HMR2300磁場計|磁力計導(dǎo)航應(yīng)用

磁力計是重要的姿態(tài)估計傳感器之一，其測量信息中包含航向角估計所需的信息（僅憑加速度與角速度是無法得到長期穩(wěn)定的航向角的），盡管它是能夠單獨解算長期穩(wěn)定航向角信息的傳感器，卻是常用的傳感器。磁力計與加速度計有著異曲同工之妙。加速度計通過測量重力加速度（需要從測量值中去除線性加速度），對載體姿態(tài)進行估計；磁力計則通過測量地磁場矢量，對姿態(tài)進行估計。與加速度計不同的是，由于地磁場十分微弱，環(huán)境磁場的輕微變化都有可能對其產(chǎn)生較大影響。因此，磁力計的安裝位置需要盡可能遠離載體上的強磁干擾（如電源線、強磁負載等等）。此外，在載體磁場環(huán)境發(fā)生較大變化后，均需要對磁力計參數(shù)進行校準，而加速度計則只要傳感器未發(fā)生位移，一般情況下不需要重復(fù)校準。磁力計（磁場計）是一個極為敏感的器件，在無人機的整個導(dǎo)航系統(tǒng)中，屬于“高?！逼骷虼?，針對其故障保護需要設(shè)計較多的算法邏輯去保證導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性。

目前, 導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車、航海、航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。電子羅盤是導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。GPS導(dǎo)航定位的缺陷

 1、雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號常被地形、地物遮擋，導(dǎo)致精度大大降低,其信號可用性僅為60% ，甚至不能使用。

產(chǎn)生不準確定位的原因包括：

①多路徑效應(yīng)：建筑物對GPS信號的反射;

②陰影：城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被下，信號接收效果較差;

③在隧道、地下停車廠造成的信號失鎖;

④在接收信號差的地區(qū)延長了初始化時間;

⑤一些動態(tài)影響，如汽車大幅度增速與減速等。

以上原因都會導(dǎo)致GPS無法提供任何位置或者定位精度陡然下降。

2、在靜止的情況下，GPS也無法給出航向信息。

高精度磁場計|磁力計可以對GPS信號進行有效補償，保證導(dǎo)航定向信息100%有效，即使是在GPS信號失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。

3、安 全及可靠性風(fēng)險。

將GPS與HMR2300磁場計|磁力計相結(jié)合，二者相互補充，組合使用是導(dǎo)航領(lǐng)域的理想選擇。美國雖然其完全獨立掌握GPS 的衛(wèi)星資源，但為了使系統(tǒng)更加可靠，使導(dǎo)航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要裝備上仍加裝了C100電子羅盤。

相對于其他導(dǎo)航手段而言,地磁導(dǎo)航起步得比較晚。在20世紀60年代中期,美國的E2systems公司提出了基于地磁異常場等值線匹配的MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系統(tǒng), 70年代獲得測量數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)進行了離線實驗。20世紀80年代初,瑞典的Lund學(xué)院對船只的地磁導(dǎo)航進行了實驗驗證,實驗中將地磁場強度的測量數(shù)據(jù)與地磁圖進行人工比對,確定船只的位置,同時根據(jù)距離已知的兩個磁場計|磁力計傳感器的輸出時差,確定船只的速度。地磁場模型與地磁圖是研究地磁導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ),地磁場建模和地磁圖的準確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。

地磁場和航向角：地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強度為0.3至0.6高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間) 而異。

如圖所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和當?shù)氐乃矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌龇较騼A斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強度大小的單位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保持電子羅盤和當?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來。

 實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角(Azimuth)就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測數(shù)據(jù)就可以計算出航向角。當羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0~360度之間變化。

早期,采用機械式磁羅盤。機械式磁羅盤主要由若干平行排列的磁針、刻度盤和磁誤差校正裝置組成,磁針固裝在刻度盤背面,在地磁影響下,磁針帶刻度盤轉(zhuǎn)動,用以指出方向。隨著適宜于地磁場測量的磁通門傳感器及AMR傳感器的出現(xiàn),磁電子羅盤逐漸問世。這種電子式的磁羅盤相對于機械式磁羅盤具有一些突出的優(yōu)點,如抗沖擊性、抗震性,能夠?qū)﹄s散磁場進行補償,輸出電信號,可方便地與其它電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。

 1、當儀器與地表面平行時，僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位值。

2、當儀器發(fā)生傾斜時，方位值的準確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來測量俯仰和側(cè)傾角，這個俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，將磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位置“拉”回到水平的位置。

標準的轉(zhuǎn)換計算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

其中，Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值，X、Y、Z為三個方向的矢量值，α為俯仰角，β為側(cè)傾角。

電子羅盤主要用途

1、電子羅盤主要用于輔助GPS導(dǎo)航及在靜止狀態(tài)獲取航向，具體包括加速度和方向的定位、傾角測量等功能。

2、加速度和方向的定位。電子羅盤應(yīng)用三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償，可以和GPS配合可以做盲區(qū)導(dǎo)航，和GOOGLE地圖配合可以做導(dǎo)航，還可以和加速度配合做三維定位，還可以根據(jù)電子羅盤的讀數(shù)，地圖自動旋轉(zhuǎn)到用戶方便讀取的方向，讓顯示的地圖方向始終按照你的行進方向自動變換，也就是可以把它當做專業(yè)的指南針使用，說的簡單點也就是加速度和方向的定位。

3、傾角測量。三維的電子羅盤，不僅具有指南針功能，還可以實現(xiàn)傾角的測量，和陀螺儀類似，站在一個斜坡上，可以計算出這個斜坡的角度，不過重要的就是都可以在開飛機的時候使用，不干擾飛機飛行。

電子羅盤的缺陷：電子羅盤的原理是測量地球磁場，但若使用的環(huán)境中有除了地球以外的磁場且這些磁場無法有效屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。

 三軸電子羅盤集成三軸磁通門傳感器，在平面電子羅盤基礎(chǔ)上加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準確無誤。通過中央處理器實時解算航向，以及使用三軸加速度計對大范圍內(nèi)的傾斜角進行航向補償，保證羅盤在傾斜角度高達±90°也能提供高精度的航向數(shù)據(jù)。

電子羅盤按照傳感器的不同分為：

磁阻效應(yīng)傳感器：根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器的靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件，使它在某些應(yīng)用場合能夠與磁通門競爭。但是其固有的缺點翻轉(zhuǎn)效應(yīng)缺點使得磁阻效應(yīng)傳感器在集成入微系統(tǒng)時的強的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

 霍爾效應(yīng)傳感器：根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成。優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強磁場的測量。缺點是有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等，一般都是用于要求不高的場合。

磁通門傳感器：根據(jù)磁飽和法原理制成，利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。從三者的比較來看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，優(yōu)勢明顯，是電子羅盤的發(fā)展方向。

電子羅盤的結(jié)構(gòu)組成：一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響。

目前的車載導(dǎo)航儀許多都整合了GPS和電子羅盤。特別是經(jīng)常進行越野活動的車主更是需要選擇帶電子羅盤的導(dǎo)航儀或多功能電子羅盤。由于GPS導(dǎo)航在一些地形復(fù)雜地區(qū)信號受到遮蔽，無法滿足正常的導(dǎo)航功能，而電子羅盤具有不需要接收信號的特點，可輔助導(dǎo)航。此外還有多功能電子羅盤，這種羅盤一般集GPS氣壓測高儀和磁力線羅盤為一體，可以在高山等特殊環(huán)境下及時反映氣壓和高度的細微變化，而且在屏蔽狀態(tài)下也能顯示運動方向。無需配帶羅盤、角規(guī)、測高儀等繁瑣物件，方便用戶在戶外的工作旅行。

無人機導(dǎo)航定位：電子羅盤作為無人機產(chǎn)品的重要組件，承載著為無人機引導(dǎo)絕 對方位的功能。在無人機中，電子羅盤提供關(guān)鍵性的慣性導(dǎo)航和方向定位系統(tǒng)的信息。

 機器人導(dǎo)航定位：如今機器人大家已經(jīng)不陌生了，各種玩具機器人，家庭服務(wù)機器人、醫(yī)療服務(wù)機器人、點餐機器人等等都已出現(xiàn)在大家的生活當中。一般機器人利用加速傳感器和陀螺儀，基本可以描述設(shè)備的完整運動狀態(tài)。但是隨著長時間運動，也會產(chǎn)生累計偏差，不能準確描述運動姿態(tài)，比如操控畫面發(fā)生傾斜。電子羅盤利用測量地球磁場，通過指向功能進行修正補償，可以有效解決累計偏差，從而修正設(shè)備的運動方向、姿態(tài)角度、運動力度和速度等。