专利名称：基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统、测量方法及正交补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种基于巨磁阻传感器和三轴加速度传感器的地磁方位角测量系统， 及地磁方位角的全方位测量实现方法，特别涉及一种基于微处理器针对巨磁阻传感器三个轴正交及零位补偿方法。属数字信号处理及智能传感器技术等领域。
背景技术：
人类不断发展，现代航空、航天、航海、地质勘探、海洋勘测等领域中，定向技术必不可少，方位角的测量技术越来越重要。现阶段常见的方位角测量方法有陀螺仪、无线电航向仪、GPS和磁航向传感器。陀螺仪准确度高，稳定性好，但是成本高，结构复杂，导航误差随时间积累，且需要进行相当复杂、细致的初始对准工作。无线电航向仪设备简单，但是容易受到电磁波的干扰。全球卫星定位系统GPS精度高，可实现全天候定位，但存在城市大峡谷效应，会导致GPS定位失效。磁航向仪是基于磁传感器利用地磁场来测量航向的，结构简单、信号易处理、成本低，可直接测得载体与的磁场的夹角。通常，用于磁航向仪的地磁传感器需要有高灵敏度、高分辨率、低功耗等特点。目前常用的地磁传感器可归为以下几种
1)、磁通门式罗盘，如专利200610101789. 5 CN1971309是一种“地磁传感器及其方位角计算方法”。磁通门式罗盘中，磁通门传感器多采用双轴测量方式，其内部使用测倾仪器结构复杂，精度有限，动态性能较差，不适合快速运动物体。2)、磁阻式罗盘，运用磁阻传感器为测量元件，无转动部件，尺寸小动态性能好，但是常用的磁阻元件磁电阻效应只有1 3%，分辨率不够高，在地磁测量中表现出测量精度有限，无法实现高精度的地磁测量。上述地磁传感器中，地磁敏感元件结构复杂、分辨率低、动态性能差，如果在地磁检测中设备的姿态数据横滚角和俯仰角的测量也存在误差，将会给方位角的测定带来很大误差，降低设备精度。针对上述问题，本发明提出了一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统及方法，地磁测量模块具有体积小，成本低，精度高等特点。同时，采用三轴加速度传感器作为系统姿态测量模块，克服了二轴加速度传感器作为姿态测量模块时，横滚角和俯仰角的非单值问题，从而大大提高了地磁方位角测量精度。
发明内容
本发明针对已有技术的缺陷，提出一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统、测量方法及正交补偿方法。在利用巨磁阻传感器测量地磁场更精确和更可靠的基础上， 结合三轴加速度传感器实现方位角的唯一性，并对三轴巨磁阻输出非正交和零位偏差进行补偿。为达到上述目的，本发明的构思是
系统进行姿态数据测量时，由于加速度传感器的输出与俯仰角、横滚角之间均为Sin的正弦关系，在双轴加速度传感器作为姿态测量模块时，会出现俯仰角、横滚角非单值的情况。同时由于地磁测量数据、俯仰角及横滚角和地磁方位角之间为 tan的正切关系，在计算中显然会存在地磁方位角的非单值问题，降低了地磁方位角测量的精确度。巨磁阻传感器在进行地磁测量时，利用三个轴向的巨磁阻传感器同时进行地磁检测。在设计中三个轴向上高精度的巨磁阻传感器通常很难避免非正交现象，会导致非正交误差。同时，由于三个轴向上的巨磁阻传感器存在不同的零位偏差，这些现象将大大降低巨磁阻传感器的地磁测量精度。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方法
一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角全方位测量系统，由电源模块、地磁测量模块、姿态测量模块、温度测量模块、微处理器和上位机组成。其特征在于，所述电源模块为系统提供3. 3V稳定电源；所述地磁测量模块包括X轴、Y轴和Z轴巨磁阻传感器及对应每轴上的信号处理电路；所述姿态测量模块包括相互正交的X、Y、Z三轴加速度传感器；所述地磁测量模块连接至微处理器A/D采样口 ；所述姿态测量模块和温度测量模块分别连接至微处理器的数字IO 口 ；所述微处理器经RS232 口连接至上位机。所述电源模采用电压转换芯片1117 ；所述地磁测量模块采用三轴巨磁阻传感器八八!1002-02连接此低通滤波电路及仪用运放1嫩118 ；所述姿态测量模块采用三轴加速度传感器ADXL345 ；所述温度测量模块采用温度传感器DSB18B20 ；所述微处理器采用微处理器 MSP430F149，对地磁信息、俯仰信息和温度信息进行预处理后，通过上位机处理后得到地磁方位角。一种基于巨磁阻传感器地磁方位角测量方法，采用上述测量系统进行检测，其实现方位角全方位测量的具体步骤如下
(1)系统初始化，包括微处理器和上位机、温度传感器、三轴加速度传感器之间通信初始化，中断初始化；
(2)微处理器采集X轴、Y轴、Z轴的磁场数据/ZjrrΗ 、Hs ,系统温度数据， 以及加速度传感器三个轴向上重力加速度分量Ax、Ay、Az ；
(3)利用地磁场分量/ZjrrΠ , Hs及三轴加速度传感器的姿态信息，计算俯仰角;κ
7/^sin ^siri 7+ fJricos6-/7_,sm ^cosr
和横滚角日，通过模型^=-—』HJsr+HJ^——
进行方位角计算。根据姿态信息Z和θ及磁场数据进行方位角ψμ的全方位判定。(4)输出单值唯一的方位角^/m。所述步骤(3)中，实现方位角的全方位判定的具体步骤如下
①根据单轴加速度测量原理，通过处理加速度传感器ADL345三个轴向的输出信
号，得到三个轴向的重力加速度分量Ax、ky、kz。由式& = arCSm|JAi/g OS&jCf和之=arcs44f g , <90tf计算姿态角。通过对Ax、Ay、Az的大小及正负进行组合判
5别，实现对俯仰角r和横滚角Θ全方位判定；
(D微处理器通过对Ax、Ay、Az大于O、小于O、等于O、等于g、等于-g这5种情况进行组合判别，最终实现对俯仰角 > 和横滚角^全方位判定；
(D根据姿态数据解算出水平地磁分量Ha和Hy1 ,
权利要求
1.一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统，由电源模块(1)、地磁测量模块 (2)、姿态测量模块(3)、温度测量模块(4)、微处理器(5)和上位机(6)组成，其特征在于，所述电源模块(1)为系统提供3. 3V稳定电源；所述地磁测量模块(2 )包括X轴、Y轴和Z轴巨磁阻传感器及对应每轴上的信号处理电路；所述姿态测量模块(3)包括相互正交的X、Y、Z 三轴加速度传感器；所述地磁测量模块(2)连接至微处理器(5)A/D采样口 ；所述姿态测量模块(3)和温度测量模块(4)分别连接至微处理器(5)的数字IO 口 ；所述微处理器(5)经 RS232 口连接至上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统，其特征在于所述电源模块(1)采用电压转换芯片1117 ；所述地磁测量模块(2)采用三轴巨磁阻传感器 AAH002-02连接RC低通滤波电路及仪用运放INA118 ；所述姿态测量模块(3)采用三轴加速度传感器ADXL345 ；所述温度测量模块(4)采用温度传感器DSB18B20 ；所述微处理器(5)采用微处理器MSP430F149，对地磁信息、俯仰信息和温度信息进行预处理后，通过上位机(6) 处理后得到地磁方位角。
3.一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量方法，采用权利要求1所述的地磁方位角全方位测量系统进行测量，其特征在于具体操作步骤如下(1)系统初始化；(2)数据采集，采集地磁测量模块中地磁场在X、Y、Z三轴上的磁场分量 ^xt Hs ,姿态测量模块中χ、γ、Ζ三轴上的加速度分量AX、Ayjz及温度测量模块中的温度数据；(3)利用姿态数据运算出单值唯一的俯仰角『和横滚角Θ，并结合地磁数据TJy^sm&sm r^-TJ^cqsB-TJ^sm ^cos rHf ‘ Hs,通过式HJ^ffJr^^进行地磁方位角^M的全方位计算；(4)输出地磁方位角_。
4.根据权利要求3所述的基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量方法，其特征在于所述步骤(3)中，方位角^k需要进行全方位判定，具体步骤如下Q)微处理器(5)将三轴加速度传感器测得的加速度分量Ax、Ay带入等式,y = arcsin(Aic|/g和e=arcsm|Ay|/g计算俯仰角》禾口横滚角汐；(D微处理器(5)通过对Ax、Ay、Az大于O、小于O、等于O、等于g、等于-g这5种情况进行组合判别，最终实现对俯仰角Γ和横滚角d全方位判定；(D定义水平地磁分量为ΗΙ,Ιυι ,根据姿态矩阵及步骤Θ中得出的俯仰角『和横滚角义解出/^和孖机；令^ = arrtan ^Ko13<通过下面的判别实现方位角他的全方 位判定。
5. 一种基于巨磁阻传感器的方位角测量正交补偿方法，针对权利要求1中所述地磁测量模块(1)中巨磁阻传感器三轴非正交及存在零位偏差的问题，提出一种基于微处理器的三轴正交及零位补偿方法，其特征在于定义巨磁阻传感器三个轴向上实际坐标0x3y3z3及理想坐标OX3Y3Z3输出的磁场量分别为h^ 112和/^3，Hw Hs ；oy3与其在面OY3Z3上投影的夹角为珥，其投影与 OY3的夹角为碼；oz3与其在面OX3Z3上投影的夹角为巧，其投影与OZ3的夹角为％ ；令巨磁阻传感器三轴上的零位误差分别为战，；定义A3, H3和S可分别为实际及理想输出的磁场值及零偏值的向量形式，可得
全文摘要
本发明公开一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量系统、测量方法及正交补偿方法，从而实现对地磁方位角的全方位测量，减小由于三轴传感器非正交及零位偏差引起的测量误差。该测量系统，由地三轴磁测量模块、三轴姿态测量模块、温度测量模块、微处理器及上位机组成。本发明涉及到智能传感器技术、数字信号处理等技术领域。本发明针对巨磁阻传感器进行方位角测量时，由于数学模型导致方位角测量的多值问题，提出了一种以三轴加速度传感器为基础的智能卦限判别法，从而实现基于巨磁阻传感器的全方位角测量。同时，针对巨磁阻传感器三轴非正交及零位偏差导致的测量误差，提出了一种在微处理器内部完成的三轴正交及零位补偿方法，进而提高测量系统的测量精度。另外本发明还具有开发成本低、硬件电路简单等特点。
文档编号G01C17/38GK102313543SQ201110192080
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者付敬奇, 郑学理 申请人:上海大学