CN1833157A - 将2轴磁传感器用于3轴指南针解决方案的系统 - Google Patents

Abstract

可以通过计算而非测量在与一个2轴磁传感器的两个测量轴正交的方向中的地球磁场分量Z来实现一种经过倾斜补偿的电子指南针。可以使用一个用于地球磁场强度的所存储数值来计算该正交分量Z，该数值适用于一个广大的地理区域。所述计算还需要使用来自该2轴传感器的所测量的磁场数值。一旦知道了Z，就可以利用来自一个2轴倾斜传感器的输入来计算经过补偿的正交分量X和Y，这是通过将来自倾斜的2轴传感器的所测量的磁场强度数值数学地旋转回到局部水平面。因此，可以制造非常平坦、紧凑的经过倾斜补偿的电子指南针。

Description

将2轴磁传感器用于3轴指南针解决方案的系统

技术领域

本发明总体涉及指南针，具体来说涉及电子指南针。

背景技术

航海家在数百年间直接利用地球的磁场来确定方向。这是因为地球磁场具有一个平行于地球表面并且永远指向地磁北方的分量，这个指示北方的分量可以由指南针检测到。可以用一个双极模型来近似地球磁场，其中该磁场在北半球向下指向北方，在赤道处是水平的并且指向北方，而在南半球则向上指向北方。

地球磁场的幅度在相当大的区域内几乎保持恒定，并且在北半球的大部分范围内具有约0.4到0.6高斯的幅度。现在，固态电子装置足够灵敏，可以容易地测量地球磁场。电子指南针的精度或多或少地取决于指南针本身的倾斜：如果指南针完全平坦(也就是与局部水平面平行，所述水平面即是与地球重力矢量垂直的平面)，则指南针指向(heading)被定义为：

              Heading＝arcTan(Y/X)            (1)

其中X和Y分别代表在正向和左右方向上的地球水平磁场分量。所述指向是从正北方顺时针测量的水平面中的角度。

然而，指南针的取向通常不是完全水平的，而是具有一定的倾斜，这是因为其被手持，或者被固定安装在倾斜的交通工具上。根据航空学的惯例，所谓倾斜被定义为相对于局部水平面的俯仰角(pitch)和侧滚(roll)；俯仰角是飞机纵轴和局部水平面之间的角度(如果机头上仰则是正的)，而侧滚是沿着该纵轴的旋转角度(右翼向下则是正的)。

如果不对倾斜进行校正，则将发生指向误差；例如对于+/-10度的俯仰角，在约90度以及270度的指向下将发生大约9度的最大指向误差，在其它指向下则将发生较小的误差。

对于能够对由电磁传感器产生的信号进行数字处理的电子指南针来说，可以对倾斜和其它因素进行数值上的补偿。为使倾斜的指南针进行精确的指向测量，必须将所述倾斜纳入考虑，因为等式(1)不再精确。一般来说，将3轴电子磁传感器与2轴倾斜传感器一起使用来克服由于倾斜所造成的不精确。所述3轴磁传感器在相互正交的方向上测量地球磁场。

如果用倾斜传感器来测量所述俯仰角(φ)和侧滚角(θ)，则可以使用下列旋转等式来将倾斜的指南针数学地旋转回到水平面，其中同样可以利用等式(1)来计算指向：

        X_comp＝XcosΦ+Ysin²Φ-ZcosθsinΦ  (2)

        Y_comp＝Ycosθ+Zsinθ               (3)

其中Z代表与磁传感器的X、Y轴正交的地球磁场分量，而X_comp和Y_comp代表变换到局部水平面的X、Y轴读数。可以利用来自一个3轴磁传感器和至少一个2轴倾斜传感器的输入来数值地求解等式2和3。

然而在某些指南针应用中(比如蜂窝电话和手表)，没有足够的空间来放置一个3轴磁传感器，因为一个3轴磁传感器需要在一个平面内的两个传感器和在另一个正交平面内的第三传感器。因此，需要一种允许在不使用3轴磁传感器(因此不增大尺寸)的情况下更为精确地测量指向的解决方案。

发明概要

在一个方面，本发明公开了一种经过倾斜补偿的指南针系统。该系统包括一个2轴磁传感器、一个倾斜传感器、一个存储器和一个处理器。该系统还包括至少一个存储在该存储器中的用于地球磁场强度的数值。该存储器还可以存储一组可以由该处理器执行的指令，以便使用来自该2轴磁传感器的输入以及用于地球磁场强度的该至少一个所存储数值来计算一个磁场分量Z，该磁场分量Z正交于该2轴磁传感器的测量轴。

附图简述

下面结合附图来描述各优选实施例，其中相同的附图标记在各图中指代相同的元件，在附图中：

图1是一个示例性的经补偿的电子指南针的框图；

图2说明了与图1的指南针相关联的坐标系；以及

图3是一个流程图，其说明了可以用来实现图1的指南针的各步骤。

具体描述

在示例性实施例中，电子指南针使用能够产生与地球磁场方向成比例的电信号的传感器。对于高度小型化的娱乐用电子指南针(其提供8个或更多指南针方位点的读出)，系统必须能够将方向解析到最近的16度，许多磁传感器可以容易地达到这样的灵敏度，比如各向异性磁阻传感器(AMR)、霍尔效应传感器、GMR传感器、感应线圈传感器以及通量门传感器。

一般来说，为了补偿指南针倾斜以便提供至少16度的精度，需要一个3轴磁传感系统和一个倾斜传感器来求解等式(1)、(2)和(3)。这是因为等式(2)和(3)需要在X、Y和Z方向上的磁场测量值和在两个轴上的倾斜测量值。然而，为了数学地计算沿着一个轴(比如Z轴)的磁场强度，可以在电子指南针中使用一个2轴而非3轴的磁场传感器，同时仍然可以补偿倾斜。因此可以将这种指南针做得更为平坦以及更为紧凑，因为可以去除一个传感器，该传感器与一个相对平坦的2轴传感器正交。

图1是一个示例性电子指南针10的框图。该指南针包括一个2轴磁传感器14。该指南针10相对于如图2所示的坐标系测量地球磁场。在图2中，该指南针的内部坐标系由X、Y和Z轴表示，并且相对于局部水平面而被描述，该局部水平面与重力矢量G正交。一般来说，该内部坐标系的Z轴是相对于指南针“水平”取向(或者相对于指南针所附着的任何设备)的向下的方向。Y轴垂直于Z轴并且向右延伸，而X轴垂直于Y轴和Z轴并且一般被定义为指南针的“正向”方向。

X轴相对于地磁北方的取向被用于确定方位角或者指向。具体来说，在水平面中从地磁北方到指南针X轴所顺时针测量的角度就是所述指向。如果指南针不是水平的而是具有一定的俯仰角、侧滚或者二者都有，则(经过倾斜补偿的)所述指向是指南针X轴到局部水平面上的投影。所感兴趣的磁指向是从地球磁场水平分量到指南针X轴的水平分量所测量的角度。在图2中，经过倾斜补偿的指向是20度。同样根据飞机的惯例，图2的指南针具有正的(机头向上)俯仰角(φ)和负的(右翼向上)侧滚(θ)。

回到图1，来自2轴或3轴倾斜传感器12以及2轴磁传感器14的输入被提供到A/D转换器16。该A/D转换器16的数字化输出随后可以被提供给处理器18，以用于补偿倾斜和其它误差源。处理器18可以使用操作软件以及存储在存储器20中的任何所需的所存储补偿数值来执行指向解计算。

如上所述，在任何经过倾斜补偿的指南针系统中，必须测量所有的俯仰角和侧滚角(以便能够求解等式2和3)；可以使用2轴或者3轴倾斜传感器来测量所述角度，其中由于对坐标系的最佳选择，3轴传感器可以产生更好的结果。可以使用加速度计、射流计、MEMS或者其它类型的倾斜传感器。

对于精度要求较低的娱乐用指南针，可以利用以下公式通过从一个2轴传感器计算的X和Y值来数学地导出与所述内部坐标系正交的地球磁场的Z分量：

$Z=\sqrt{H^2-X^2-Y^2}---\left(4\right)$

其中H是地球磁场的幅度。

一旦从等式(4)中计算出Z，就可以利用Z值以及俯仰角和侧滚数据来求解等式(2)和(3)。当解出等式(2)和(3)之后，可以将倾斜的指南针数学地“旋转”回到局部水平面，从而允许利用等式(1)来计算指向。

通过计算Z(而不是用一个与2轴传感器正交的第三传感器来直接测量之)，允许去除第三传感器，从而可以制造对于倾斜相对不敏感的非常平坦、紧凑的指南针传感器包装，小到足以容易地放置在比如手表和蜂窝电话的电子产品中。Honeywell生产几种合适的2轴磁阻传感器，比如HMC1002、HMC1022以及HMC1052。如果需要的话，也可以将所述系统与两个分开的单轴传感器一起使用。

HMC1052例如是一种适于用在本系统中的10引脚2轴传感器，该系统可以放在大约3mm×5mm的表面安装的包装中。HMC1052采用两个互相正交的4元件惠斯登电桥，其将磁场转换为差分输出电压；每个电桥能够感应低于0.1毫高斯的磁场，从而使得该传感器适用于指南针应用。对于更低分辨率的指南针应用，可以将HMC1052或者其它传感器与一个8位或10位A/D转换器一起使用。

为了在美国以及北半球的大部分地区使用，可以将等式(4)中的地球磁场H近似为0.5高斯以作为默认数值，从而产生约10度的精度，其中地球磁场的范围可以是从0.4到0.6高斯。可以通过将默认磁场强度数值设置得更为精确来提高指南针的精度，以便对应于指南针所使用的环境。为了提供一个默认数值或者更为特定的H值，可以在存储器20中提供一个查找表并且由处理器18在指向计算过程中使用，该查找表具有对应于不同位置的地球磁场的数值。或者，用户可以对于特定区域人工校准指南针，这是通过将指南针旋转过360度并且倾斜指南针以便确定由磁传感器14测量的最大磁场强度。随后可以存储所测量的磁场强度。

一旦存储了或者数字化了侧滚、俯仰角、H、X和Y数据，可以由处理器18使用这些数据来求解上面的等式(1)到(4)，以便提供经过倾斜补偿的指向信息以用于显示或其它目的。

图3是一个流程图，其说明了一种用于电子指南针应用的示例性方法。首先，在块22处，由2轴磁传感器14测量X和Y。接下来，在块24处，由倾斜传感器12测量俯仰角(φ)和侧滚角(θ)。应该注意，可以以任何顺序测量所述俯仰角、侧滚和磁场，并且获取每个读数所需的时间可以足够短，以便几乎同时地将各读数用于实际目的。该较短的测量时间是理想的，以使得所测量的俯仰角和侧滚与磁测量值精确地符合。

一旦所测量的X和Y数值可用于处理器18，该处理器就求解等式(4)以便利用所存储的对应于H的值来确定Z，如块26所示。一旦知道了Z，该处理器就可以求解等式(2)和(3)以便利用所测量的俯仰角(φ)和侧滚角(θ)来确定经过倾斜补偿的X_comp和Y_comp的数值，如块28所示。利用局部水平(也就是经过倾斜补偿的)分量X_comp和Y_comp，可以如块30所示地计算经过倾斜补偿的指向，此时可以数字地显示或者传输所述指向信息。

应当理解，所说明的各实施例仅仅是示例性的，而不应当被视为限制本发明。除非特别说明，否则权利要求不应当被视为限制于所描述的特定顺序或者元件。因此，本发明要求保护落在所附权利要求书及其等效表述的范围和精神内的所有实施例。

Claims (10)

1、一种指南针系统，包括：

至少一个磁传感器；

一个倾斜传感器；

一个存储器；

一个处理器；和

至少一个存储在该存储器中的用于地球磁场强度的数值；以及

一组存储在该存储器中并且可以由该处理器执行的指令，以便使用来自该2轴磁传感器的输入以及用于地球磁场强度的该至少一个所存储数值来计算一个磁场分量Z，该磁场分量Z正交于该2轴磁传感器的测量轴。

2、权利要求1所述的系统，其中所述至少一个磁传感器是一个2轴磁传感器。

3、权利要求2所述的系统，其中所述正交磁场分量Z被计算为 $Z=\sqrt{H^2-X^2-Y^2},$ 其中H是所述至少一个所存储数值，X是来自该2轴磁传感器的第一测量值，Y是来自该2轴磁传感器的与X正交的第二测量值。

4、权利要求3所述的系统，还包括使用所计算的Z的数值和来自所述倾斜传感器的输入来计算地球磁场的局部水平分量。

5、权利要求4所述的系统，其中所述倾斜传感器是一个2轴倾斜传感器，该2轴倾斜传感器测量俯仰角(φ)和侧滚角(θ)，并且其中所述局部水平分量X_comp和Y_comp互相正交并且通过下列等式来计算：

X_comp＝Xcosφ+Ysin²φ-2cosθsinφ以及

Y_comp＝Ycosθ+Zsin。

6、权利要求5所述的系统，其中使用下列等式来计算经补偿的指向：

Heading ＝arcTan(Y_comp/X_comp)。

7、一种用于补偿电子指南针中的倾斜的方法，该电子指南针具有一个2轴磁传感器和一个倾斜传感器，该方法包括：

存储至少一个用于地球磁场强度的数值；

利用该2轴磁传感器来测量地球磁场强度；以及

使用来自该2轴磁传感器的所测量的磁场强度和用于地球磁场强度的该至少一个所存储数值来计算一个磁场分量Z，该磁场分量Z正交于该2轴磁传感器的测量轴。

8、权利要求7所述的方法，还包括：

利用等式 $Z=\sqrt{H^2-X^2-Y^2}$ 来计算所述正交磁场分量Z，其中H是所述至少一个所存储数值，X是来自该2轴磁传感器的第一测量值，Y是来自该2轴磁传感器的与X正交的第二测量值。

9、权利要求8所述的方法，还包括：

使用所计算的Z的数值和来自所述倾斜传感器的输入来计算地球磁场的局部水平分量X_comp和Y_comp，其中所述倾斜传感器是一个2轴倾斜传感器，该2轴倾斜传感器测量俯仰角(φ)和侧滚角(θ)，并且其中所述局部水平分量X_comp和Y_comp互相正交并且通过下列等式来计算：

X_comp＝Xcosφ+Ysin²φ-Zcosθsinφ以及

Y_comp＝Ycosθ+Zsinθ。

10、一种用于补偿电子指南针中的倾斜的方法，该电子指南针具有一个2轴磁传感器和一个倾斜传感器，该方法包括：

存储至少一个用于地球磁场强度的数值；

利用该2轴磁传感器来测量地球磁场强度；

使用来自该2轴磁传感器的所测量的磁场强度和用于地球磁场强度的该至少一个所存储数值来计算一个磁场分量Z，该磁场分量Z正交于该2轴磁传感器的测量轴，其中利用等式 $Z=\sqrt{H^2-X^2-Y^2}$ 来计算所述正交磁场分量Z，其中H是所述至少一个所存储数值，X是来自该2轴磁传感器的第一测量值，Y是来自该2轴磁传感器的与X正交的第二测量值；

使用所计算的Z的数值和来自所述倾斜传感器的输入来计算地球磁场的局部水平分量X_comp和Y_comp，其中所述倾斜传感器是一个2轴倾斜传感器，该2轴倾斜传感器测量俯仰角(φ)和侧滚角(θ)，并且其中所述局部水平分量X_comp和Y_comp互相正交并且通过下列等式来计算：

X_comp＝Xcosφ+Ysin²φ-Zcosθsinφ和

Y_comp＝Ycosθ+Zsinθ；以及

使用下列等式来计算经补偿的指向：

Heading＝arcTan(Y_comp/X_comp)。

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