CN206818214U - 一种三维电子磁罗盘 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维电子磁罗盘，其结构包括在X、Y、Z三个方向正交布置的三轴磁阻传感器、恒流源电路、置位/复位电路、X、Y、Z三个方向正交布置的三轴加速度计、核心CPU、RS485接口电路。能够在三维空间内—俯仰角在±90度之间，任意横滚角下都够能准确测量出载体方位角。

Description

一种三维电子磁罗盘

技术领域

本实用新型属于方位角测量的传感器技术领域，涉及一种三维电子磁罗盘。

背景技术

电子磁罗盘能够测量载体轴线相对于地球的磁北极之间夹角，即方位角。在矿山探测、煤田开采、油田测井、轮船导航、飞行器导航等领域具有广泛的应用。

传统的磁罗盘存在或者体积大、成本高，或者存在没有倾斜角补偿或者补偿不理想，在大的俯仰角下(例如俯仰角大于60度以上)，方位角测量不准确等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种三维电子磁罗盘，能够在三维空间内—俯仰角在±90度之间，任意横滚角下都够能准确测量出载体方位角。

本实用新型所采用的技术方案是，一种三维电子磁罗盘，其结构包括在X、Y、Z三个方向正交布置的三轴磁阻传感器、恒流源电路、置位/复位电路、X、Y、Z三个方向正交布置的三轴加速度计、核心CPU、RS485接口电路。

本实用新型的特点还在于，

所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度计和置位/复位电路分别与核心CPU连接。

所述的恒流源电路与三轴磁阻传感器连接。

所述的恒流源电路的MV+、MV-端口，与三轴磁阻传感器的MV+、MV-端口连接。

所述的RS485接口电路与核心CPU中的Uart口连接。

所述的轴磁阻传感器的输出端与CPU的采集端口连接。

所述的三轴磁阻传感器的S/R+、S/R-端口依次串联连接，且S/R端口与置位/复位电路的输出端口连接。

所述的磁阻传感器的电路，采用HMC1001和HMC1002芯片。

所述的核心CPU采用ADI公司的ADuCM360芯片。

本实用新型的有益效果是，选用三轴磁阻传感器作为磁场强度敏感元件，选用三轴加速度传感器敏感平面内的倾斜角度，选用ADI公司的ADuCM360芯片作为核心处理CPU(该芯片基于Cortex-M3的ARM核，集成有可编程差分放大器、24位ADC、等资源)，通过ADC通道实时采集三轴磁场强度、三轴加速度信号，分别对其进行非正交性补偿，然后利用公式计算出俯仰角、横滚角、方位角，最终通过RS485接口芯片输出角度数据。

附图说明

图1为本实用新型三维电子磁罗盘的功能模块框图；

图2为本实用新型的三轴磁阻传感器电路结构图；

图3为本实用新型的置位/复位电路结构图；

图4为本实用新型的恒流源电路结构图；

图5为本实用新型的RS485接口电路结构图；

图6为本实用新型的核心CPU的电路图；

图7为本实用新型的三轴加速度计的电路图。

图中，1.恒流源电路，2.三轴磁阻传感器，3.置位/复位电路，4.三轴加速度计，5.核心CPU，6.RS485接口电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

一种三维电子磁罗盘，如图1所示，其结构包括在X、Y、Z三个方向正交布置的三轴磁阻传感器2、恒流源电路、置位/复位电路、X、Y、Z三个方向正交布置的三轴加速度计4、核心CPU5、RS485接口电路6。

所述的三轴磁阻传感器2、三轴加速度计4和置位/复位电路3分别与核心CPU5连接。

所述的恒流源电路1与三轴磁阻传感器2连接，

所述的置位/复位电路3还与核心CPU5连接；

所述的RS485接口电路6与核心CPU5连接；

所述的轴磁阻传感器2的输出端与CPU5的采集端口连接；

所述的三轴磁阻传感器的S/R+、S/R-端口依次串联连接，且S/R端口与置位/复位电路6的输出端口连接；

恒流源电路4的MV+、MV-端口，与三轴磁阻传感器的MV+、MV-端口连接；

恒流源电路负责给磁阻传感器提供稳定的恒流激励，以保证磁阻传感器有稳定、可靠的信号输出；

图2所示的磁阻传感器的电路结构，采用HMC1001和HMC1002芯片，HMC1001是Z轴磁阻传感器，HMC1002用于X、Y两轴磁阻传感器，共组成X、Y、Z三轴磁阻传感器。磁阻传感器在物理结构上组成X、Y、Z正交的三轴磁传感器，敏感测量环境的磁场在三个轴向上的磁场分量，以模拟电压形式送到CPU的采集端口；

图3(a)和图3(b)所示的两种可采用的置位/复位电路的电路图的结构为，芯片U6采用P沟道的MOS管，芯片U7采用N沟道的MOS管，组成开关电路，U6的源极S通过电阻R11连接到20V电源，U7的源极S接地，二者的漏极D连在一起作为输出，通过控制SET、RESET端口，能够在输出端产生幅值20V的方波信号输出，用于对磁阻传感器进行置位/复位。

置位/复位电路在CPU的控制下，周期性的对磁阻传感器进行置位/复位操作，以消除传感器受强磁场影响而导致的磁化影响，保证传感器的灵敏度和测量精度；

如图4所示的恒流源电路的电路结构图，由运放和P沟道的MOS管构成，运放的反向输入端IN-连接固定电压，由2.5V电压基准，通过分压电阻R20、R21获得；由采用电阻R19将输出的恒定电流转变为电压信号连接到运放的同相端。当某种因素导致输出电流增大时，采样电阻上的电压增大，运放的输出电压增大，导致MOS管导通变小，导通电阻增加，使电流恢复到原设定值；当某种因素导致输出电流减小时，采样电阻上的电压减小，运放的输出电压减小，导致MOS管导通变大，导通电阻减小，使电流恢复到原设定值。输出的电流由分压电阻和采样电阻共同确定。

图5为RS485接口的电路图，核心CPU5的Uart口输出的信号是TTL电平，通过RS485接口电路，转换为工业标准的RS485信号进行输出。

如图6所示，核心CPU采用ADI公司的ADuCM360芯片，该芯片是基于Cortex-M3的ARM核的微控制器，集成有可编程差分放大器、24位ADC、模拟通道选择器、Uart通讯接口。X、Y、Z三轴磁阻传感器输出的模拟电压信号MX、MY、MZ，分别连接到CPU芯片的AIN8、AIN9、AIN6、AIN7、AIN10、AIN11端口，首先经过可内部编程差分放大器进行信号放大，以满足ADC的输入范围，提高磁场信号的采集分辨率，之后送入ADC进行数据采集；X、Y、Z三轴加速度计输出的模拟电压信号AX、AY、AZ，分别连接到CPU芯片的AIN1、AIN2、AIN3端口，直接送入ADC进行数据采集。得到磁场强度和加速度信号的数字量后，通过软件，-进行非正交性(安装误差)校正、补偿、角度计算，最后通过Uart通讯接口实时输出俯仰角、横滚角和方位角度值；

如图7所示，加速度计采用的芯片为SCA100T，在物理结构上组成X、Y、Z正交的三轴加速度传感器，敏感重力在三个轴向上的分量，以模拟电压形式送到CPU的采集端口。

本实用新型三维电子磁罗盘的技术指标为：

(1)磁场强度的测量范围：-2～+2Gauss

(2)航向角测量范围：0～360度；精度：<1.0度

(3)俯仰角测量范围：-90～90度；精度：<0.2度

(4)横滚角测量范围：0～360度；精度：<0.2度

(5)数据更新率：1～100Hz

本实用新型还具备以下有益效果，

1、能够对三轴磁传感器和加速度传感器安装的非正交性进行补偿，更加灵活，大大降低了对加工、装配环节的精度要求。

2、能够对磁罗盘安装位置周围的干扰磁场进行校正，提高了传感器的使用精度。

3、由于本方案采用三轴加速度传感器，使得能够对加速度传感器进行非正交性补偿，保证三轴加速度传感器的正交性，在三维空间内计算的倾斜角度(俯仰角和横滚角)比使用两轴加速度计的方案更加精确，同时提高了方位角的精度。

Claims (9)

1.一种三维电子磁罗盘，其特征在于，其结构包括在X、Y、Z三个方向正交布置的三轴磁阻传感器(2)、恒流源电路(1)、置位/复位电路(3)、X、Y、Z三个方向正交布置的三轴加速度计(4)、核心CPU(5)、RS485接口电路(6)。

2.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的三轴磁阻传感器(2)、三轴加速度计(4)和置位/复位电路(3)分别与核心CPU(5)连接。

3.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的恒流源电路(1)与三轴磁阻传感器(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的恒流源电路(1)的MV+、MV-端口，与三轴磁阻传感器(2)的MV+、MV-端口连接。

5.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的RS485接口电路(6)与核心CPU(5)中的Uart口连接。

6.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的轴磁阻传感器(2)的输出端与CPU(5)的采集端口连接。

7.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的三轴磁阻传感器(2)的S/R+、S/R-端口依次串联连接，且S/R端口与置位/复位电路(6)的输出端口连接。

8.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的磁阻传感器(2)的电路，采用HMC1001和HMC1002芯片。

9.根据权利要求1所述的一种三维电子磁罗盘，其特征在于，所述的核心CPU(5)采用ADI公司的ADuCM360芯片。