CN203011386U - 一种磁阻式电子罗经 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁阻式电子罗经，包括：电子罗经终端，其包括有三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，所述单片机包括有转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块，所述三轴磁场加速度计与所述姿态角和航向角计算模块通信连接，所述陀螺仪与所述转速计算模块通信连接；智能设备，其包括第二通信模块，所述第一通信模块与第二通信模块通信连接。本实用新型所述的磁阻式电子罗经包括有三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，单片机通过I2C接口与智能设备通信连接，实现了对姿态角、航向角以及转速的测量与计算，本实用新型可靠性和通信效率高，占用资源少，体积小，安装简易。

Description

一种磁阻式电子罗经

技术领域

本实用新型涉及电子罗经，尤其涉及一种磁阻式电子罗经。

背景技术

传统机械罗盘体积大且造价高，主要应用于飞机、坦克和舰船的方向测量，难以普及应用。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种体积小、成本低、功耗低、安装简易的磁阻式电子罗经，电子罗经终端通过I2C接口与智能设备连接，占用智能设备的CPU资源少，通信效率高。

本实用新型提供的技术方案为：

一种磁阻式电子罗经，包括：

电子罗经终端，其包括有三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，所述单片机包括有转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块，所述三轴磁场加速度计与所述姿态角和航向角计算模块通信连接，所述陀螺仪与所述转速计算模块通信连接；

智能设备，其包括第二通信模块，所述第一通信模块与第二通信模块通信连接。

优选的是，所述的磁阻式电子罗经中，所述单片机还包括存储模块，所述转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块均与所述存储模块连接，所述存储模块与所述第一通信模块通信连接。

优选的是，所述的磁阻式电子罗经中，所述电子罗经终端还包括电源以及电源管理模块，所述电源通过所述电源管理模块向所述电子罗经终端供电。

优选的是，所述的磁阻式电子罗经中，所述智能设备为微处理器。

优选的是，所述的磁阻式电子罗经中，所述第一通信模块为第一I2C接口，所述第二通信模块为第二I2C接口，所述第一I2C接口和第二I2C接口通过线缆连接。

优选的是，所述的磁阻式电子罗经中，所述电子罗经终端设置于一防水壳体内，所述线缆延伸出所述防水壳体，在与所述壳体的连接处设置有防水锁头。

本实用新型所述的磁阻式电子罗经包括有三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，单片机通过I2C接口与智能设备通信连接，实现了对姿态角、航向角以及转速的测量与计算，本实用新型可靠性和通信效率高，占用资源少，体积小，安装简易。

附图说明

图1为本实用新型所述的磁阻式电子罗经的结构示意图。

图2为本实用新型所述的磁阻式电子罗经的硬件电路原理框图。

图3为本实用新型所述的磁阻式电子罗经系统程序框图。

图4为本实用新型所述的磁阻式电子罗经的姿态计算原理图。

图5为本实用新型所述的磁阻式电子罗经的罗差补偿原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种磁阻式电子罗经，包括：电子罗经终端，其包括有三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，所述单片机包括有转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块，所述三轴磁场加速度计与所述姿态角和航向角计算模块通信连接，所述陀螺仪与所述转速计算模块通信连接；智能设备，其包括第二通信模块，所述第一通信模块与第二通信模块通信连接。

所述的磁阻式电子罗经中，所述单片机还包括存储模块，所述转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块均与所述存储模块连接，所述存储模块与所述第一通信模块通信连接。

所述的磁阻式电子罗经中，所述电子罗经终端还包括电源以及电源管理模块，所述电源通过所述电源管理模块向所述电子罗经终端供电。

所述的磁阻式电子罗经中，所述智能设备为微处理器。

所述的磁阻式电子罗经中，所述第一通信模块为第一I2C接口，所述第二通信模块为第二I2C接口，所述第一I2C接口和第二I2C接口通过线缆连接。

所述的磁阻式电子罗经中，所述电子罗经终端设置于一防水壳体4内，所述线缆1延伸出所述防水壳体，在与所述壳体的连接处设置有防水锁头2。

防水壳体包括有上下两部分，通过螺钉3拧紧固定。

本实用新型中电子罗经终端为从设备，微处理器为主设备。

本实用新型包括LSM303三轴磁场加速度计、MPU6050数字陀螺仪和STM32F103单片机，以及电源LM1117稳压模块（即电源管理模块）。LSM303三轴磁场加速度计、MPU6050数字陀螺仪皆通过通用IO模拟I2C通信与STM32F103单片机连接。

LSM303三轴磁场加速度计用于采集三轴上的地磁分量和静态加速度分量，通过I2C通讯传给单片机，由单片机计算求解航向角和姿态角。

MPU6050数字陀螺仪用于采集三轴上的动态加速度，通过I2C通讯传给单片机积分进行计算，求解三轴上的转速。

由图2电子罗经内的单片机STM32F103与LSM303和MPU6050串行连接，通过I2C通讯读取三轴上的地磁分量、静态加速度分量和动态加速度分量，经数字滤波后由单片机函数计算求解转速、姿态角和罗差补偿求解航向角，计算结果存入相应参数寄存器（也就是存储模块）。电子罗经终端作为从设备，经标准I2C通信接口与主机（也就是智能设备）相连，当外部主机需要查询转速、姿态、航向时，电子罗经终端通过I2C通信管理函数，将相应参数值传给主机，从而使主机得到转速、姿态角和航向角数值。

参见图3所示程序框图。本实用新型的电子罗经的工作过程如下。首先，电子罗经终端上电进行初始化，确保各模块处于正常的工作状态，并开启LSM303三轴磁场加速度计和MPU6050数字陀螺仪，读取三轴地磁分量、三轴静态加速度分量、三轴动态加速度分量的测量值，并进行数字低通滤波处理；接着，进行陀螺仪零位校正和航向椭圆罗差校正操作，计算求解、更新存储陀螺仪零位补偿系数和罗差补偿系数；然后通过陀螺仪零位补偿算法、姿态解算算法和罗差补偿算法计算求解转速、姿态角和航向角；最后电子罗经终端作为从设备，通过I2C通信管理函数，将相应转速、姿态角、航向角参数值传给主设备。

陀螺仪零位校正原理是，令电子罗经终端静止不动，单片机记录此时数字陀螺仪MPU6050所测得的值，即零位偏移值，当陀螺仪随着电子罗经转动时，将其测量值减去该零偏值，实现零位补偿。

电子罗经终端姿态解算原理是，当电子罗经终端处于静态时，重力加速度在其加速度计上的三轴分量ax、ay、az不随时间变化，可以根据三角形勾股定理公式，将LSM303测量三轴静态加速度变换为翻滚角φ与俯仰角θ，即解算出载体的姿态。如下图所示，立体块表示电子罗经终端，坐标系xyz表示罗经坐标，XhYhZh表示空间坐标，则XhYh表示水平面，翻滚角φ与俯仰角θ如图4所示。

翻滚角φ是旋转x轴时，产生的y轴和Yh轴的夹角，同理旋转y轴可产生俯仰角θ。变换公式如下：

$\mathrm{\θ}=-a\tan \left(\frac{\mathrm{ax}}{\sqrt{{\mathrm{ay}}^2+{\mathrm{az}}^2}}\right)$

$\mathrm{\φ}=a\tan \left(\frac{\mathrm{ay}}{\sqrt{{\mathrm{ax}}^2+{\mathrm{az}}^2}}\right)$

罗差补偿原理如图5所示，电子罗经终端安装在载体上，当周围环境不存在磁场干扰时，令载体顺时针/逆时针转一圈，其X轴和Y轴测得地磁分量画成曲线是一个标准的圆；而若其所处的环境存在软磁、硬磁干扰，其X轴和Y轴测得地磁分量画成曲线将变成一个椭圆，并且偏离圆心，这就是罗差。

因此LSM303三轴磁场加速度计输出的三轴地磁分量hx、hy、hz需要经过补偿处理，还原到单位圆上，才能反映实际的地磁大小。本发明采用的是平面椭圆罗差校正方法，简单实用。

首先，令载体顺时针/逆时针转一圈，比较记录地磁分量hx、hy的最大值和最小值maxhx、maxhy、minhx、minhy，然后依据下式求得罗差补偿系数：

Xsf=max(1,(Ymax-Ymin)/(Xmax-Xmin));

Ysf=max(1,(Xmax-Xmin)/(Ymax-Ymin));

Xoff=((Xmax-Xmin)/2-Xmax)*Xsf;

Yoff=((Ymax-Ymin)/2-Ymax)*Ysf;

将罗差补偿系数代入下式，求得实际地磁分量值：

Hx=hx*Xsf+Xoff;

Hy=hy*Ysf+Yoff;

LSM303测得的三轴地磁分量进行罗差补偿后，还应进行姿态补偿。用下列公式，将地磁分量Hx、Hy投影到水平面，可求得航向ψ：

Hxh=Hx*cosθ+Hy*sinθ*sinφ+hz*sinθ*cosφ;

Hyh=Hy*cosφ-hz*sinφ;

ψ=atan(Hyh/Hxh);

根据航向角定义在0~360度之间，取：

ψ=90°(Hxh=0,Hyh<0);

ψ=270°(Hxh=0,Hyh>0);

ψ=180°-atan(Hyh/Hxh)*(180/∏)(Hxh<0);

ψ=360°-atan(Hyh/Hxh)*(180/∏)(Hxh>0,Hyh>0);

ψ=-atan(Hyh/Hxh)*(180/∏)(Hxh>0,Hyh<0)。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种磁阻式电子罗经，其特征在于，包括： 

电子罗经终端，其包括有第一通信模块、三轴磁场加速度计、陀螺仪以及单片机，所述单片机包括有转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块，所述三轴磁场加速度计与所述姿态角和航向角计算模块通信连接，所述陀螺仪与所述转速计算模块通信连接，所述单片机与所述第一通信模块通信连接； 

智能设备，其包括第二通信模块，所述第一通信模块与第二通信模块通信连接。 

2.如权利要求1所述的磁阻式电子罗经，其特征在于，所述单片机还包括存储模块，所述转速计算模块以及姿态角和航向角计算模块均与所述存储模块连接，所述存储模块与所述第一通信模块通信连接。 

3.如权利要求1所述的磁阻式电子罗经，其特征在于，所述电子罗经终端还包括电源以及电源管理模块，所述电源通过所述电源管理模块向所述电子罗经终端供电。 

4.如权利要求1～3中任一项所述的磁阻式电子罗经，其特征在于，所述智能设备为微处理器。 

5.如权利要求1所述的磁阻式电子罗经，其特征在于，所述第一通信模块为第一I2C接口，所述第二通信模块为第二I2C接口，所述第一I2C接口和第二I2C接口通过线缆连接。 

6.如权利要求5所述的磁阻式电子罗经，其特征在于，所述电子罗经终端设置于一防水壳体内，所述线缆延伸出所述防水壳体，在与所述壳体的连接处设置有防水锁头。 

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