基于MEMS傳感器的電子羅盤設計

摘 要：電子羅盤是一種通過測量地球磁場獲得載體航向角的設備。利用MEMS三軸磁阻傳感器和Atmega128單片機設計了一種高集成度、低功耗、小型化的電子羅盤。介紹了電子羅盤的設計原理及其具體實現，分析了系統測量精度的誤差來源，并通過最小二乘法對其進行誤差補償。實驗結果表明，在對硬磁材料引起的半圓羅差和軟磁材料引起的圓周羅差及象限羅差的誤差補償后，系統航向角誤差可從±24.5°提高到±2.5°。

關鍵詞：載體航向角測量；電子羅盤；磁阻傳感器；誤差補償

中圖分類號：TP212.9；V241.61+1文獻標識碼：A文章編號：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

電子羅盤作為導航測量系統的重要組成部分，能夠實時提供載體航向角[1]，被廣泛應用于汽車、航海、航空、航天等領域。隨著微電子技術的飛速發展，尤其是微處理器的廣泛應用，其設計越來越趨于集成度高、體積小、功耗低的發展方向。

本文設計的電子羅盤是基于MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）三軸磁阻傳感器HMC5883L和微控制器Atmega128實現，系統通過數字濾波以及羅差補償算法，測量誤差可降低到±2.5°內；傳感器和微控制器之間通過I2C通信，結構簡單、體積小、實時性好；RS485外部接口，可與其他導航設備以及控制器通信，實現信息的實時交換。

1 系統設計

磁阻傳感器采用的是Honeywell的HMC5883L三維磁阻芯片，HMC5883L附帶Honeywell專利的集成電路，包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準以及12位模數轉換器，內部集成的置位/復位帶，增加了傳感器的抗強磁場干擾能力，消除傳感器內部測量偏差和溫度漂移差值；傳感器通過I2C串行接口輸出三軸磁場數字量，測量磁場強度最大值為8Gauss，其測量范圍可以根據測量精度和周圍磁場環境，通過對磁阻傳感器的配置進行調節，地球磁場強度為0.5～0.6Gauss，為了提高測量精度，本文設計中采用的測量范圍是0～0.88 Gauss。

微控制器采用Atmel的Atmega128單片機，RISC結構、快速單周期指令系統，并具備1MIPS/MHz的高速運行處理能力，可以快速實現浮點數硬件乘法運算，內部集成I2C，UART串行通信接口，簡化系統外圍電路設計。

電子羅盤通過RS485接口與外部設備通信，差分信號傳輸，在復雜的環境下有一定的抗干擾能力。

1.3 軟件設計

2.1 誤差分析

系統采用三軸磁阻傳感器設計，集成度高，降低了系統設計過程中的制造誤差和安裝誤差。航向傳感器的主要誤差是周圍工作環境造成的羅差，羅差對精度的影響最大可達幾十度，羅差分硬磁材料引起的半圓羅差和軟磁材料引起的圓周羅差及象限羅差[5]。半圓羅差隨著航向角在0°～360°內變化時近似正弦曲線，可表示為Bsinφ+Ccosφ，軟磁材料本身不產生磁場，磁化后影響其周圍磁場，造成的圓周羅差和象限羅差可表示為A+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）。得到羅差方程：

Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin（2φ）+Ecos（2φ）

（5）

對羅差補償后，得實際航向角：

φc=φ-Δφ（6）式中：φc為實際航向角；φ為羅差補償前的航向角；Δφ為羅差；A，B，C，D，E表示羅差補償系數。

2.2 誤差補償

電子羅盤的羅差補償，需針對具體的環境求出羅差補償系數，為了提高補償系數的測量精度，通過實驗方法在0°～360°之間每隔15°共24個實驗點進行航向角測試，得到航向角測量值和測量誤差，采用最小二乘補償法計算出羅差補償系數，代入誤差補償方程。表1為實驗測量數據，通過實驗數據計算羅差補償系數為

[A，B，C，D，E]=[-5.3316，-17.6782，5.8320，1.852，-1.0113]

圖4為表1對應的誤差擬合曲線，從表和圖中可以看出，誤差補償前最大誤差-24.5°，誤差隨著航向角的變化基本為正弦曲線，誤差較大；補償后的航向角誤差在±2.5°內。圖5為誤差補償后，在不同地點、不同時間進行多組實驗的數據擬合曲線以及標準值曲線，曲線基本重合。實驗數據測量都是在俯仰角和滾轉角為零的情況下進行，當引入這兩個姿態角后，對測量精度可能會有一定的影響。

3 結 束 語

本文所設計的系統結構簡單、體積小、功耗低。而且實驗也證明，系統運行穩定，測量誤差基本限定在±2.5°內，系統可應用于普通導航領域。實驗時還發現，該系統可根據具體應用，在相同工作環境下，對測量誤差采用多次羅差補償法進行迭代補償，進一步提高測量精度。

參考文獻：

[1]馬建倉，胡士峰，邵婷婷.三軸磁阻電子羅盤設計[J].火力與指揮控制，2009，334（3）：142-143.

[2]袁信，俞濟祥，陳哲.導航系統[M].北京：航空工業出版社，1993.

[3]張學孚，陸怡良.磁通門技術[M].北京：國防工業出版社，1995.

[4]CarusoMJ.ApplicationsofMagnetoresistiveSensorsin NavigationSystems[J].SAETransactions，1997，106：1092-1098.

[5]部莉.三維磁阻式電子羅盤的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.