CN104748734A - 一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪 - Google Patents

Abstract

一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，包括用于一个三轴加速度和三轴磁场探测的集成电子罗盘芯片、一个气压传感器和一个温度传感器，所述集成电子罗盘芯片、所述气压传感器以及所述温度传感器分别与单片机相连。本发明通过车辆在中运动情况的自标定以及倾角的自动矫正，实现在行车过程中对温度、方位角、海拔、车身姿态等外部环境参数的实时监控，有效提高了车载电子罗盘的精度。

Description

一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪

技术领域

本发明涉及一种搭载微机电系统(MEMS)车载罗盘仪，特别是涉及一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪。

背景技术

据统计近10年来汽车产业70％的创新来源于汽车电子技术及其产品的开发应用，汽车电子技术是推动汽车产业发展的核心动力之一。在汽车电子技术中，MEMS(Microelectro Mechanical Systems)的广泛应用不仅提升了车载传感器的性能，而且极大的降低了生产成本，这使得从前只有高端汽车才可以配备的高级电子系统功能如今在中低端汽车上也可以实现。但是车辆在行驶时车载设备受到的振动和电磁干扰较大，导致现有车载电子罗盘读数的偏差较大。

综上所述，人们迫切需要一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，通过一个3轴磁场传感器和3轴加速度传感器的集成电子芯片实时获得车身姿态；通过大气压传感器芯片获得实时海拔高度；通过温度传感器获得实时车外温度。有效提高了车载电子罗盘的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，通过车辆在运动情况的自标定以及倾角的自动矫正，实现在行车过程中对温度、方位角、海拔、车身姿态等外部环境参数的实时监控，有效提高了车载电子罗盘的精度。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，包括用于一个三轴加速度和三轴磁场探测的集成电子罗盘芯片、一个气压传感器和一个温度传感器，所述集成电子罗盘芯片、所述气压传感器以及所述温度传感器分别与单片机相连。

进一步地，所述集成电子罗盘芯片实时检测的翻转角值和俯仰角值用于计算倾角补偿；所述集成电子罗盘芯片实时检测的方位角用于计算地磁角。

进一步地，所述集成电子罗盘芯片采用LSM303DLHC型号的集成芯片。

进一步地，所述气压传感器采用BMP180型号的传感器，用于检测海拔高度。

进一步地，所述温度传感器通过检测热敏电阻值采集温度信号并与所述单片机A/D转换，用于检测车外温度。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：通过本发明，能够在行车过程中对温度、航向角、海拔、车身姿态等外部环境参数进行实时监控，使得罗盘仪在车载过程中的读数更加精准，实现了车辆运动的情况下的自标定和倾角的自动矫正。

附图说明

图1为本发明的带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪的模块示意图；

图2为本发明中定义的体坐标系和姿态角示意图；

图3为本发明中一实施例中LSM303DLHC集成芯片的电路示意图；

图4为本发明中另一实施例中BMP180芯片的电路示意图；

图5为本发明另一实施例的车外温度采集电路示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明提供一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，包括用于一个三轴加速度和三轴磁场探测的集成电子罗盘芯片、一个气压传感器和一个温度传感器，所述集成电子罗盘芯片、所述气压传感器以及所述温度传感器分别与单片机相连。通过3轴磁场传感器和3轴加速度传感器的集成电子芯片实时获得车身姿态；通过大气压传感器芯片获得实时海拔高度；通过温度传感器获得实时车外温度。有效提高了车载电子罗盘的精度。

罗盘仪的实现

地球磁场的强度大概是0.5高斯左右，其并行于地表的分量指向地球的北极，在北半球，磁场的方向是水平向下的，在赤道上，磁场方向是水平的，在南半球，磁场方向是水平向上的。磁场方向和水平面的夹角被定义为倾角；地球磁场的北极方向和地球地理的北极方向的夹角被成为地磁角，地磁角的大小一般在20度以内，且随着地理位置的不同而变化。一个带倾角补偿的电子罗盘系统需要一个3轴磁场传感器和一个3轴加速度传感器。加速度传感器用来测量翻转角和俯仰角的大小以计算倾角补偿。磁场传感器用来测量地球的磁场，然后通过磁场的北极方向确定磁场的方位角。

车身姿态的计算通常采用体坐标系，如图2所示，三个坐标轴Xb、Yb、Zb的定义满足右手规则分别指向前方，右侧，下方。三个姿态角分别为绕Zb旋转的方位角ψ(Heading)，绕Yb旋转的俯仰角θ(Pitch)，绕Xb旋转的翻转角φ(Roll)。

在没有旋转角度时，即理想情况下重力加速度为竖直向下的，可以表示为：

$G_r=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right)---\left(1\right);$

此时理想情况下的磁场的表示只受磁场强度和倾角的影响，可以表示为：

$B_r=B\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\δ}\\ 0\\ \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right)---\left(2\right);$

正常情况下的重力加速度传感器的读数是体坐标系旋转后的结果，可以写成：

$G_p=R_x\left(\mathrm{\φ}\right)R_y\left(\mathrm{\θ}\right)R_z\left(\mathrm{\ψ}\right)G_r=R_x\left(\mathrm{\φ}\right)R_y\left(\mathrm{\θ}\right)R_z\left(\mathrm{\ψ}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right)---\left(3\right).$

车辆在行驶中，并不能保证罗盘完全平行于水平面，这样，磁场传感器的读数要写成旋转矩阵与理想读数的乘积，同时还得加上硬磁干扰系数：

$B_p=R_x\left(\mathrm{\φ}\right)R_y\left(\mathrm{\θ}\right)R_z\left(\mathrm{\ψ}\right)B\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\δ}\\ 0\\ \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right)+V=R_x\left(\mathrm{\φ}\right)R_y\left(\mathrm{\θ}\right)R_z\left(\mathrm{\ψ}\right)B\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\δ}\\ 0\\ \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right)---\left(4\right).$

其中方位角ψ，俯仰角θ，翻转角φ可分别由下面三个公式计算得到：

$\tan \left(\mathrm{\φ}\right)=\left(\frac{G_{\mathrm{py}}}{G_{\mathrm{pz}}}\right)---\left(5\right);$

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\left(\frac{-G_{\mathrm{px}}}{G_{\mathrm{py}}\sin \mathrm{\φ}+G_{\mathrm{pz}}\cos \mathrm{\φ}}\right)---\left(6\right);$

$\tan \left(\mathrm{\ψ}\right)=\left(\frac{(B_{\mathrm{pz}}-V_z)\sin \mathrm{\φ}-(B_{\mathrm{py}}-V_y)\cos \mathrm{\φ}}{(B_{\mathrm{px}}-V_x)\cos \mathrm{\θ}+(B_{\mathrm{py}}-V_y)\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+(B_{\mathrm{pz}}-V_z)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}\right)---\left(7\right).$

其中Gpx,Gpy,Gpz,为三轴加速度传感器读数，Bpx,Bpy,Bpz为三轴磁传感器读数，Vx,Vy,Vz为硬磁误差。

一种较简单的确定硬磁误差的方法是让Vz忽略为0，将电子罗盘摆平旋转360度同时记录x，y轴磁传感器读数，Vx为x轴读数均值，Vy为y轴读数均值。在这里本发明使用一种更精确的最小二乘矫正硬磁误差的方法。优选地，实现本发明上述计算处理的罗盘芯片选用LSM303DLHC型号，这是一款高集成高性能的三轴加速度和三轴磁场探测的集成电子罗盘芯片。

LSM303DLHC集成电子罗盘芯片与单片机相连，将采集到翻转角、俯仰角和方位角的信号传输到数学芯片，通过芯片将信号处理成单片机可以接受的形式，最后通过单片机实现输出。LSM303DLHC集成芯片的电路示意图如图3所示。

海拔高度的测量

海拔高度的测量方法，一般常用的有2种方式，一是通过GPS全球定位系统，二是通过测出大气压，然后根据气压值计算出海拔高度。由于受到技术和其它方面原因的限制，GPS计算海拔高度一般误差都会有十米左右，而如果在树林里或者是在悬崖下面时，有时候甚至接收不到GPS卫星信号。而气压的方式可选择的范围会广些，而且可以把成本可以控制在比较低的水平，本发明采用大气压的检测方法，

大气压与海拔高度之间关系：

$P=P_0{(1-\frac{\mathrm{Altitude}}{44330})}^{5.255}---\left(8\right);$

其中:P₀是标准大气压，等于1013.25mbar；Altitude是以米为单位的海拔高度。P是在某一高度的以mbar为单位的气压。

将(1)转换成海拔高度的计算得到：

$\mathrm{altitude}=44330*(1-{\left(\frac{p}{p_0}\right)}^{\frac{1}{5.255}})---\left(9\right);$

优选地，本发明的海拔高度的测量选用BMP180型号传感器，它是一款高精度、小体积、超低能耗的气压传感器，可以捕捉到温度来对结果进行修正，以增加测量结果的精度。其与单片机相连，将采集到的海拔信号传输到数学芯片，通过芯片将信号处理成单片机可以接受的形式，最后通过单片机实现输出。BMP180芯片的电路示意图如图4所示。

车外温度的计算

车外温度的计算用单片机A/D读取热敏电阻的分压变化，温度传感器通过检测热敏电阻值采集温度信号并与单片机A/D转换，用于检测车外温度。温度传感器的电路示意图如图5所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，其特征在于：

包括用于一个三轴加速度和三轴磁场探测的集成电子罗盘芯片、一个气压传感器和一个温度传感器，所述集成电子罗盘芯片、所述气压传感器以及所述温度传感器分别与单片机相连。

2.根据权利要求1所述的一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，其特征在于，所述集成电子罗盘芯片实时检测的翻转角值和俯仰角值用于计算倾角补偿；所述集成电子罗盘芯片实时检测的方位角用于计算地磁角。

3.根据权利要求1所述的一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，其特征在于，所述集成电子罗盘芯片采用LSM303DLHC型号的集成芯片。

4.根据权利要求1所述的一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，其特征在于，所述气压传感器采用BMP180型号的传感器，用于检测海拔高度。

5.根据权利要求1所述的一种带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪，其特征在于，所述温度传感器通过检测热敏电阻值采集温度信号并与所述单片机A/D转换，用于检测车外温度。