基于MEMS传感器的电子罗盘设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于MEMS传感器的电子罗盘设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：电子罗盘是一种通过测量地球磁场获得载体航向角的设备。利用MEMS三轴磁阻传感器和Atmega128单片机设计了一种高集成度、低功耗、小型化的电子罗盘。介绍了电子罗盘的设计原理及其具体实现，分析了系统测量精度的误差来源，并通过最小二乘法对其进行误差补偿。实验结果表明，在对硬磁材料引起的半圆罗差和软磁材料引起的圆周罗差及象限罗差的误差补偿后，系统航向角误差可从±24.5°提高到±2.5°。
关键词：载体航向角测量；电子罗盘；磁阻传感器；误差补偿
中图分类号：TP212.9；V241.61+1文献标识码：A文章编号：1673-5048（2013）04-0031-03
DesignofElectronicCompassBasedonMEMSSensor
WANGChanggang，GURui，YUYunzhi
（JiangsuAutomationResearchInstitute，Lianyungang222000，China）
Abstract：Electroniccompassisakindofdevice，whichcanacquiretheheadinganglebymeasuring earth′smagneticfield.Ahighlyintegrated，low-powerconsumptionandminiaturizedelectroniccompass isdesignedbyusingMEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）3-axismagnetoresistivesensorand Atmega128microcontroller.Thispaperintroducestheprinciplesoftheelectroniccompass，analysesthe systematicerrorsources，andcomputestheerrorcompensationwithleastsquaredmethod.Experimental resultsshowthattheerrorofheadinganglecanbereducedfrom±24.5°to±2.5°aftererrorcompensationforsemicirculardeviationcausedbyhardmagneticmaterials，circumferentialdeviationandquadrantaldeviationcausedbysoftmagneticmaterial.
Keywords：carrierheadinganglemeasurement；electroniccompass；magnetoresistivesensor；error compensation
0 引 言
电子罗盘作为导航测量系统的重要组成部分，能够实时提供载体航向角[1]，被广泛应用于汽车、航海、航空、航天等领域。随着微电子技术的飞速发展，尤其是微处理器的广泛应用，其设计越来越趋于集成度高、体积小、功耗低的发展方向。
本文设计的电子罗盘是基于mems（MicroElectroMechanicalSystems）三轴磁阻传感器HMC5883L和微控制器Atmega128实现，系统通过数字滤波以及罗差补偿算法，测量误差可降低到±2.5°内；传感器和微控制器之间通过I2C通信，结构简单、体积小、实时性好；RS485外部接口，可与其他导航设备以及控制器通信，实现信息的实时交换。
1 系统设计
磁阻传感器采用的是Honeywell的HMC5883L三维磁阻芯片，HMC5883L附带Honeywell专利的集成电路，包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准以及12位模数转换器，内部集成的置位/复位带，增加了传感器的抗强磁场干扰能力，消除传感器内部测量偏差和温度漂移差值；传感器通过I2C串行接口输出三轴磁场数字量，测量磁场强度最大值为8Gauss，其测量范围可以根据测量精度和周围磁场环境，通过对磁阻传感器的配置进行调节，地球磁场强度为0.5～0.6Gauss，为了提高测量精度，本文设计中采用的测量范围是0～0.88 Gauss。
微控制器采用Atmel的Atmega128单片机，RISC结构、快速单周期指令系统，并具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力，可以快速实现浮点数硬件乘法运算，内部集成I2C，UART串行通信接口，简化系统电路设计。
电子罗盘通过RS485接口与外部设备通信，差分信号传输，在复杂的环境下有一定的抗干扰能力。
1.3 软件设计
2.1 误差分析
系统采用三轴磁阻传感器设计，集成度高，降低了系统设计过程中的制造误差和安装误差。航向传感器的主要误差是周围工作环境造成的罗差，罗差对精度的影响最大可达几十度，罗差分硬磁材料引起的半圆罗差和软磁材料引起的圆周罗差及象限罗差[5]。半圆罗差随着航向角在0°～360°内变化时近似正弦曲线，可表示为Bsinφ+Ccosφ，软磁材料本身不产生磁场，磁化后影响其周围磁场，造成的圆周罗差和象限罗差可表示为A+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）。得到罗差方程：
Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）
（5）
对罗差补偿后，得实际航向角：
φc=φ-Δφ（6）式中：φc为实际航向角；φ为罗差补偿前的航向角；Δφ为罗差；A，B，C，D，E表示罗差补偿系数。
2.2 误差补偿
电子罗盘的罗差补偿，需针对具体的环境求出罗差补偿系数，为了提高补偿系数的测量精度，通过实验方法在0°～360°之间每隔15°共24个实验点进行航向角测试，得到航向角测量值和测量误差，采用最小二乘补偿法计算出罗差补偿系数，代入误差补偿方程。表1为实验测量数据，通过实验数据计算罗差补偿系数为
[A，B，C，D，E]=[-5.3316，-17.6782，5.8320，1.852，-1.0113]
图4为表1对应的误差拟合曲线，从表和图中可以看出，误差补偿前最大误差-24.5°，误差随着航向角的变化基本为正弦曲线，误差较大；补偿后的航向角误差在±2.5°内。图5为误差补偿后，在不同地点、不同时间进行多组实验的数据拟合曲线以及标准值曲线，曲线基本重合。实验数据测量都是在俯仰角和滚转角为零的情况下进行，当引入这两个姿态角后，对测量精度可能会有一定的影响。
3 结 束 语
本文所设计的系统结构简单、体积小、功耗低。而且实验也证明，系统运行稳定，测量误差基本限定在±2.5°内，系统可应用于普通导航领域。实验时还发现，该系统可根据具体应用，在相同工作环境下，对测量误差采用多次罗差补偿法进行迭代补偿，进一步提高测量精度。
参考文献：
[1]马建仓，胡士峰，邵婷婷.三轴磁阻电子罗盘设计[J].火力与指挥控制，2009，334（3）：142-143.
[2]袁信，俞济祥，陈哲.导航系统[M].北京：航空工业出版社，1993.
[3]张学孚，陆怡良.磁通门技术[M].北京：国防工业出版社，1995.
[4]CarusoMJ.ApplicationsofMagnetoresistiveSensorsin NavigationSystems[J].SAETransactions，1997，106：1092-1098.
[5]部莉.三维磁阻式电子罗盘的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.