专利名称：一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种含有放大器偏置调零电路的地磁传感器系统及方法，特别涉及一 种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统及方法。属于传感器技术领域。
背景技术：
伴随着人类活动领域的不断扩大，航空、航天、航海、地层勘探、深海探测等领域 中，姿态角测量技术已为大多数工程领域所必需。目前用于姿态角测量的方法主要有无线 电导航、陀螺仪、地磁定位、太阳方位角定位、恒星天文定位。由于无线电信号受到地形的限 制，陀螺仪测量的精度低，高精度的陀螺仪技术复杂，造价昂贵，天体定位受天气的局限，基 于地磁传感器系统的姿态角测量很好的解决上述缺点。一般而言，要求这些地磁传感器的 灵敏度高、分辨率高、体积小、功耗低等特点。常见的地磁传感器主要有以下1、永磁体罗盘，这种地磁场测量装置的缺点是永磁体磁矩有限而分辨率不高，难 以实现小型化，结构复杂，承载能力差。2、磁通门罗盘，如专利200610101789. 5 CN1971309描述了 “地磁传感器及其方位 角计算方法”。这类磁通门地磁传感器缺点结构比较大、动态响应慢、解算比较复杂。3、磁阻传感器，如专利200580035519. 2 CN101044412描述了 “使用磁阻传感器测 量磁场的方法和设备”。它利用的是镍铁合金的电阻只对某一个方向的磁场敏感的原理。由 于电阻的体积可以做的很小而且没有活动部件，所以利用磁阻元件构成的姿态角测量仪体 积小，可靠性好。其缺点是对温度比较敏感，需要设法消除外界温度变化带来的影响；此外， 磁电阻变化率低、灵敏度低，因此提高测量精度会受到很大限制。因此，如果没有一个精确的地磁场测量传感器，加上带有误差的俯仰角，则不能很 好的补偿横滚角，使得横滚角在计算中就有误差。针对上述体积大，灵敏度低等问题，本发 明提供了一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统及方法，体积小，成本低，精度高， 具有很好的使用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的缺陷，提供一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚 角测量系统及方法，使得利用巨磁阻传感器测量地磁场更精确和更可靠，实现俯仰角唯一 性，并利用俯仰角及地磁场分量解算横滚角。为达到上述本发明的目的，本发明的构思是巨磁阻传感器测量地磁场时，由于巨磁阻传感器电桥偏置的原因，即外磁场为零 的情况下，传感器输出不为零，进入A/D转换器内的信号范围被缩小，降低了模数转换器的 采样分辨率，从而也降低了地磁场和横滚角测量的精确度。加速度传感器进行俯仰角测量时，由于加速度传感器的输出与被测俯仰角之间为 Sine的关系，显然，单轴加速度传感器测量俯仰角时会出现多值问题，因此解算出来的横滚角不唯一。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统由地磁测量模块，俯仰角测量模 块，信号调理模块，微处理器组成，其特征在于所述地磁测量模块包括两两正交的X轴、Y轴 和Z轴巨磁阻传感器；所述俯仰角测量模块包括互相垂直的X轴和Z轴双轴加速度传感器； 所述信号调理模块包括经过一个放大器偏置调零电路，一个仪表放大器，连接一个A/D转 换器；所述地磁测量模块经信号调理模块连接所述微处理器，所述俯仰角测量模块连接所 述微处理器。所述地磁测量模块采用三轴巨磁阻传感器AAH002-02 ；所述俯仰角测量模块采用 双轴加速度传感器ADXL202 ；所述信号调理模块中仪表放大器采用INA118，A/D转换器为微 处理器自带；所述微处理器采用Atmegal28L ；所述信号调理模块对地磁测量模块的巨磁阻 传感器测得模拟信号进行放大、偏置调零和模数转换；所述微处理器对地磁和俯仰信息进 行多传感器融合处理后得到地磁横滚角。所述信号调理模块是将巨磁阻传感器模拟信号经放大器偏置调零电路后由仪表 放大器放大，再通过A/D转换器转换为数字信号，最后送入微处理器；所述放大器偏置调零 电路是在所述仪表放大器一个输入端接一个数字电位器Rg，通过控制数字电位器Rg，实现 电桥供电电压的调整，达到减小巨磁阻传感器零位输出的目的，提高了模数转换器的采样 分辨率，从而提高了地磁场测量的精度。一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量方法，采用上述系统进行测量，其特征 在于具体操作步骤如下(1)测量基于巨磁阻传感器的地磁横滚角参数；(2)采集各轴巨磁阻传感器的测量值，根据测量值计算X轴、Y轴和Z轴上磁场分 量 H" ‘ X、H〃 ‘ Y、H〃 ‘ z；(3)采集双轴加速度传感器的输出值，利用该输出值计算俯仰角，实现了俯仰角 θ唯一性(4)利用X轴、Y轴和Z轴地磁场分量H" ‘ Χ、Η〃 ‘ γ和H" ‘ ζ及俯仰角Θ，通
Ηγ 。进行方位角为零的横滚角im； φ = HxSmO- HzCosOφ(5)输出横滚角识。上述步骤(2)中，ΑΑΗ002-02传感器利用的是磁场的变化引起阻值的变化，电阻的 变化引起惠斯通电桥输出的变化；利用下式Δ V。ut = KSHVb分别计算X轴、Y轴和Z轴上磁 场分量H" ‘ X、H〃 ‘ Y、H〃 ‘ z。式中八\^为六六!1002-02输出量，1(为1嫩118放大倍数， S为AAH002-02灵敏度，Vb为激励电压。所述步骤(3)中，实现俯仰角唯一性的具体步骤如下根据单轴加速度测量原理，利用等式gSin θ = Ax计算出来的俯仰角出现多值问 题，不能得到唯一的测量值。本发明利用双轴加速度传感器ADXL202，给出了一种判别俯仰 角象限的方法根据X轴加速度传感器测量值Ax和Z轴测量值Az的正负性判断俯仰角的象 限。将X轴加速度传感器测量值Ax代入等式θ =arcSin(AX/g)计算俯仰角，当Ax大于0， Az大于0时，则所述θ为俯仰角；当Ax大于0，Αζ小于0时，则180° -Θ为俯仰角；当Ax小于0，Az小于0时，则180° +1 θ I为俯仰角；当Ax小于0，Az大于0时；则360° -|θ 为俯仰角。本发明与现有的技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优占.
^ \\\ ·(1)巨磁阻变化率高，灵敏度高，采用巨磁阻传感器测量地磁场精确度高；(2)采用放大器偏置调零电路，减少了巨磁阻传感器零位输出，提高了地磁场测量 精度；(3)适合对低磁场的测量；(4)硬件设计电路简单，测量装置体积小；(5)采用象限判别法可以得到唯一的俯仰角，提高横滚角的测量精度；(6)成本低，功耗低。
图1是基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统的构造框图。图2是图1的地磁横滚角测量系统中设计的信号调理模块电路结构图。图3是一种计算横滚角方法的流程图。图4是图3横滚角计算方法中测量地磁场的流程图。图5是图3横滚角计算方法中确定俯仰角唯一性的象限判别流程图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下实施例一参见图1，本巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统由地磁测量模块1、 俯仰角测量模块2、信号调理模块3和微处理器4组成。所述地磁测量模块1包含互相正交的X轴、Y轴和Z轴的3轴巨磁阻传感器 ΑΑΗ002-02。ΑΑΗ002-02输出与外部地磁场相对应的电压值，因此，通过各轴传感器的输出值 来获得相对应的地磁场分量。俯仰角测量模块2包含互相垂直的X轴和Z轴的加速度传感器ADXL202。ADXL202 输出与地磁传感器系统主体的倾斜相对应的加速度，它们之间有gSin θ =Ax,gCos θ =Az 的关系，因此，通过双轴加速度传感器可以进行俯仰角测量，实现俯仰角的唯一性。信号调理模块3包含仪表放大器ΙΝΑ118、A/D转换器和放大器偏置调零电路。巨 磁阻传感器ΑΑΗ002-02输出信号通过仪表放大器INAl 18放大后，进入A/D转换器转换成微 处理器Atmegal28L能处理的数字信号。微处理器Atmegal28L 4对地磁和俯仰信息进行多传感器融合处理后得到地磁横 滚角。实施例二 本实施例与实施例一相同，特殊之处如下参见图2所述地磁横滚角 测量系统中信号调理模块3电路结构图，巨磁阻传感器AAH002-02模拟信号经偏置调零 电路和仪表放大器INA118放大，再通过A/D转换器转换为数字信号，最后送入微处理器 Atmegal28L。放大器偏置调零电路含有一个数字电位器Rg和两个固定电阻R2。在地磁场 与巨磁阻传感器敏感轴平行时，巨磁阻传感器有偏置电压输出，此时，通过调节数字电位器Rg的阻值给仪表放大器加入一个极性相反的电压，以产生一个相反的直流电压强度消除偏 置，其电压大小为供电电压的一半减去电桥的偏置电压。实施例三参见图3，图4，图5，本基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量方法，具体 步骤如下(1)如图3流程1，测量基于巨磁阻传感器的地磁横滚角参数。(2)如图3流程2，采集各轴巨磁阻传感器的测量值，根据测量值转至图4流程，计 算X轴、Y轴和Z轴上磁场分量H" ‘ X、H〃 ‘ Y、H〃 ‘ z。如图4流程1，系统初始化，包括INAl 18放大倍数K，AAH002-02灵敏度S，激励电
压Vb。如图4流程2，分别采集X轴、Y轴和Z轴上巨磁阻传感器AAH002-02输出值Δ Vouto如图4流程3，将AV。ut、K、S及Vb带入等式Δ V。ut = KSHVb,分别计算地磁场分量
μ // /YX ！‘ /ΛΛ" /
η^ > ηγ > η^ °(3)如图3流程3，采集双轴加速度传感器的输出值，利用输出值，转至图5流程， 计算俯仰角，实现了俯仰角θ唯一性。(4)计算横滚角识如图5流程1，采集X轴和Z轴加速度传感器测量值为Ax、Az。如图5流程2，将Ax代入等式θ = arcSin (Ax/g)计算俯仰角θ。如图5流程3，当Ax大于0，Az大于0时，则所述θ为俯仰角。如图5流程4，当Ax大于0，Az小于0时，则180° - θ为俯仰角。如图5流程5，当Ax小于0，Az小于0时，则180° +| θ |为俯仰角。如图5流程6，当Ax小于0，Az大于0时；则360° θ |为俯仰角。如图3流程4，利用X轴、Y轴和Z轴地磁场分量H" ‘ χ、H" ‘ γ和H" ‘ ζ及俯 仰角θ，通过式P= tg-XΗγ(方位角为零)进行横滚角计算。
Hx Sin θ - Hz Cos θφ(5)输出横滚角ρ。
权利要求
一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统，由地磁测量模块(1)、俯仰角测量模块(2)、信号调理模块(3)和微处理器(4)组成，其特征在于所述地磁测量模块(1)包括两两正交的X轴、Y轴和Z轴巨磁阻传感器；所述俯仰角测量模块(2)包括互相垂直的X轴和Z轴双轴加速度传感器；所述信号调理模块(3)包括经过一个放大器偏置调零电路，一个仪表放大器，连接一个A/D转换器；所述地磁测量模块(1)经信号调理模块(3)连接所述微处理器(4)，所述俯仰角测量模块(2)连接所述微处理器(4)。
2.根据权利要求1所述的基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统，其特征在于所述 地磁测量模块(1)采用三轴巨磁阻传感器AAH002-02 ；所述俯仰角测量模块(2)采用双轴 加速度传感器ADXL202 ；所述信号调理模块(3)中仪表放大器采用INAl 18，A/D转换器为微 处理器自带；所述微处理器(4)采用Atmegal28L ；所述信号调理模块(3)对地磁测量模块 (1)的巨磁阻传感器测得模拟信号进行放大、偏置调零和模数转换；所述微处理器(4)对地 磁和俯仰信息进行多传感器融合处理后得到地磁横滚角。
3.根据权利要求1所述的基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统，其特征在于所述 信号调理模块(3)是将巨磁阻传感器模拟信号经放大器偏置调零电路后由仪表放大器放 大，再通过A/D转换器转换为数字信号，最后送入微处理器；所述放大器偏置调零电路是 在所述仪表放大器一个输入端接一个数字电位器Rg，通过控制数字电位器Rg，实现电桥供 电电压的调整，达到减小巨磁阻传感器零位输出的目的，提高了模数转换器的采样分辨率， 从而提高了地磁场测量的精度。
4.一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量方法，采用根据权利要求1所述的基于巨 磁阻传感器的地磁横滚角测量系统进行测量，其特征在于具体操作步骤如下(1)测量基于巨磁阻传感器的地磁横滚角参数；(2)采集各轴巨磁阻传感器的测量值，根据测量值计算X轴、Y轴和Z轴上磁场分量ΓΓ" ι ΓΓ" ι ΓΓ" IΠ χ> π Υ> α ζ ；(3)采集双轴加速度传感器的输出值，利用该输出值计算俯仰角，实现了俯仰角θ唯 一性；(4)利用X轴、Y轴和Z轴地磁场分量H"‘ Χ、Η" ‘ γ和H" ‘ 2及俯仰角Θ，通过式tg~{ fYo ^进行方位角为零的横滚角im； φ = Hx Sin θ - Hz Cos θφ(5)输出横滚角P。
5.根据权利要求4所述的基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量方法，其特征在于所述 步骤(2)中，ΑΑΗ002-02传感器利用的是磁场的变化引起阻值的变化，电阻的变化引起惠斯 通电桥输出的变化；利用下式AV。ut = KSHVb分别计算X轴、Y轴和Z轴上磁场分量H" ‘ x、 H" ‘ γ、H" ‘ z。式中八￥_为六六!1002-02输出量，1(为1嫩118放大倍数，3为六六!1002-02 灵敏度，Vb为激励电压。
6.根据权利要求4所述的基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量方法，其特征在于所述 步骤(3)中，由于单轴加速度传感器测量俯仰角时出现多值问题，采用双轴加速度传感器 ADXL202，实现了俯仰角唯一性；具体步骤如下设定Ax、Az为X轴和Z轴加速度。(1)微处理器(4)将Ax代入等式θ= arcSin(Ax/g)计算俯仰角；(2)根据gSin θ = Ax, gCos θ = Αζ，有当Ax大于0，Az大于0时，则所述θ为俯仰角；当Ax大于0，Az小于0时，则180° --θ为俯仰角；当Ax小于0，Az小于0时，则180° -—I θ I为俯仰角；当Ax小于0，Az大于0时；则360° ■-I θ I为俯仰角。
全文摘要
本发明涉及了一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统及方法。该系统主要由地磁测量模块、俯仰角测量模块、信号调理模块和微处理器组成。其中地磁测量模块由巨磁阻传感器进行X轴、Y轴和Z轴的地磁测量；俯仰角测量模块由双轴加速度传感器进行X轴俯仰角测量；信号调理模块进行巨磁阻传感器模拟信号的放大、偏置调零、模数转换；微处理器对地磁和俯仰信息进行多传感器融合处理后得到地磁横滚角。本方法设计了放大器偏置调零电路，减小巨磁阻传感器的零位输出，提高横滚角测量的精度；采用了双轴加速度传感器，解决单轴加速度传感器在俯仰角测量时出现多值问题，实现俯仰角唯一性以及横滚角的测量。
文档编号G01V3/40GK101893722SQ20101021601
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者付敬奇, 王小秋 申请人:上海大学