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雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測(cè)速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用,但由于其信號(hào)常被地形、地物遮擋,導(dǎo)致精度大大降低,甚至不能使用。尤其在高樓林立城區(qū)和植被茂密的林區(qū),GPS信號(hào)的有效性?xún)H為60%。并且在靜止的情況下,GPS也無(wú)法給出航向信息。為彌補(bǔ)這一不足,可以采用組合導(dǎo)航定向的方法。電子羅盤(pán)產(chǎn)品正是為滿(mǎn)足用戶(hù)的此類(lèi)需求而設(shè)計(jì)的。它可以對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償,保證導(dǎo)航定向信息100%有效,即使是在GPS信號(hào)失鎖后也能正常工作,做到“丟星不丟向”。

電子羅盤(pán)可以分為平面電子羅盤(pán)和三維電子羅盤(pán)。平面電子羅盤(pán)要求用戶(hù)在使用時(shí)必須保持羅盤(pán)的水平,否則當(dāng)羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí),也會(huì)給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒(méi)有變化。

雖然平面電子羅盤(pán)對(duì)使用時(shí)要求很高,但如果能保證羅盤(pán)所附載體始終水平的話,平面羅盤(pán)是一種性?xún)r(jià)比很好的選擇。三維電子羅盤(pán)克服了平面電子羅盤(pán)在使用中的嚴(yán)格限制,因?yàn)槿�維電子羅盤(pán)在其內(nèi)部加入了傾角傳感器,如果羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)可以對(duì)羅盤(pán)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償,這樣即使羅盤(pán)發(fā)生傾斜,航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無(wú)誤。有時(shí)為了克服溫度漂移,羅盤(pán)也可內(nèi)置溫度補(bǔ)償,最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

三維電子羅盤(pán)由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng),傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器,每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。向前的方向稱(chēng)為x方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在x方向的矢量值；向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn),并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器,磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場(chǎng)變化量,我們便可通過(guò)該高分辨力來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度,不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。

僅用地磁場(chǎng)在X和Y的兩個(gè)分矢量值便可確定方位值：

Azimuth=arcTan(Y/X)

該關(guān)系式是在檢測(cè)儀器與地表面平行時(shí)才成立。當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時(shí),方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響,該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響,采用雙軸傾角傳感器來(lái)測(cè)量俯仰和側(cè)傾角,這個(gè)俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化；而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤(pán)將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算,將磁力儀在三個(gè)軸向上的矢量在原來(lái)的位置“拉”回到水平的位置。

標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

這里Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值

α為俯仰角

β為側(cè)傾角

從以上這三個(gè)計(jì)算公式可以看出,在整個(gè)補(bǔ)償技術(shù)中Z軸向的矢量扮演一個(gè)非常重要的角色。要正確運(yùn)用這些值,俯仰和側(cè)傾角的數(shù)字必須時(shí)刻更新。采用雙軸寬線性量程范圍、高分辨率、溫漂系數(shù)低的陶瓷基體電解質(zhì)傳感器來(lái)測(cè)量俯仰角和側(cè)傾角,傾角數(shù)值經(jīng)過(guò)電路板上的溫度傳感器補(bǔ)償后得出的。

總結(jié)一下,典型的數(shù)字羅盤(pán)具有以下特點(diǎn):

1、三軸磁阻效應(yīng)傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng),雙軸傾角補(bǔ)償。

2、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。

3、內(nèi)置溫度補(bǔ)償,最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4、內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。

5、具有簡(jiǎn)單有效的用戶(hù)標(biāo)校指令。

6、具有指向零點(diǎn)修正功能。

7、外殼結(jié)構(gòu)防水,無(wú)磁。電子羅盤(pán)的原理是測(cè)量地球磁場(chǎng),如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場(chǎng)且這些磁場(chǎng)無(wú)法有效的屏蔽時(shí),那么電子羅盤(pán)的使用就有很大的問(wèn)題,這時(shí)只能考慮使用陀螺來(lái)測(cè)定航向了。

水平孔和垂直孔測(cè)量、水下勘探、飛行器導(dǎo)航、科學(xué)研究、教育培訓(xùn)、建筑物定位、設(shè)備維護(hù)、導(dǎo)航系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、GPS備份、汽車(chē)指南針、虛擬現(xiàn)實(shí)。

隨著微電子集成技術(shù)以及加工工藝、材料技術(shù)的不斷發(fā)展。電子羅盤(pán)的研究制造與運(yùn)用也達(dá)到了一個(gè)前所未有的水平。目前電子羅盤(pán)按照有無(wú)傾角補(bǔ)償可以分為平面電子羅盤(pán)和三維電子羅盤(pán),也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門(mén)傳感器。

1、磁阻效應(yīng)傳感器

磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的。磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性,對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí),其磁化方向?qū)⑷�決于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。如圖所示,當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流I時(shí),材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個(gè)磁場(chǎng)B(被測(cè)磁場(chǎng)),就會(huì)使原來(lái)的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向,則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向,則材料的電阻將增大。磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個(gè)這樣的電阻組成,并將它們接成電橋。在被測(cè)磁場(chǎng)B作用下,電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大,另外兩個(gè)電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi),電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。 磁阻傳感器已經(jīng)能制作在硅片上,并形成產(chǎn)品。其靈敏度和線性度已經(jīng)能滿(mǎn)足磁羅盤(pán)的要求,各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件。

遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移還可采用對(duì)傳感器進(jìn)行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。由于磁阻傳感器的這些優(yōu)越性能,使它在某些應(yīng)用場(chǎng)合能夠與磁通門(mén)競(jìng) 爭(zhēng)。磁阻傳感器的主要問(wèn)題是其翻轉(zhuǎn)效應(yīng),這是其原理所固有的。如前所述,在使用前對(duì)磁性材料進(jìn)行了磁化,此后如果遇到了較強(qiáng)的相反方向的磁場(chǎng)(大于20高斯)就會(huì)對(duì)材料的磁化產(chǎn)生影響,從而影響傳感器的性能。在極端情況下,會(huì)使磁化方向翻轉(zhuǎn)180。這種危險(xiǎn)雖然可以利用周期性磁化的方法加以消除,但仍存在問(wèn)題。對(duì)材料進(jìn)行磁化的磁場(chǎng)必須很強(qiáng),如果采用外加線圈來(lái)產(chǎn)生周期性磁化磁場(chǎng),就失去了小型化的意義,Honeywell公司的一項(xiàng)專(zhuān)利,解決了這個(gè)問(wèn)題。他們?cè)诠杵�上制作了一個(gè)電流帶來(lái)產(chǎn)生磁化磁場(chǎng),該電流帶的阻值只有5歐姆左右。

雖然磁化電流只持續(xù)1-2毫秒,但電流強(qiáng)度卻高達(dá)1到1.5安培。但這種方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求高,而且如果集成入微系統(tǒng),這樣強(qiáng)的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

2、霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)磁傳感器的工作原理如圖2-2所示。如果沿矩形金屬薄片的長(zhǎng)方向通電流I,由于載流子受洛侖茲力作用,在垂直于薄片平面的方向施加強(qiáng)磁場(chǎng)B,則在其橫向會(huì)產(chǎn)生電壓差U,其大小與電流I、磁場(chǎng)B和材料的霍爾系數(shù)R成正比,與金屬薄片的厚度d反比。100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng),由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應(yīng)用,直到半導(dǎo)體問(wèn)世后才真正用于磁場(chǎng)測(cè)量。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體中的載流子數(shù)量少,如果給它通的電流與金屬材料相同,那么半導(dǎo)體中載流子的速度就更快,所受到的洛侖茲力就更大,因而霍爾效應(yīng)的系數(shù)也就更大。霍爾效應(yīng)磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,功耗小,價(jià)格便宜,接口電路簡(jiǎn)單,特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量。但是,它又有靈敏度低,噪聲大,溫度性能差等缺點(diǎn)。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施霍爾器件也能用于測(cè)量地磁場(chǎng),但一般都是用于要求不高的場(chǎng)合。

3、磁通門(mén)傳感器

磁飽和法是基于磁調(diào)制原理,即利用被測(cè)磁場(chǎng)中鐵磁材料磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和勵(lì)磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的一種方法。應(yīng)用磁飽和法測(cè)量磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)稱(chēng)為磁飽和磁強(qiáng)計(jì),也稱(chēng)磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)或鐵磁探針磁強(qiáng)計(jì)。磁飽和法大體劃分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩大類(lèi)。諧波選擇法只是考慮探頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的偶次諧波(主要是二次諧波),而濾去其他諧波；諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接測(cè)量探頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的全部頻譜,利用差分對(duì)磁飽和探頭能夠構(gòu)成磁飽和梯度計(jì),可以測(cè)量非均勻磁場(chǎng),同時(shí)利用梯度計(jì)能夠克服地磁場(chǎng)的影響和抑制外界的干擾。這種磁強(qiáng)計(jì)早在本世紀(jì)30年代開(kāi)始用于地磁測(cè)量以來(lái),不斷獲得發(fā)展與改進(jìn),目前仍然是測(cè)量弱磁場(chǎng)的基本儀器之一。磁飽和磁強(qiáng)計(jì)分辨力較高測(cè)量弱磁場(chǎng)的范圍較寬,并且可靠、簡(jiǎn)易、價(jià)廉、耐用,能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用。因此,它廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中,如地磁研究、地質(zhì)勘探、武器偵察、材料無(wú)損探傷、空間磁場(chǎng)測(cè)量等。近年來(lái),磁飽和磁強(qiáng)計(jì)在宇航工程中得到了重要的應(yīng)用,例如用來(lái)控制人造衛(wèi)星和火箭的姿態(tài),還可以測(cè)繪來(lái)自太陽(yáng)的“太陽(yáng)風(fēng)”以及帶電粒子相互作用的空間磁場(chǎng)、月球磁場(chǎng)、行星磁場(chǎng)和行星際磁場(chǎng)的圖形。 雖然磁通門(mén)還存在處理電路相對(duì)較復(fù)雜、體積較大和功耗相對(duì)較大的問(wèn)題,但隨著微系統(tǒng)、微型磁通門(mén)和低功耗磁通門(mén)的研究,這些問(wèn)題可以得到解決。從三者的比較來(lái)看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤(pán)具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),優(yōu)勢(shì)明顯,是電子羅盤(pán)的發(fā)展方向。