CN208269926U

CN208269926U - 电子罗盘

Info

Publication number: CN208269926U
Application number: CN201820608929.6U
Authority: CN
Inventors: 彭根斋; 白雪; 王福均; 闫欢; 尹久红
Original assignee: SOUTHWEST INSTITUTE OF APPLIED MAGNETICS
Current assignee: SOUTHWEST INSTITUTE OF APPLIED MAGNETICS
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2028-04-26

Abstract

本实用新型公开了一种电子罗盘，包括壳身、盖板和位于壳身内的电路单元，所述电路单元包括数据采集电路、微处理器、串口通信电路和电源电路，所述数据采集电路包括三轴磁传感器和倾角传感器，所述三轴磁传感器用于获取当前环境的地球三轴地磁场值，并经信号调理电路、A/D转换电路后送入微处理器中，所述倾角传感器用于获取当前环境的地球重力加速度值，并转换成倾角值，送入微处理器，所述微处理器的串口与串口通信电路连接，所述壳体一侧设有通信接口插件。本实用新型解决了传统电子罗盘仅具备提供姿态位置信息输出功能问题，利用自身提供的姿态信息，在不改变原有硬件系统架构的同时，研究姿态位置补偿。

Description

电子罗盘

技术领域

本实用新型涉及一种罗盘的测试方法，尤其涉及一种电子罗盘的校正方法。

背景技术

电子罗盘作为一种地磁导航模块，是一种利用地球磁场和重力加速度来测量方向的重要导航工具，输出方位角、姿态角、磁场值等测量值，能实时提供航向和姿态信息，具有体积小、结构简单、功耗小、成本低等优点，广泛应用于航空、航海、车载定位、地质勘探等领域。

传统电子罗盘硬件系统主要包括磁传感器、倾角传感器、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器、电源电路、串口通信电路，软件系统主要包括数据采集，方位角求解，误差参数计算，误差补偿。软件部分主要功能包括：控制完成磁传感器和倾角传感器的数据采集，对采集到的数据进行补偿校正及方位角解算，最后串口输出方位角、姿态角信息。

传统的电子罗盘技术问题及缺陷主要体现在以下两个方面：

第一、仅具备对地球磁场和重力加速度信号的处理、显示、存储或传输功能，不具备对外部信号的误差修正功能。

第二、不具备通过通讯接口实现对微处理器内部嵌入的误差补偿参数再修正功能，安装于整机系统中校准较为繁琐，不适用于长期无人值守且不便移动的整机系统中。

而且，电子罗盘在使用是一般都会经过内部自动校正的方式获取校正参数，以进行误差补偿，其方法大致为：需要保持产品姿态角小于15°缓慢转动，转动范围超过360°来实现产品校正。

若产品的安装环境处于可移动、可旋转状态时，此时能进行内部自动校正。若产品安装在无法发生旋转、转动等位置时，则无法完成校正，此处必须将电子罗盘拆卸下来，非常不方便。即使拆卸下来产品，单独对该电子罗盘采用旋转方式校正也行，这样并不能补偿载体平台存在对电子罗盘所产生的软磁干扰和硬磁干扰。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于提供一种解决上述问题，适用于多种载体，且不受安装位置、安装方式限定，均能完成校正的电子罗盘的校正方法。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：一种电子罗盘的校正方法，包括电子罗盘，所述电子罗盘包括壳身、盖板和位于壳身内的电路单元，所述电路单元包括数据采集电路、微处理器、串口通信电路和电源电路，所述数据采集电路包括三轴磁传感器和倾角传感器，所述三轴磁传感器用于获取当前环境的地球三轴地磁场值，并经信号调理电路、A/D转换电路后送入微处理器中，所述倾角传感器用于获取当前环境的地球重力加速度值，并转换成倾角值，送入微处理器，所述微处理器的串口与串口通信电路连接，所述串口通信电路用于与上位机通信，所述壳身一侧设有通信接口插件，所述通信接口插件用于连接串口通信电路和电源电路；

所述电子罗盘的校正方法包括以下步骤：

(1)系统初始化，获取电子罗盘的零位误差参数、灵敏度误差参数、正交误差参数、安装误差参数、温度误差参数，作为基础误差参数预存至微处理器中，通过磁传感器和倾角传感器分别获取当前环境的地球磁场数据和倾角数据，送入微处理器中；

(2)所述微处理器利用倾角数据对磁场数据进行倾角补偿，再将倾角数据和补偿后的磁场数据进行数据预处理；

(3)根据步骤(2)获得的数据进行方位角求解；输出未经过校正参数补偿的方位角数据；

(4)获取安装现场的硬磁干扰误差参数、软磁干扰误差参数，与基础误差参数构成误差参数；

(5)利用误差参数，对步骤(3)的数据进行误差补偿，获得姿态角数据；

(6)根据步骤(5)获得的姿态角数据，结合姿态位置补偿方法，将实际坐标系坐标原点平移到测量坐标系原点。

作为优选：所述步骤(2)倾角补偿的具体方法为：

(21)利用三轴磁传感器测出载体坐标系X、Y、Z三个轴的磁场强度分量 X、Y、Z；

(22)通过倾角传感器测出载体X、Y、Z三个轴的重力加速度分量Ax、Ay、 Az，结合空间几何计算横滚角θ和俯仰角δ，公式如下：

(23)倾斜补偿

通过测得的横滚角和俯仰角，结合测得的磁场强度分量X、Y、Z，根据矢量三角形，将其转化到地球坐标系下的水平磁场强度X_H和Y_H；

X_H＝X·cos(δ)+Y·sin(θ)·sin(δ)-Z·cos(θ)·sin(δ) (3)

Y_H＝Y·cos(θ)+Z·sin(θ) (4)

作为优选：所述步骤(3)中方位角求解的具体方法为：

将公式(3)和(4)求出的X_H和Y_H，带入下式求出方位角α：

作为优选：所述步骤(6)中，结合姿态位置补偿方法具体为：

测量坐标系为(x,y,z)，步骤(5)获得的姿态角数据为二者间的位移数据为平移后的新坐标为

平移后坐标系(x₂,y₂,z₂)与测量坐标系(x,y,z)的关系为：

1)坐标系XYZ绕Z轴逆时针旋转α角，变换为坐标系X₁Y₁Z；

2)坐标系X₁Y₁Z绕Y₁轴逆时针旋转β角，变换为坐标系X₂Y₁Z₁；

3)坐标系X₂Y₁Z₁绕X₂轴逆时针旋转γ角，变换为坐标系X₂Y₂Z₂；

上述旋转过程中的旋转角α、β、γ称为“欧拉旋转角”，由电子罗盘给出，测量坐标系(x,y,z)通过三次绕坐标轴旋转变换到平移后的坐标系(x₂,y₂,z₂) 中，上述旋转过程用矩阵相乘的形式表示为

令

测量坐标系中的坐标为

作为优选：所述壳身采用铝制成，盖板与壳身间设有密封圈。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型解决了传统电子罗盘仅具备提供姿态位置信息输出功能问题，利用自身提供的姿态信息，在不改变原有硬件系统架构的同时，研究姿态位置补偿方法和环境干扰磁场补偿方法。

另外，采用铝材料来制造壳身，能避免壳身干扰地磁场，采用密封圈能防水。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型电路原理图；

图3为本实用新型实施例1的流程图；

图4为实施例1中测量坐标系和实际坐标系关系图；

图5为实施例1中平移后坐标系与测量坐标系关系；

图6为步骤(6)补偿前后的仿真对比图；

图7为本实用新型实施例3的流程图。

图中：1、盖板；2、电路单元；3、壳身；4、通信接口插件。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：参见图1到图6，一种电子罗盘的校正方法，包括电子罗盘，所述电子罗盘包括壳身、盖板和位于壳身内的电路单元，所述电路单元包括数据采集电路、微处理器、串口通信电路和电源电路，所述数据采集电路包括三轴磁传感器和倾角传感器，所述三轴磁传感器用于获取当前环境的地球三轴地磁场值，并经信号调理电路、A/D转换电路后送入微处理器中，所述倾角传感器用于获取当前环境的地球重力加速度值，并转换成倾角值，送入微处理器，所述微处理器的串口与串口通信电路连接，所述串口通信电路用于与上位机通信，所述壳身一侧设有通信接口插件，所述通信接口插件用于连接串口通信电路和电源电路；所述壳身采用铝制成，盖板与壳身间设有密封圈。

所述电子罗盘的校正方法包括以下步骤：

本实施例中：所述步骤(2)倾角补偿的具体方法为：

(23)倾斜补偿

X_H＝X·cos(δ)+Y·sin(θ)·sin(δ)-Z·cos(θ)·sin(δ) (3)

Y_H＝Y·cos(θ)+Z·sin(θ) (4)

所述步骤(3)中方位角求解的具体方法为：

将公式(3)和(4)求出的X_H和Y_H，带入下式求出方位角α：

所述步骤(6)中，结合姿态位置补偿方法具体为：

平移后坐标系(x₂,y₂,z₂)与测量坐标系(x,y,z)的关系为：

1)坐标系XYZ绕Z轴逆时针旋转α角，变换为坐标系X₁Y₁Z；

令

测量坐标系中的坐标为

至此完成了节点姿态位置补偿。

在α＝2°,β＝2°,γ＝1°时，假设电子罗盘测量位置误差最大值为±0.01m，姿态误差最大值为±0.1°时，采用上述方法补偿和没有补偿的仿真结果如图6所示，其中，中间那条波动很小的线条为补偿前的仿真数据图，波动大的线条为补偿后的仿真数据图，可以看出通过补偿后可以大大提高数据精度，均方根误差由0.7335降为0.0235，下降了一个数量级。

其中，获取安装现场的硬磁干扰误差参数、软磁干扰误差参数，与基础误差构成误差参数；是通过壳身一侧的通信接口插件，经串口通信电路输入到微处理器中的。

实施例2：现有技术中，电子罗盘都带有内部自主校正模式指令。在方位角求解以前，先增加一部分判断，上位机输入“是否需要校正”的指令，微处理器接收后，如果无需校正，直接利用预存的误差参数结合方位角求解来求解姿态角信息，若需要校正，则进入内部自主校正模式指令中：

需要保持产品姿态角小于15°缓慢转动，转动范围超过360°来实现产品校正；在此期间，通过嵌入微处理器内部的校正程序，执行采集传感器数据程序，采集数据主要包括“数据预处理后”环节中的磁场数据和倾角数据，当采集的点数足够时，通过嵌入式校正算法处理和校正参数求解过程，将误差参数求解出并将其存储；再继续运行方位角求解，误差补偿软件程序，最后输出新的方位角、姿态角数据；然后上位机存储产品输出数据，最后发送停止自主模式校正指令。

此处、内部自主校正模式中，误差参数包括零位误差参数、灵敏度误差参数、正交误差参数、安装误差参数、硬磁干扰误差参数、软磁干扰误差参数、温度误差等。

(1)零位误差：输入零位误差参数，运行零位误差程序，通过零位误差参数与磁场测量值、倾角测量值进行算法矩阵运算，将磁传感器和倾角传感器的零点漂移等因素引起的方位角误差进行补偿，完成零点输出值补偿；

(2)灵敏度误差：根据方位角求解公式，当X轴和Y轴灵敏度与放大倍数的乘积不一致时，将引起方位角误差，因此输入灵敏度误差参数，调整X、Y、 Z轴磁场值的对应比例因子(灵敏度误差参数)，运行灵敏度误差程序，将其与磁场测量值、倾角测量值进行算法运算，实现补偿功能；

(3)正交误差：因磁传感器的制造、安装误差，导致X、Y、Z轴不正交导致的误差磁场测量值误差，最终计算引起方位角误差，输入正交误差参数，运行正交误差补偿程序，将X、Y、Z轴的角度变化数据与磁场测量值、倾角测量值通过程序计算完成正交误差补偿；

(4)安装误差：因磁传感器和倾角传感器因安装时各轴与载体坐标轴不平行而导致的安装误差，输入安装误差参数，运行安装误差程序，将安装误差参数与磁场测量值、倾角测量值进行算法矩阵运算，完成补偿功能；

(5)硬磁干扰误差：因系统周围的多种铁磁物质的磁场合成导致的固定磁场干扰引起的磁场测量值误差，输入硬磁干扰误差系数，运行硬磁干扰误差程序，将硬磁干扰误差影响量值和磁场测量值进行算法矩阵运算，完成补偿功能；

(6)软磁干扰误差：因周围软磁材料磁化现象导致的变化磁场干扰引起的磁场测量值误差，该干扰主要与环境磁场及本身材料有关，因此输入软磁干扰误差系数，运行软磁干扰误差模型计算程序，将软磁干扰相关系数矩阵(包括环境磁场因子、本身材料因子)与磁场测量值进行矩阵运算，完成补偿功能；

(7)温度误差：输入温度误差参数，运行温度误差程序，通过温度误差参数与磁场测量值、倾角测量值进行算法矩阵运算，将磁传感器和倾角传感器的温度漂移等因素引起的方位角误差进行补偿，完成温度变化导致的方位角误差补偿。

实施例3：参见图7，由实施例2可知，此处存在重大缺陷，也就是载体安装后无法转动，无法实现内部校正程序。

此时，在方位角求解以前，先增加第一个判断，上位机输入“是否需要校正”的指令，微处理器接收后，如果无需校正，直接利用预存的误差参数结合方位角求解来求解姿态角信息，若需要校正，则进入下一个判断，通过外部辅助校正模式指令还是内部自主校正模式指令来校正，我们设外部辅助校正模式指令为模式1，内部自主校正模式指令为模式2，若采用模式1来校正，具体方法参见实施例1，若采用模式2来校正，则参见实施例2。

Claims

1.一种电子罗盘，包括电子罗盘，所述电子罗盘包括壳身、盖板和位于壳身内的电路单元，其特征在于：所述电路单元包括数据采集电路、微处理器、串口通信电路和电源电路，所述数据采集电路包括三轴磁传感器和倾角传感器，所述三轴磁传感器用于获取当前环境的地球三轴地磁场值，并经信号调理电路、A/D转换电路后送入微处理器中，所述倾角传感器用于获取当前环境的地球重力加速度值，并转换成倾角值，送入微处理器，所述微处理器的串口与串口通信电路连接，所述串口通信电路用于与上位机通信，所述壳身一侧设有通信接口插件，所述通信接口插件用于连接串口通信电路和电源电路。

2.根据权利要求1所述的电子罗盘，其特征在于：所述壳身采用铝制成，盖板与壳身间设有密封圈。