335和微控制器MSP430F2618設(shè)計(jì)了一種具有傾斜補(bǔ)償功能的手持式電子羅盤(pán)。詳細(xì)分析了磁阻傳感器的誤差模型，并給出了基于最小二乘橢球擬合的誤差補(bǔ)償算法。在無(wú)磁測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該電子羅盤(pán)能夠達(dá)到較高的精度，水平放置時(shí)航向角絕對(duì)誤差最大值為1.2°左右，可廣泛應(yīng)用于民用導(dǎo)航領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞： 電子羅盤(pán)；磁阻傳感器；加速度傳感器；傾角補(bǔ)償

　電子羅盤(pán)是一種重要的導(dǎo)航定位工具，通過(guò)磁敏傳感器測(cè)量地球磁場(chǎng)，能夠?qū)崟r(shí)提供運(yùn)動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。磁敏傳感器是傳感器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，近年來(lái)，隨著磁性薄膜的各向異性磁阻效應(yīng)和鐵磁/非磁金屬多層結(jié)構(gòu)薄膜的巨磁電阻在國(guó)外引起了基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用方面的高度重視，薄膜磁阻傳感器迅速成為磁性傳感器技術(shù)中最活躍的一個(gè)分支。磁阻傳感器具有體積小、功耗低、易于安裝，且溫度特性好、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，使基于磁阻傳感器的電子羅盤(pán)越來(lái)越受到人們的重視[1]。隨著當(dāng)前通信技術(shù)、汽車(chē)電子、太陽(yáng)能發(fā)電架跟蹤器和智能手機(jī)的快速發(fā)展，三維電子羅盤(pán)作為航向、俯仰和翻轉(zhuǎn)等參數(shù)的測(cè)量而得到大量的使用。
1 電子羅盤(pán)工作原理
　地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5~0.6 G，無(wú)論何地，磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，這是所有磁羅盤(pán)的制作基礎(chǔ)。三維電子羅盤(pán)能實(shí)時(shí)提供活動(dòng)物體的航向角、俯仰角和橫滾角，通過(guò)這三個(gè)角度可確定物體的姿態(tài)參數(shù)，實(shí)際上就是確定了載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系，如圖1所示。三維電子羅盤(pán)可以在任意姿態(tài)進(jìn)行地磁場(chǎng)分量的測(cè)量，得到羅盤(pán)表面三個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Mbx、Mby、Mbz。然后根據(jù)三軸加速度傳感器測(cè)得重力加速度在羅盤(pán)表面三個(gè)方向的重力加速度分量為Gx、Gy、Gz，根據(jù)公式求得俯仰角θ，橫滾角γ[2]。在三維空間內(nèi)，當(dāng)載體機(jī)體坐標(biāo)系的XY平面不在水平面內(nèi)，即載體存在橫滾角γ和θ俯仰角時(shí)(如圖1)，需要將沿機(jī)體坐標(biāo)系測(cè)量的地磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換到地平坐標(biāo)系h系內(nèi)，求解載體的磁航向角。機(jī)體坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為：


2.1 傳感器部分
　MMC3120MQ是MEMSIC公司2009年推出的三軸AMR(Anisotropic Magnetoresistant)各向異性磁阻傳感器，它具有I2C數(shù)字接口，可直接連接微控制器，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)非常方便，并且芯片內(nèi)部已經(jīng)集成復(fù)位/置位功能，可以抵御強(qiáng)磁破壞。MMC3120MQ的工作電壓范圍為2.7 V~5.25 V，工作溫度范圍為-40°C~+85°C，分辨率為512 counts/gauss，可滿足民用領(lǐng)域的應(yīng)用要求。
　ADXL335是ADI公司一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的MEMS三軸加速度傳感器，以最小±3 g的滿量程范圍測(cè)量加速度，并提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，可直接接入A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)對(duì)測(cè)得的加速度值進(jìn)行運(yùn)算即可得到載體的俯仰角和橫滾角。

2.2 MCU部分
　MSP430F2618是一款TI公司推出的最低功耗16 bit通用MCU。由于在3.3 V電壓下實(shí)現(xiàn)了16 MHz的全速處理器狀態(tài)，電池使用壽命與系統(tǒng)成本得以進(jìn)一步優(yōu)化。 該產(chǎn)品中的片上選項(xiàng)包括八通道12 bit ADC，通用串行通信接口(UCSI)能通過(guò)靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案(支持I2C、SPI、IrDA與UART)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。MSP430F2618通過(guò)I2C接口直接與磁阻傳感器連接，使用三個(gè)12 bit ADC通道與ADXL335的電壓輸出端口連接，因此可快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果，最后在LCD顯示模塊PCF8833上顯示結(jié)果。
3 誤差分析與軟件設(shè)計(jì)
　磁阻傳感器通過(guò)感知地磁場(chǎng)大小和方向來(lái)確定航行角，當(dāng)沒(méi)有誤差的情況下，磁阻傳感器的X、Y、Z軸輸出可用圖3(a)表示，在坐標(biāo)系上映射出一個(gè)球體。但是由于傳感器本身的制作工藝，安裝誤差及周?chē)h(huán)境的鐵磁干擾等因素影響，航行角誤差是不可避免的。電子羅盤(pán)的誤差主要分為：制造誤差、安裝誤差和環(huán)境誤差等。制造誤差可分為三類(lèi)：零位誤差、靈敏度誤差、正交誤差。其中，零位誤差為單周期誤差，靈敏度誤差為雙周期誤差，而正交誤差則由常值誤差和雙周期誤差構(gòu)成。安裝誤差造成磁航行角存在常值誤差。環(huán)境誤差產(chǎn)生于使用環(huán)境的鐵磁介質(zhì)材料，包括軟鐵干擾和硬鐵干擾。其中軟鐵誤差與制造類(lèi)誤差模型類(lèi)似，而硬鐵誤差則屬于零位誤差[3]。在零位誤差和靈敏度誤差的情況下磁阻傳感器的X、Y、Z軸輸出可用圖3(b)表示；同時(shí)如果還有軟磁干擾和正交誤差，則磁阻傳感器的X、Y、Z軸輸出可用圖3(c)表示。

　針對(duì)以上誤差，本文使用最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法擬合磁阻傳感器輸出值映射的橢球曲面。圖3所示的橢球曲面可用二次多項(xiàng)式方程表示：

　式(5)描述的最小二乘問(wèn)題具有橢球擬合唯一解，且為全局最小解?；谧钚《藱E球擬合磁誤差補(bǔ)償算法的基本設(shè)計(jì)思路是：使磁阻傳感器在環(huán)境磁場(chǎng)中均勻地進(jìn)行一次三維全方位的旋轉(zhuǎn)，微控制器按一定的采樣頻率同步采集原始磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法得到式(5)的系數(shù)，根據(jù)系數(shù)即可求得磁阻傳感器三軸輸出橢球曲面模型的中心點(diǎn)、靈敏度和橢球的傾斜度，由此完成磁阻傳感器三軸數(shù)據(jù)的歸一化過(guò)程，最后使用式(4)求得誤差修正后的磁航向角值。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　本文根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案研制了手持式三維電子羅盤(pán)，并使用電子羅盤(pán)航向角求解算法和最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法編制了在MSP430F2618上運(yùn)行的軟件代碼，最后對(duì)所研制的三維電子羅盤(pán)在無(wú)磁測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。電子羅盤(pán)水平放置并均勻旋轉(zhuǎn)一周，對(duì)每5°為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，得到誤差校正前與誤差校正后的電子羅盤(pán)航向誤差曲線，如圖4所示。未經(jīng)過(guò)誤差校正的電子羅盤(pán)航向角絕對(duì)誤差最大達(dá)到7.5°，經(jīng)過(guò)誤差校正后的航向角絕對(duì)誤差最大為1.2°?？梢?jiàn)使用最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法可有效補(bǔ)償大部分的磁阻傳感器誤差。

　本文使用一種新型的數(shù)字三軸磁阻傳感器和三軸MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)了一款手持式三維電子羅盤(pán)，分析了磁阻傳感器中存在的誤差，提出了最小二乘橢球擬合磁誤差補(bǔ)償算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子羅盤(pán)具有較高的精度和穩(wěn)定性，可用于民用導(dǎo)航領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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