CN105203088A - 一种三维磁感式磁罗经 - Google Patents

Abstract

一种三维磁感式磁罗经，涉及属于磁导航、定位等技术领域。本发明是为了解决国内磁感效应原理磁罗经传感器缺失的问题。本发明所述的一种三维磁感式磁罗经以磁感效应为基础，并运用现代数字信号处理技术，采用FPGA和DSP模块化设计方法，实现对传感器的信号提取工作。采用脉冲信号激励替代传统的方波激励方式，可有效降低了磁传感器检测电路的功耗。三维磁感应传感器采用集成三维磁芯结构，有效降低传感器的正交偏差，并利用FPGA实现三维磁信号高速同步采集处理，提高了磁罗经的航向角检测精度。磁感应传感器激励采用脉冲激励方法降低器件功耗，同时磁罗经采用DSP处理器进行智能磁补偿和姿态自补偿技术，使磁罗经具有较好的环境适应能力。

Description

一种三维磁感式磁罗经

技术领域

本发明属于磁导航、定位等技术领域，尤其涉及磁罗经技术。

背景技术

智能磁罗经传感器是一种利用地球磁场测量方向的重要导航工具，能实时提供机动目标的航向和姿态，广泛地应用在航空、航海、车载定位、深海探测等领域。通过现代科学技术的发展，人们把磁罗经传感器与电子线路、微控制器集成，以数字量精确的给出地理航向角，由于这种磁罗经没有可动部件，具有良好的抗冲击性，且结构简单、体积小、重量轻、成本低、智能自动校准等特点。

地球磁场强度大约为0.5～0.6gauss，与地球表面平行的分量总是指向磁北极。目前的电子磁罗经按设计原理不同，分为三种原理：磁通门式、磁阻效应式和磁感效应式。磁通门式磁罗经传感器为了达到较高的灵敏度，必须增加线圈横截面积，所以一般体积大、功耗大，处理电路相对复杂，成本高。磁阻效应式磁罗经具有结构简单、灵敏度高、线性度好等特点，但是其灵敏度、线性度与量程相互制约，存在交流零位信号，不宜高频动态测量。磁感效应式传感器是一门新兴技术，采用磁感效应原理。磁感效应原理是运用纳米珀莫合金和漆包线制作特制电感，在外磁场和线圈电流的影响下，电感的磁性材料会有磁化效应，当趋于磁饱和时，磁导率μ和外界磁场强度H成反比。铁芯被磁化时，会满足趋于磁饱和条件电感L和导磁率μ成正比，所以通过测量因磁场变化而引起电感变化来衡量地磁场强度。

目前美国PNI公司推出采用磁感效应原理磁罗经传感器，其采用LR谐振施密特触发器作为传感器激励电路，实现了对地磁场的高精度测量。该系列传感器被广泛应用在航天、航空、工业等诸多领域。国内在该项技术领域未见相关报道及产品。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中磁感效应原理磁罗经传感器技术缺失的问题，现提供一种三维磁感式磁罗经。

一种三维磁感式磁罗经，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；

FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；

DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；

激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；

频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；

圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；

卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；

磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。

上述三维磁感传感器包括：Z向磁芯1、Z向线圈2、X向线圈3、X向磁芯4、Y向磁芯5、Y向线圈6和塑料基座7；

塑料基座7为正方体，Z向磁芯1的一端、X向磁芯4的一端和Y向磁芯5的一端分别固定在塑料基座7的三个面上，该塑料基座7的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向线圈2、X向线圈3和Y向线圈6分别缠绕在Z向磁芯1、X向磁芯4和Y向磁芯5上。

上述FPGA的频率计模块包括：时差信号采集单元和磁场强度信号获得单元；

时差信号采集单元：实时采集三维磁感传感器输出的时差信号，该时差信号包括X轴正向时差信号τp_X、X轴反向时差信号τN_X、Y轴正向时差信号τp_Y、Y轴反向时差信号τN_Y、Z轴正向时差信号τp_Z和Z轴反向时差信号τN_Z；

磁场强度信号获得单元：所述磁场强度信号包括X轴磁场强度H_X、Y轴磁场强度H_Y和Z轴磁场强度H_Z；

利用下式获得X轴磁场强度H_X：

H_X＝k(τp_X-τN_X)，

利用下式获得Y轴磁场强度H_Y：

H_Y＝k(τp_Y-τN_Y)，

利用下式获得Z轴磁场强度H_Z：

H_Z＝k(τp_Z-τN_Z)，

上式中k均为修正系数。

上述圆形旋转极值修正单元中，所述磁干扰修正信号包括X轴磁干扰修正信号H′_X和Y磁干扰修正信号H′_Y，所述对磁场强度信号进行磁干扰修正包括一次修正单元、判断单元和二次修正单元，

一次修正单元：采用冒泡排序法获得X轴磁场强度极大值H_Xmax、X轴磁场强度极小值H_Xmin、Y轴磁场强度极大值H_Ymax和Y轴磁场强度极小值H_Ymin，

利用下式获得X轴测量范围H_Xran、Y轴测量范围H_Yran、X轴偏移H_Xof和Y轴偏移H_Yof：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{Xran}=H_{Xmax}-H_{X\min }\\ H_{Yran}=H_{Ymax}-H_{Y\min }\\ H_{Xof}=\frac{H_{Xmax}+H_{X\min }}{2}\\ H_{Yof}=\frac{H_{Y\max }+H_{Y\min }}{2}\end{array}\right.,$

根据偏移的圆心移动算法获得一次修正后的磁干扰修正信号，该一次修正后的磁干扰修正信号包括X轴一次修正信号H′_X1和Y轴一次修正信号H′_Y1：

$\{\begin{array}{c}{H}_{X1}^{\′}=H_X-H_{Xof}\\ H_{Y1}^{\′}=H_Y-H_{Yof}\end{array};$

判断单元：判断X轴测量范围H_Xran和Y轴测量范围H_Yran的大小关系，

若H_Xran>H_Yran，则对Y轴一次修正信号H′_Y1进行二次修正，并将X轴一次修正信号H′_X1作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴二次修正信号H′_Y2作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y，

若H_Xran<H_Yran，则对X轴一次修正信号H′_X1进行二次修正，并将X轴二次修正信号H′_X2作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴一次修正信号H′_Y1作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y；

二次修正单元：利用下式获得X轴二次修正信号H′_X2和Y轴二次修正信号H′_Y2：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{X2}^{\&prime;}=\frac{H_{X1}^{\&prime;}\&times;H_{Yran}}{H_{Xran}}\\ H_{Y2}^{\&prime;}=\frac{H_{Y1}^{\&prime;}\&times;H_{Xran}}{H_{Yran}}\end{array}\right..$

发明所述的一种三维磁感式磁罗经以磁感效应为基础，结合模拟信号处理技术，并运用现代数字信号处理技术，采用FPGA和DSP模块化设计方法，实现对传感器的信号提取工作。使本发明所述的一种三维磁感式磁罗经具有精度高、高稳定性、功耗低、体积小且具备智能自补偿功能等特点。采用脉冲信号激励替代传统的方波激励方式，可有效降低了磁传感器检测电路的功耗。三维磁感应传感器采用集成三维磁芯结构，有效降低传感器的正交偏差，并利用FPGA实现三维磁信号高速同步采集处理，提高了磁罗经的航向角检测精度。磁感应传感器激励采用脉冲激励方法降低器件功耗，同时磁罗经采用DSP处理器进行智能磁补偿和姿态自补偿技术，使磁罗经具有较好的环境适应能力。

附图说明

图1为一种三维磁感式磁罗经的结构示意图；

图2为三维磁感传感器的结构示意图；

图3为三维磁感传感器工作时，磁场变化强度曲线图，其中A为无外磁场的情况，B为有外磁场的情况；

图4为激励电路的电路结构示意图；

图5为一组线圈激励电路的激励信号波形图；

图6为三维加速度传感器的电路图；

图7为三维陀螺仪传感器的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种三维磁感式磁罗经，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；

FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；

DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；

激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；

频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；

圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；

卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；

磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。

本实施方式采用等精度测量法获得时差信号，等精度测量法中设有两个闸门，频率信号输入到同步门控制电路和闸门1，晶体振荡器的输出信号作为参考信号输入到闸门2。被测信号在同步门控制电路的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被测信号和参考信号在同步门电路控制下，在同步门打开时计数器开始计时，同步门关闭时，计数器计数停止，通过FPGA内部设计32位数据锁存器储存结果值，获取被测信号周期。本发明采用LR谐振滞回比较器电路来检测磁场强度，从而把磁场强度转换为测量正、反向两次激励频率信号的周期时间差信号。即：利用FPGA控制激励电路的激励方向，激励电路激励三维磁感传感器获得正、反两个方向的频率信号，然后利用正、反两个方向的频率信号获得正、反两个方向的时间差信号。

AD芯片用于将采集的模拟信号转换为数字信号，利于后续运算处理。

频率计模块能够利用三维磁感传感器获得的时差信号获得磁场强度信号；AD控制模块能够控制读取AD芯片中数字信号的时序；SPI总线模块能够起到信号传输的作用。

姿态补偿是以三维加速度传感器和三维陀螺仪组合构成6轴姿态测量单元，利用FPGA的并行处理信号能力，对三路AD电路采集加速度传感器信号及三路SPI总线采集陀螺仪信号进行同步采集，提高了姿态修正的响应速度及精度，并采用卡尔曼滤波技术融合姿态倾角与测量磁场两者信息，实现高速的姿态自动补偿。

本实施方式采用三维加速度传感器和陀螺仪传感器数据融合算法补偿磁罗经传感器姿态误差。背景磁干扰智能补偿方法采用的是圆形旋转极值修正法来补偿传感器所处环境中软、硬磁对其的干扰。简便、实用，使得传感器的精度提高到0.5°。

具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，三维磁感传感器包括：Z向磁芯1、Z向线圈2、X向线圈3、X向磁芯4、Y向磁芯5、Y向线圈6和塑料基座7；

塑料基座7为正方体，Z向磁芯1的一端、X向磁芯4的一端和Y向磁芯5的一端分别固定在塑料基座7的三个面上，该塑料基座7的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向线圈2、X向线圈3和Y向线圈6分别缠绕在Z向磁芯1、X向磁芯4和Y向磁芯5上。

三维磁感应传感器运用线圈磁感效应来检测地磁场。本实施方式中，采用珀莫合金材料模压形成三个圆柱型单轴向磁芯，采用紧密配合方式固定在塑料基座上，并在磁芯与塑料基座固定位置采用环氧树脂胶加固，形成三维一体化磁芯结构。在磁芯的三个轴向上，采用密绕法在三个轴向磁芯上缠绕0.01mm漆包线线圈，形成三轴感应传感器结构。每个轴的电感值在500-600μH，根据需要得到的电感进行匝数、铜线、磁芯材料的选取。

线圈电感量计算公式：

$L=k_1\&times;\frac{0.01\&times;D\&times;N^2}{\frac{l}{D}+0.44}$

其中：L为线圈电感量，D为线圈直径，N为线圈匝数，l为匝线圈长度，k₁为珀莫合金磁导率系数。

三维磁感传感器的磁感效应原理是运用纳米珀莫合金和漆包线制作特制电感，在外磁场和线圈电流的影响下，电感的磁性材料会有磁化效应，当趋于磁饱和时，磁导率μ和外界磁场强度H成反比。铁芯被磁化时，会满足趋于磁饱和条件电感L和导磁率μ成正比，所以通过测量因磁场变化而引起电感变化来衡量地磁场强度。采用正、反向激励时，在有无外磁场影响下，磁导率μ和外界磁场强度H会发生平移，导致解调电路输出信号正向激励输出信号周期τp和反向激励输出信号周期τN不相等，出现时差，这个时差与所测磁强度成正比，因此通过检测时差就可以检测对应地磁场强度变化，如图3所示。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，Z向线圈2、X向线圈3和Y向线圈6均为0.01mm漆包线线圈。

本实施方式中磁罗经采用珀莫合金和漆包线制作特制电感，三维结构采取模具、集成一体化结构，减小了装配引起正交误差。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，塑料基座7的材料为聚碳酸酯材料。

塑料基座为正六面体结构，在X、Y、Z三个轴对应面的中心位置留有固定孔，固定孔直径尺寸与圆柱型磁芯结构外径为紧密配合结构。塑料基座是由聚碳酸酯材料采用模具注塑方法制成。注塑模具需要用三轴数控加工、3D打印等精密加工方法制作，以保证磁芯的三轴对应面的正交角度偏差小于0.5°。这种集成三维结构减小三维磁传感器的正交误差，从而提高测量精度。

具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，实施方式是对具体实施方式二所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，所述激励电路包括三组完全相同的线圈激励电路，所述一组线圈激励电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和放大器；

电阻R2的一端连接电源地，电阻R2的另一端同时连接放大器的反向信号输入端、开关S2的一端和开关S3的一端，电阻R4的一端连接基准电压，电阻R4的另一端同时连接放大器的正向信号输入端和电阻R1的一端，放大器的正负极分别连接电源正极和电源地，放大器信号输出端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接电阻R1的另一端、肖特基二极管D1的正极、开关S1的一端和开关S4的一端，开关S4的另一端和开关S3的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的一个连接端，开关S2的另一端和开关S1的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的另一个连接端，肖特基二极管D1的负极连接肖特基二极管D2的负极，肖特基二极管D2的正极接电源地。

在实际应用时，本实施方式将三维磁感传感器三个方向的线圈分别接入三组线圈激励电路中，利用FPGA分别控制开关S1、开关S2、开关S3和开关S4的开通或关断，进而改变激励方向。其输出的激励信号波形图如图5所示。

激励电路是通过调整滞回比较器参数，形成脉冲信号对磁传感器的磁感线圈施加激励。采用FPGA控制激励电路中模拟开关，对三维磁感传感器的磁感线圈施加正向和反向激励，由于磁感效应，正、反两次激励所产生的频率信号存在时差，即通过计算两次激励的频率信号的时差来实现对地磁场检测。本实施方式采用脉冲信号激励，有效降低了三维磁感传感器的功耗。

本实施方式采用LR谐振滞回比较器电路产生一定频率脉冲激励电源施加在被测三维磁感传感器，LR谐振电路频率f计算公式：

$f=\frac{R_2}{2\&times;L\&times;ln\frac{1+\frac{R_4}{R_4+R_1}}{1-\frac{R_4}{R_4+R_1}}}.$

激励电路利用FPGA开关S1、开关S2、开关S3和开关S4控制正向和反向电路激励方向。如图4所示，当开关S2和开关S4闭合时，激励电路处于正向激励状态，当开关S1、开关S2和开关S3闭合时，激励电路处于反向激励状态，利用两次激励的频率差实现对地磁场检测。

采用脉宽调制技术，通过调节VREF端电压来调节滞回比较器的阈值电压VT1和VT2，从而改变输出信号的上升时间和下降时间，最终实现脉冲宽控制，本实施方式调制脉冲占空比为1:10，相较于脉宽比为1:1的方波信号可有效降低器件激励功率，如图5所示。

滞回比较器阈值电压VT1和VT2的计算公式如下：

$VT1=\frac{R_1}{R_1+R_4}\&times;VREF-4.7\&times;\frac{R_4}{R_1+R_4},$

$VT2=\frac{R_1}{R_1+R_4}\&times;VREF+4.7\&times;\frac{R_4}{R_1+R_4},$

上式中，R₁为电阻R1的阻值，R₂为电阻R2的阻值，R₄为电阻R4的阻值，VREF为图4电路中VREF端电压值。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，FPGA的频率计模块包括：时差信号采集单元和磁场强度信号获得单元；

时差信号采集单元：实时采集三维磁感传感器输出的时差信号，该时差信号包括X轴正向时差信号τp_X、X轴反向时差信号τN_X、Y轴正向时差信号τp_Y、Y轴反向时差信号τN_Y、Z轴正向时差信号τp_Z和Z轴反向时差信号τN_Z；

磁场强度信号获得单元：所述磁场强度信号包括X轴磁场强度H_X、Y轴磁场强度H_Y和Z轴磁场强度H_Z；

利用下式获得X轴磁场强度H_X：

H_X＝k(τp_X-τN_X)，

利用下式获得Y轴磁场强度H_Y：

H_Y＝k(τp_Y-τN_Y)，

利用下式获得Z轴磁场强度H_Z：

H_Z＝k(τp_Z-τN_Z)，

上式中k均为修正系数。

本实施方式中，利用FPGA对的三维磁感应传感器的三轴频率差信号进行同步采样及运算处理，同步输出三轴磁场强度信号。同步信号处理提高了磁罗经在高速姿态变化条件下的测量精度。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，圆形旋转极值修正单元中，所述磁干扰修正信号包括X轴磁干扰修正信号H′_X和Y磁干扰修正信号H′_Y，所述对磁场强度信号进行磁干扰修正包括一次修正单元、判断单元和二次修正单元，

一次修正单元：采用冒泡排序法获得X轴磁场强度极大值H_Xmax、X轴磁场强度极小值H_Xmin、Y轴磁场强度极大值H_Ymax和Y轴磁场强度极小值H_Ymin，

利用下式获得X轴测量范围H_Xran、Y轴测量范围H_Yran、X轴偏移H_Xof和Y轴偏移H_Yof：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{Xran}=H_{Xmax}-H_{X\min }\\ H_{Yran}=H_{Ymax}-H_{Ymin}\\ H_{Xof}=\frac{H_{Xmax}+H_{X\min }}{2}\\ H_{Yof}=\frac{H_{Y\max }+H_{Y\min }}{2}\end{array}\right.,$

根据偏移的圆心移动算法获得一次修正后的磁干扰修正信号，该一次修正后的磁干扰修正信号包括X轴一次修正信号H′_X1和Y轴一次修正信号H′_Y1：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{X1}^{\&prime;}=H_X-H_{Xof}\\ H_{Y1}^{\&prime;}=H_Y-H_{Yof}\end{array}\right.;$

判断单元：判断X轴测量范围H_Xran和Y轴测量范围H_Yran的大小关系，

若H_Xran>H_Yran，则对Y轴一次修正信号H′_Y1进行二次修正，并将X轴一次修正信号H′_X1作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴二次修正信号H′_Y2作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y，

若H_Xran<H_Yran，则对X轴一次修正信号H′_X1进行二次修正，并将X轴二次修正信号H′_X2作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴一次修正信号H′_Y1作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y；

二次修正单元：利用下式获得X轴二次修正信号H′_X2和Y轴二次修正信号H′_Y2：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{X2}^{\&prime;}=\frac{H_{X1}^{\&prime;}\&times;H_{Yran}}{H_{Xran}}\\ H_{Y2}^{\&prime;}=\frac{H_{Y1}^{\&prime;}\&times;H_{Xran}}{H_{Yran}}\end{array}\right..$

本实施方式中，三维磁罗经传感器的背景磁干扰智能补偿方法采用的是圆形旋转极值修正法来补偿传感器所处环境中软、硬磁对其的干扰。该方法简便、实用，通过圆心移动和椭圆变圆算法操作，使得磁罗经传感器具有抗背景磁干扰能力，能够使最后获得的航向角精度达到0.5°。

具体实施方式八：实施方式是对具体实施方式七所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，利用下式获得倾角补偿修正信号，该倾角补偿修正信号包括X轴倾角补偿修正信号H″_X和Y轴倾角补偿修正信号H″_Y：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_X^{\&prime;\&prime;}=H_X^{\&prime;}cos\mathrm{\&theta;}+H_Y^{\&prime;}sin\mathrm{\&theta;}sin\mathrm{\&phi;}+H_{Z}sin\mathrm{\&theta;}cos\mathrm{\&phi;}\\ H_Y^{\&prime;\&prime;}=H_Y^{\&prime;}\cos \mathrm{\&phi;}+H_{Z}sin\mathrm{\&phi;}\end{array}\right.;$

利用下式获得航向角ψ：

$\mathrm{\&psi;}=arctan(-\frac{H_Y^{\&prime;\&prime;}}{H_X^{\&prime;\&prime;}}).$

的姿态补偿功能主要依靠三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器，三维加速度传感器的电路结构如图6所示，三维陀螺仪传感器的电路结构如图7所示。两者具有互补性，三维加速度传感器能够测量近乎静止的物体姿态倾角并具有很高的精度，而三维陀螺仪传感器善于测量动态物体的角速度，所以实施方式利用两者的互补性进行复合式补偿三维磁罗经传感器的姿态，使传感器姿态测量补偿满足动态响应要求。

利用FPGA的并行处理信号能力，将AD芯片分为三路同时采集三维加速度传感器信号，然后FPGA中的AD控制模块也分为三路同时采集AD芯片内的数字信号；将SPI总线模块分为三路同时采集三维陀螺仪传感器信号，消除时差影响，利用DSP芯片采用卡尔曼滤波技术融合两者信息，补偿磁传感器姿态误差，计算磁罗经传感器的姿态角。

具体实施方式九：实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，三维加速度传感器为KXR94-2050加速度传感器，三维陀螺仪传感器为SCR1100-D04单轴陀螺仪。

具体实施方式十：实施方式是对具体实施方式一所述的一种三维磁感式磁罗经作进一步说明，本实施方式中，频率计模块包括三个频率计。

在实际应用时，采用等精度频率测量方法，在FPGA内部形成三个独立的高精度频率计，对的三维磁感应传感器的正反向两次激励频率信号进行同步采样，并对频率信号的时差进行同步运算处理，实时输出三轴磁强度数字信号。三维磁传感器的信号同步处理可提高磁罗经在高速姿态变化条件下的测量精度。

Claims (10)

1.一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；

FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；

DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；

激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；

频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；

圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；

卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；

磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。

2.根据权利要求1所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，三维磁感传感器包括：Z向磁芯(1)、Z向线圈(2)、X向线圈(3)、X向磁芯(4)、Y向磁芯(5)、Y向线圈(6)和塑料基座(7)；

塑料基座(7)为正方体，Z向磁芯(1)的一端、X向磁芯(4)的一端和Y向磁芯(5)的一端分别固定在塑料基座(7)的三个面上，该塑料基座(7)的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向线圈(2)、X向线圈(3)和Y向线圈(6)分别缠绕在Z向磁芯(1)、X向磁芯(4)和Y向磁芯(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，Z向线圈(2)、X向线圈(3)和Y向线圈(6)均为0.01mm漆包线线圈。

4.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，塑料基座(7)的材料为聚碳酸酯材料。

5.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，所述激励电路包括三组完全相同的线圈激励电路，所述一组线圈激励电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和放大器；

电阻R2的一端连接电源地，电阻R2的另一端同时连接放大器的反向信号输入端、开关S2的一端和开关S3的一端，电阻R4的一端连接基准电压，电阻R4的另一端同时连接放大器的正向信号输入端和电阻R1的一端，放大器的正负极分别连接电源正极和电源地，放大器信号输出端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接电阻R1的另一端、肖特基二极管D1的正极、开关S1的一端和开关S4的一端，开关S4的另一端和开关S3的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的一个连接端，开关S2的另一端和开关S1的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的另一个连接端，肖特基二极管D1的负极连接肖特基二极管D2的负极，肖特基二极管D2的正极接电源地。

6.根据权利要求1所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，FPGA的频率计模块包括：时差信号采集单元和磁场强度信号获得单元；

时差信号采集单元：实时采集三维磁感传感器输出的时差信号，该时差信号包括X轴正向时差信号τp_X、X轴反向时差信号τN_X、Y轴正向时差信号τp_Y、Y轴反向时差信号τN_Y、Z轴正向时差信号τp_Z和Z轴反向时差信号τN_Z；

磁场强度信号获得单元：所述磁场强度信号包括X轴磁场强度H_X、Y轴磁场强度H_Y和Z轴磁场强度H_Z；

利用下式获得X轴磁场强度H_X：

H_X＝k(τp_X-τN_X)，

利用下式获得Y轴磁场强度H_Y：

H_Y＝k(τp_Y-τN_Y)，

利用下式获得Z轴磁场强度H_Z：

H_Z＝k(τp_Z-τN_Z)，

上式中k均为修正系数。

7.根据权利要求6所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，圆形旋转极值修正单元中，所述磁干扰修正信号包括X轴磁干扰修正信号H′_X和Y磁干扰修正信号H′_Y，所述对磁场强度信号进行磁干扰修正包括一次修正单元、判断单元和二次修正单元，

一次修正单元：采用冒泡排序法获得X轴磁场强度极大值H_Xmax、X轴磁场强度极小值H_Xmin、Y轴磁场强度极大值H_Ymax和Y轴磁场强度极小值H_Ymin，

利用下式获得X轴测量范围H_Xran、Y轴测量范围H_Yran、X轴偏移H_Xof和Y轴偏移H_Yof：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{Xran}=H_{Xmax}-H_{X\min }\\ H_{Yran}=H_{Ymax}-H_{Ymin}\\ H_{Xof}=\frac{H_{Xmax}+H_{X\min }}{2},\\ H_{Yof}=\frac{H_{Y\max }+H_{Y\min }}{2}\end{array}\right.$

根据偏移的圆心移动算法获得一次修正后的磁干扰修正信号，该一次修正后的磁干扰修正信号包括X轴一次修正信号H′_X1和Y轴一次修正信号H′_Y1：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{X1}^{\&prime;}=H_X-H_{Xof}\\ H_{Y1}^{\&prime;}=H_Y-H_{Yof}\end{array}\right.;$

判断单元：判断X轴测量范围H_Xran和Y轴测量范围H_Yran的大小关系，

若H_Xran>H_Yran，则对Y轴一次修正信号H′_Y1进行二次修正，并将X轴一次修正信号H′_X1作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴二次修正信号H′_Y2作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y，

若H_Xran<H_Yran，则对X轴一次修正信号H′_X1进行二次修正，并将X轴二次修正信号H′_X2作为X轴磁干扰修正信号H′_X，将Y轴一次修正信号H′_Y1作为Y轴磁干扰修正信号H′_Y；

二次修正单元：利用下式获得X轴二次修正信号H′_X2和Y轴二次修正信号H′_Y2：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{X2}^{\&prime;}=\frac{H_{X1}^{\&prime;}\&times;H_{Yran}}{H_{Xran}}\\ H_{Y2}^{\&prime;}=\frac{H_{Y1}^{\&prime;}\&times;H_{Xran}}{H_{Yran}}\end{array}\right..$

8.根据权利要求7所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，利用下式获得倾角补偿修正信号，该倾角补偿修正信号包括X轴倾角补偿修正信号H″_X和Y轴倾角补偿修正信号H″_Y：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_X^{\&prime;\&prime;}=H_X^{\&prime;}\cos \mathrm{\&theta;}+H_Y^{\&prime;}\sin \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&phi;}+H_Z\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&phi;}\\ H_Y^{\&prime;\&prime;}=H_Y^{\&prime;}\cos \mathrm{\&phi;}+H_Z\sin \mathrm{\&phi;}\end{array}\right.;$

利用下式获得航向角ψ：

$\mathrm{\&psi;}=\arctan (-\frac{H_Y^{\&prime;\&prime;}}{H_X^{\&prime;\&prime;}}).$

9.根据权利要求1所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，三维加速度传感器为KXR94-2050加速度传感器，三维陀螺仪传感器为SCR1100-D04单轴陀螺仪。

10.根据权利要求1所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，频率计模块包括三个频率计。