付士民， 孫立凱， 于建楠， 齊　娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

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高精度磁羅經(jīng)傳感器設(shè)計(jì)

付士民， 孫立凱， 于建楠， 齊娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:設(shè)計(jì)了一種基于磁感效應(yīng)的磁羅經(jīng)傳感器，該傳感器采用了納米坡莫合金材料模壓形成單軸向磁芯，并在磁芯上采用密繞法纏繞漆包線形成磁感應(yīng)傳感器。磁感應(yīng)傳感器通過LR諧振施密特觸發(fā)器電路處理，將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。通過基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的高精度頻率計(jì)提取磁羅經(jīng)頻率信號(hào)。磁羅經(jīng)傳感器采用四點(diǎn)修正法來補(bǔ)償背景磁干擾信號(hào)，同時(shí)采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)采集三維加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行智能姿態(tài)自補(bǔ)償，使傳感器具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。經(jīng)測(cè)試，該羅經(jīng)具有精度高，穩(wěn)定性高，功耗低，體積小，且具備智能自補(bǔ)償功能等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:磁感效應(yīng)； 磁羅經(jīng)； 姿態(tài)補(bǔ)償； LR諧振施密特觸發(fā)器電路

0引言

智能磁羅經(jīng)傳感器是一種利用地球磁場(chǎng)測(cè)量方向的重要導(dǎo)航裝置，能實(shí)時(shí)提供機(jī)動(dòng)目標(biāo)的航向和姿態(tài)，廣泛地應(yīng)用在航空、航海、車載定位、深海探測(cè)等領(lǐng)域。隨著微電子學(xué)與通信技術(shù)的發(fā)展，將磁羅經(jīng)傳感器與三軸加速度傾角傳感器相結(jié)合，并采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來補(bǔ)償磁傳感器的傾角誤差，以數(shù)字量形式給出準(zhǔn)確的地理航向角，使得磁羅經(jīng)傳感器具備智能自動(dòng)校準(zhǔn)功能[1]。

地球磁場(chǎng)強(qiáng)度大約為0.5～0.6 Gs，與地球表面平行的分量總是指向磁北極。目前的電子磁羅經(jīng)按設(shè)計(jì)原理分為三種：磁通門式，磁阻效應(yīng)式和磁感效應(yīng)式。為了達(dá)到較高的靈敏度，磁通門式磁羅經(jīng)傳感器必須增加線圈橫截面積，所以，傳感器通常存在體積大、功耗大、處理電路相對(duì)復(fù)雜、成本高等問題。磁阻效應(yīng)式磁羅經(jīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、線性度好等特點(diǎn)，但是其靈敏度、線性度與量程相互制約，存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量[2]。磁感效應(yīng)式傳感器是一種新型器件，采用磁感效應(yīng)原理，能夠滿足高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量，因其輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，易于數(shù)字信號(hào)處理，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高以及可靠性好等特點(diǎn)[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于磁感效應(yīng)的磁羅經(jīng)傳感器，該傳感器采用了納米坡莫合金材料模壓形成單軸向磁芯，并在磁芯上采用密繞法纏繞漆包線形成磁感應(yīng)傳感器。磁羅經(jīng)傳感器基于DSP采用四點(diǎn)修正法來補(bǔ)償背景磁干擾信號(hào)，采集三維加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行智能姿態(tài)自補(bǔ)償技術(shù)，使磁羅經(jīng)傳感器具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。

1磁羅經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)與原理

磁感應(yīng)傳感器運(yùn)用線圈磁感效應(yīng)來檢測(cè)地磁場(chǎng)。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，用坡莫合金材料模壓?jiǎn)屋S磁芯，并采用密繞法在軸向磁芯上纏繞0.01 mm漆包線形成感應(yīng)線圈，每個(gè)軸的電感值在500 μH左右，根據(jù)需要得到的電感進(jìn)行匝數(shù)、銅線、磁芯材料的選取。根據(jù)線圈電感量計(jì)算公式

(1)

其中，L為線圈電感量 ，D為線圈直徑，N為線圈匝數(shù)，l為匝線圈長(zhǎng)度，k為坡莫合金磁導(dǎo)率系數(shù)[4]。

圖1　磁羅經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Structure diagram of magnetic compass sensor

磁感應(yīng)傳感器的磁感效應(yīng)原理是運(yùn)用納米坡莫合金和漆包線制作特制電感，在外磁場(chǎng)和線圈電流的影響下，電感的磁性材料會(huì)有磁化效應(yīng)，當(dāng)趨于磁飽和時(shí)，磁導(dǎo)率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H呈反比。鐵芯被磁化時(shí)，會(huì)滿足趨于磁飽和條件電感L和導(dǎo)磁率μ呈正比，所以，通過測(cè)量因磁場(chǎng)變化而引起電感變化來衡量地磁場(chǎng)強(qiáng)度。采用正、反向LR諧振激勵(lì)時(shí)，在有無外磁場(chǎng)HE影響下，磁導(dǎo)率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H會(huì)發(fā)生平移，導(dǎo)致解調(diào)電路輸出信號(hào)正向激勵(lì)輸出信號(hào)周期τp和反向激勵(lì)輸出信號(hào)周期τn不相等，出現(xiàn)時(shí)差，這個(gè)時(shí)差與所測(cè)磁強(qiáng)度呈正比，因此，通過檢測(cè)時(shí)差就可以檢測(cè)對(duì)應(yīng)地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化[5]。

2智能磁羅經(jīng)傳感器關(guān)鍵技術(shù)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，智能磁羅經(jīng)傳感器包括：磁傳感器激勵(lì)，解調(diào)電路，三維磁感應(yīng)式傳感器，三維加速度傳感器，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的同步A/D轉(zhuǎn)換電路，基于FPGA的高精度頻率計(jì)電路，基于DSP的傾角與磁場(chǎng)數(shù)據(jù)融合算法處理電路以及RS—485數(shù)字通信接口。

圖2　總體方案設(shè)計(jì)示意圖Fig 2　Diagram of overall scheme design

其中,激勵(lì)、解調(diào)電路采用LR施密特觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)，正、反向驅(qū)動(dòng)激勵(lì)選擇電路采用模擬開關(guān)來設(shè)計(jì)。FPGA采用Altera公司的EP2C8T144C8N芯片。DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片，該芯片資源豐富，支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算，主頻150 MHz，片上FLASH：256 k×16位，具有SPI，I2C，PWM等接口模塊，滿足設(shè)計(jì)的使用要求。三維加速度傳感器采用KXR94—2050傳感器，其三路模擬信號(hào)輸出，量程為±2gn，非線性為0.1 %FS。AD芯片采用MAX313，具有16位精度，最高轉(zhuǎn)換速度最快為200 ksps。

智能磁羅經(jīng)傳感器的傾角修正電路采用基于FPGA的同步解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步采集傾角信號(hào)。本設(shè)計(jì)利用FPGA的并行處理信號(hào)能力，采集加速度傳感器信號(hào)，消除時(shí)差影響，最終采用卡爾曼濾波技術(shù)融合算法，解算補(bǔ)償磁傳感器傾角誤差。

本文采用四點(diǎn)法補(bǔ)償算法來修正磁羅經(jīng)所處環(huán)境背景中的軟磁和硬磁干擾。利用DSP采集三維磁感應(yīng)式傳感器測(cè)量的地磁場(chǎng)X，Y軸分量，并經(jīng)過數(shù)字補(bǔ)償運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)修正，最終消除背景磁干擾。

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1磁感傳感器激勵(lì)與解調(diào)電路設(shè)計(jì)

本文采用LR施密特觸發(fā)器電路來激勵(lì)磁感傳感器，并采用模擬開關(guān)來控制電路的正、反向激勵(lì)[6]。

LR施密特觸發(fā)器電路，如圖3所示，由74lS14芯片與電阻器組成。

圖3　LR施密特觸發(fā)器電路Fig 3　LR Schmitt trigger circuit

正、反向激勵(lì)選擇電路采用模擬開關(guān)MAX313芯片設(shè)計(jì)，通過控制IN1，IN2，IN3，IN4來實(shí)現(xiàn)磁感傳感器的激勵(lì)方向，如圖4所示。

圖4　MAX313模擬開關(guān)激勵(lì)方向選擇控制電路Fig 4　MAX313 analog switch excitition direction selection control circuit

2.2.2磁感傳感器三維加速度電路設(shè)計(jì)

三維加速度傳感器電路采用KXR94—2050集成芯片設(shè)計(jì)，如圖5所示，其只需簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)就可以獲得三軸加速度信號(hào)值。

圖5　三維加速度電路設(shè)計(jì)Fig 5　Design of 3D acceleration circuit

2.3補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

2.3.1四點(diǎn)磁羅經(jīng)補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的羅經(jīng)補(bǔ)償算法基于傅里葉序列模型的補(bǔ)償算法，由所處環(huán)境場(chǎng)提供基準(zhǔn)航向值，補(bǔ)償算法根據(jù)基準(zhǔn)值來計(jì)算，補(bǔ)償磁羅經(jīng)誤差，模型可以表達(dá)為

Δφ=a+bsinφ+ccosφ+dsin 2φ+ecos 2φ.

(2)

其中，Δφ為磁羅經(jīng)誤差；a,b,c,d,e為補(bǔ)償算法的補(bǔ)償參數(shù)；φ為補(bǔ)償之前的磁羅經(jīng)角度。

算法中取傅里葉模型表達(dá)式2階的四點(diǎn)補(bǔ)償，此時(shí)表達(dá)式中d,e為0，所以，只需求出a，b，c，則完成磁羅經(jīng)算法設(shè)計(jì)[7]。

算法標(biāo)定過程：將磁羅經(jīng)傳感器置于水平轉(zhuǎn)臺(tái)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，利用水平轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定四點(diǎn)方位：0°，90°，180 °，270°。從磁羅經(jīng)傳感器得到四基準(zhǔn)點(diǎn)的航向角度，求出所得測(cè)量航向角與基準(zhǔn)值的誤差，分別記為Δφ1，Δφ2，Δφ3，Δφ4,則利用最小二乘法可求得

(3)

(4)

(5)

將a,b,c代入到式(2)中，則可以求出Δφ，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁羅經(jīng)的誤差補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)，去除了背景磁干擾[8]。

2.3.2傾角補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

(6)

(7)

(8)

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文將磁羅經(jīng)傳感器置于水平轉(zhuǎn)臺(tái)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，利用四點(diǎn)磁羅經(jīng)補(bǔ)償修正法來去除背景磁干擾，如圖6所示，修正前由于背景磁干擾，磁羅經(jīng)傳感器出現(xiàn)偏心，橢圓變形等誤差，修正后圓心恢復(fù)到原點(diǎn)，而且,橢圓波形失真得到修復(fù)，從實(shí)驗(yàn)中可以看出，補(bǔ)償算法可以有效地補(bǔ)償磁羅經(jīng)誤差。

圖6　四點(diǎn)磁羅經(jīng)修正算法結(jié)果示意圖Fig 6　Diagram of 4 point magnetic compass correctionalgorithm result

磁羅經(jīng)傳感器在傾角小于5°，測(cè)試環(huán)境溫度為25 ℃環(huán)境下，傳感器測(cè)量誤差如表1所示，在0～360°平均取12點(diǎn)，測(cè)量磁羅經(jīng)航向角度值，經(jīng)測(cè)試，航向角度誤差小于0.8°。

表1　磁羅經(jīng)傳感器誤差測(cè)試數(shù)據(jù)

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的磁羅經(jīng)傳感器采用坡莫合金和漆包線制作特制電感來測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度。采用三維加速度傳感器融合算法補(bǔ)償磁羅經(jīng)傳感器傾角誤差。背景磁干擾智能補(bǔ)償方法采用四點(diǎn)磁羅經(jīng)補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)來補(bǔ)償傳感器所處環(huán)境中軟、硬磁對(duì)其的干擾，該方法簡(jiǎn)便、實(shí)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：傳感器在傾角小于5°條件下，磁航向角度誤差小于0.8°。該磁羅經(jīng)傳感器具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低、體積小，且具備智能自補(bǔ)償功能等特點(diǎn)，具有很好的推廣和應(yīng)用前景。

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付士民(1984-)，男，黑龍江綏化人，碩士，主要研究方向?yàn)槲锢韨鞲衅髟O(shè)計(jì)與研究。

Design of high precision magnetic compass sensor

FU Shi-min, SUN Li-kai, YU Jian-nan, QI Na

(The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

Abstract:Design a magnetic compass sensor based on magnetic induction effect,the single axial core sensor is formed by nano Pomo alloy material molding,and it is produced on magnetic core,which is wound with the wire winding.The magnetic induction sensor is processed by LR resonant Schmidt trigger circuit,and magnetic field intensity signal is converted to frequency signal.Adopt high precision frequency meter based on FPGA to extract magnetic compass frequency signal.Magnetic compass sensor uses four points correction method to compensate background magnetic interference signal,at the same time,DSP is used to capture signal of 3D acceleration sensor in order to carry out intelligent attitude self-compensation,which makes the sensor have good environment adaptability.The results show that the sensor has advantages of high precision,high stability,low power consumption,small size and has intelligent self-compensation function.

Key words:magnetic induction effect; magnetic compass; attitude compensation; LR resonant Schmidt trigger circuit

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào):TN 23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)01—0104—03

收稿日期：2015—10—16

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0104—03