一种三维磁感式磁罗经的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁导航、定位等技术领域，尤其涉及磁罗经技术。
【背景技术】
[0002] 智能磁罗经传感器是一种利用地球磁场测量方向的重要导航工具，能实时提供机 动目标的航向和姿态，广泛地应用在航空、航海、车载定位、深海探测等领域。通过现代科学 技术的发展，人们把磁罗经传感器与电子线路、微控制器集成，以数字量精确的给出地理航 向角，由于这种磁罗经没有可动部件，具有良好的抗冲击性，且结构简单、体积小、重量轻、 成本低、智能自动校准等特点。
[0003] 地球磁场强度大约为0.5~0.6gauss，与地球表面平行的分量总是指向磁北极。 目前的电子磁罗经按设计原理不同，分为三种原理：磁通门式、磁阻效应式和磁感效应式。 磁通门式磁罗经传感器为了达到较高的灵敏度，必须增加线圈横截面积，所以一般体积大、 功耗大，处理电路相对复杂，成本高。磁阻效应式磁罗经具有结构简单、灵敏度高、线性度好 等特点，但是其灵敏度、线性度与量程相互制约，存在交流零位信号，不宜高频动态测量。磁 感效应式传感器是一门新兴技术，采用磁感效应原理。磁感效应原理是运用纳米珀莫合金 和漆包线制作特制电感，在外磁场和线圈电流的影响下，电感的磁性材料会有磁化效应，当 趋于磁饱和时，磁导率y和外界磁场强度H成反比。铁芯被磁化时，会满足趋于磁饱和条件 电感L和导磁率y成正比，所以通过测量因磁场变化而引起电感变化来衡量地磁场强度。
[0004] 目前美国PNI公司推出采用磁感效应原理磁罗经传感器，其采用LR谐振施密特触 发器作为传感器激励电路，实现了对地磁场的高精度测量。该系列传感器被广泛应用在航 天、航空、工业等诸多领域。国内在该项技术领域未见相关报道及产品。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决现有技术中磁感效应原理磁罗经传感器技术缺失的问题，现提 供一种三维磁感式磁罗经。
[0006] -种三维磁感式磁罗经，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、 三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP;
[0007] FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；
[0008] DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿 及485总线输出单元；
[0009]激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励 方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信 号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端 连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块 的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀 螺仪信号输入端；
[0010] 频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号 输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入 端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端， 圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单 元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补 偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角0和横滚角小；
[0011] 圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修 正，获得磁干扰修正信号；
[0012] 卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔 曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；
[0013] 磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利 用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角e和横滚角小 获得航向角也。
[0014] 上述三维磁感传感器包括：Z向磁芯1、Z向线圈2、X向线圈3、X向磁芯4、Y向磁 芯5、Y向线圈6和塑料基座7 ;
[0015] 塑料基座7为正方体，Z向磁芯1的一端、X向磁芯4的一端和Y向磁芯5的一端 分别固定在塑料基座7的三个面上，该塑料基座7的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向 线圈2、X向线圈3和Y向线圈6分别缠绕在Z向磁芯1、X向磁芯4和Y向磁芯5上。
[0016] 上述FPGA的频率计模块包括：时差信号采集单元和磁场强度信号获得单元；
[0017] 时差信号采集单元：实时采集三维磁感传感器输出的时差信号，该时差信号包括 X轴正向时差信号TPx、X轴反向时差信号TNX、Y轴正向时差信号tPy、Y轴反向时差信号 丁队"轴正向时差信号^巧和冗轴反向时差信号^?^;
[0018] 磁场强度信号获得单元：所述磁场强度信号包括X轴磁场强度HX、Y轴磁场强度Hy 和Z轴磁场强度Hz;
[0019] 利用下式获得X轴磁场强度Hx:
[0020] Hx=k(Tpx-TNx),
[0021] 利用下式获得Y轴磁场强度Hy:
[0022] Hy=k(tpY-tNy),
[0023] 利用下式获得Z轴磁场强度Hz:
[0024] Hz=k(Tpz-TNz),
[0025] 上式中k均为修正系数。
[0026] 上述圆形旋转极值修正单元中，所述磁干扰修正信号包括X轴磁干扰修正信号 H' 磁干扰修正信号H'Y，所述对磁场强度信号进行磁干扰修正包括一次修正单元、 判断单元和二次修正单元，
[0027] -次修正单元：采用冒泡排序法获得X轴磁场强度极大值Hx_、X轴磁场强度极小 值Hx_、Y轴磁场强度极大值HY_和Y轴磁场强度极小值HY_，
[0028] 利用下式获得X轴测量范围HXran、Y轴测量范围HYran、X轴偏移HxjPY轴偏移HYrf:
[0029]
[0030] 根据偏移的圆心移动算法获得一次修正后的磁干扰修正信号，该一次修正后的磁 干扰修正信号包括X轴一次修正信号H'XJPY轴一次修正信号H' ￥1：
[0031]
[0032] 判断单元：判断X轴测量范围H&an和Y轴测量范围HYran的大小关系，
[0033] 若HXran>Hftan，则对Y轴一次修正信号H'Y1进行二次修正，并将X轴一次修正信号 H'X1作为X轴磁干扰修正信号H'x，将Y轴二次修正信号H'Y2作为Y轴磁干扰修正信号 H，Y，
[0034] 若HXran〈Hftan，则对X轴一次修正信号H'X1进行二次修正，并将X轴二次修正信号 屮X2作为X轴磁干扰修正信号H'x，将Y轴一次修正信号H'Y1作为Y轴磁干扰修正信号 Y;
[0035] 二次修正单元：利用下式获得X轴二次修正信号H'xjPY轴二次修正信号H' Y2:
[0036]
[0037] 发明所述的一种三维磁感式磁罗经以磁感效应为基础，结合模拟信号处理技术， 并运用现代数字信号处理技术，采用FPGA和DSP模块化设计方法，实现对传感器的信号提 取工作。使本发明所述的一种三维磁感式磁罗经具有精度高、高稳定性、功耗低、体积小且 具备智能自补偿功能等特点。采用脉冲信号激励替代传统的方波激励方式，可有效降低了 磁传感器检测电路的功耗。三维磁感应传感器采用集成三维磁芯结构，有效降低传感器的 正交偏差，并利用FPGA实现三维磁信号高速同步采集处理，提高了磁罗经的航向角检测精 度。磁感应传感器激励采用脉冲激励方法降低器件功耗，同时磁罗经采用DSP处理器进行 智能磁补偿和姿态自补偿技术，使磁罗经具有较好的环境适应能力。