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电子罗盘全详解

目前, 导航系统已广泛应用于汽车、航海、航空等领域。电子罗盘是导航系统不可缺少的组成部分。

定位不准确的原因包括:

①多路径效应:建筑物对GPS信号反射;

②阴影:在城市中高层建筑与高层建筑之间形成的峡谷和浓密植被下,信号接收效果较差;

③隧道、地下停车场造成的信号失

④初始化时间延长在接收信号差的地区;

⑤一些动态影响,如汽车大幅度增速与减速等。

会导致上述原因GPS不能提供任何位置或定位精度急剧下降。

对于高精度电子罗盘,GPS有效补偿信号,确保导航定向信息100%有效GPS信号失锁后,也可以正常工作,做到不丢星。

考虑到自身利益,美国从不承诺不实施SA干扰和区域关闭更多GPS用户带来极大的疑惑和担忧。因此,将GPS结合电子罗盘,两者相互补充,组合使用是导航领域的理想选择。例如,尽管美国完全独立GPS 卫星资源,但为了使系统更可靠,使导航信息100%有效,M1坦克和其他一些重要设备仍然安装C100电子罗盘。

与其他导航方法相比,地磁导航起步较晚。20世纪60年代中期,美国E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线的匹配MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系统, 在20世纪70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。20世纪80年代初,瑞典Lund学院对船舶的地磁导航进行了实验验证。在实验中,人工比较地磁强度的测量数据,确定船舶的位置,并根据距离已知的两个磁传感器的输出时差确定船舶的速度。

地磁场模型和地磁图是研究地磁导航制导技术的基础,地磁场建模和地磁图的准确性是决定地磁导航技术是否可行的关键因素。

地球本身是磁性的,所以地球和近地空间之间有磁场,称为地磁场。地磁场的强度为0. 3 至0. 6 随地(甚至随时间),高斯的大小和方向 而异。地球本身是磁性的,所以地球和近地空间之间有磁场,称为地磁场。地磁场的强度为0. 3 至0. 6 随地(甚至随时间),高斯的大小和方向 而异。

如图所示,地球的磁场像条形磁体一样由磁南极指向磁北极。磁场垂直于当地水平面,平行于赤道磁场和当地水平面,因此向北半球磁场倾斜。用于测量磁感应强度的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。地磁场的强度通常为0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极与地理上的北极并不重叠,通常有11度左右的夹角。

地磁场是一个矢量。对于固定位置,该矢量可分解为两个与当地水平面平行的重量和一个垂直于当地水平面的重量。如果电子罗盘与当地水平面平行,则罗盘中磁力计的三个轴对应于这三个重量。

事实上,对于水平方向的两个重量,它们的矢量总是指向磁北。罗盘中的航向角(Azimuth)是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平,航向角只能通过磁力计水平方向两轴(通常是X轴和Y轴)的检测数据来计算。当罗盘水平旋转时,航向角在0-360度之间发生变化。

早期,采用机械式磁罗盘。机械磁罗盘主要由几个平行排列的磁针、刻度盘和磁误差校正装置组成。磁针固定在刻度盘背面。在地磁的影响下,磁针与刻度盘旋转以指出方向。磁通门传感器适用于地磁场测量AMR磁电子罗盘在传感器的出现中逐渐出现。与机械磁罗盘相比,这种电子磁罗盘具有抗冲击、抗震等突出优点,可以补偿杂散磁场,输出电信号,可以轻松与其他电子设备形成应用系统。

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。

用于测量地球磁场的三维磁阻传感器,倾角传感器在磁力仪非水平状态下进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号,以及软铁和硬铁的数据输出补偿。

三维磁阻传感器采用三个相互垂直的磁阻传感器,每个轴向传感器检测该方向的地磁场强度。向前方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值;左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值;向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点,并具有非常低的横轴灵敏度。放大传感器产生的模拟输出信号后送入MCU进行处理。

1.仪器与地表面平行时,X和X只使用地磁场Y方位值可以通过两个分矢量值来确定。

2.当仪器倾斜时,方位值的准确性将受到很大影响,这取决于仪器的位置和倾角。为了减少误差的影响,双轴倾角传感器用于测量俯仰和侧倾角,定义为前后角度的变化;侧倾角由左向右变化。电子罗盘通过转换计算俯仰和侧倾角的数据,将磁力仪在三个轴向上的矢量拉到原来的水平位置。

标准转换计算式如下:

Xr=Xcosα Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ Zsinβ

其中,Xr和Yr将值转换为水平位置,X、Y、Z三个方向的矢量值,α为俯仰角,β为侧倾角。

1轴磁阻效应传感器测量平面地磁场,双轴倾角补偿。

2.高速高精度A/D转换。

3、内置温度补偿,最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

5.用户标准校准指令简单有效。

6.具有指向零点校正功能。

1.电子罗盘主要用于辅助GPS在静态状态下导航和获取航向,包括加速度和方向定位、倾角测量等功能。

2.定位加速度和方向。电子罗盘用三轴磁阻传感器测量平面地磁场,双轴倾角补偿GPS配合盲区导航GOOGLE地图可以作为导航,也可以作为三维定位,也可以根据电子罗盘的读数,地图自动旋转到用户方便阅读的方向,使显示的地图方向始终根据您的方向自动改变,即可以作为专业指南针,简单点是加速度和方向的定位。

3.倾角测量。三维电子罗盘不仅具有指南针功能,还能实现倾角测量。类似陀螺仪,站在斜坡上可以计算斜坡的角度,但最重要的是可以在不干扰飞机飞行的情况下使用。

电子罗盘的原理是测量地球磁场,但如果使用环境中除地球以外的磁场不能有效屏蔽,则使用电子罗盘存在很大的问题。此时,只能考虑使用陀螺仪来测量方向。

根据是否有倾角补偿,电子罗盘可分为:

平面电子罗盘要求用户在使用时保持罗盘的水平,否则当罗盘倾斜时,也会改变方向,但实际方向没有改变。

虽然平面电子罗盘对使用要求很高,但如果能保证罗盘所附载体的始终水平,平面罗盘是一个不错的选择。

三维电子罗盘集成三轴磁通门传感器,在平面电子罗盘的基础上增加倾角传感器,如果罗盘倾斜,即使罗盘倾斜,方向数据仍然准确。通过中央处理器实时解决方向,并使用三轴加速度计补偿大范围的倾角,以确保罗盘的倾角高达±90°还可以提供高精度的航向数据。

根据传感器的不同,电子罗盘分为:

根据磁性材料的磁阻效应制成。磁阻传感器的灵敏度和线性度已经满足了磁罗盘的要求,由于霍尔器件,它可以在某些应用程序中与磁通门竞争。然而,其固有的缺点使磁阻效应传感器集成到微系统中的强脉冲电流威胁到系统中的微处理器其它电路的可靠性。

根据半导体材料的霍尔效应制成。优点是体积小,重量轻,功耗小,价格便宜,接口电路简单,特别适用于强磁场的测量。缺点是有灵敏度低,噪声大,温度性能差等,一般都是用于要求不高的场合。

根据磁饱和法原理制成,利用被测磁场中铁磁材料磁芯在交变磁场的饱和励磁下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。从三者的比较来看,目前基于磁电阻传感器的电子罗盘具有体积小、响应速度快等优点,优势明显,是电子罗盘的发展方向。

一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据,一个三轴加速计以测量罗盘倾角,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角,通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响。

意法半导体LSM303DLH实现成本低、性能高的电子罗盘为例。将上述的加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起,仍然通过I2C总线和处理器通信。这样只用一颗芯片就实现了6轴的数据检测和输出。

软件方面同样以意法半导体LSM303DLH电子罗盘为例,基于Android的电子罗盘功能软件结构如下图所示:

核心驱动层:Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG),实现了从IIC或串口读取经过数模转换和精度补偿计算的航向角,完成电子罗盘硬件设备访问。

硬件无关层:HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so,实现了对电子罗盘设备的驱动封装访问。

Framework层:实现Android系统中框架层的传感器管理模块对电子罗盘设备的管理。

应用层:经过library 的计算,上层的应用可以很轻松的运用由Android定义由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写。基于电子罗盘的应用有Android的Skymap、IBMeye等。

电子罗盘应用广泛,高精尖的航天、航空、航海都离不了它。

罗外电子罗盘(Compass),看似遥远,但其实就在我们身边,您手上的智能手机有指南针功能吧,对,它就是采用了电子罗盘传感器。其实,不单单如此,它可以说已经渗透到了我们生活的方方面面。

那么在我们的生活中,它有哪些和我们密切相关的用处呢?

我们最熟悉的就是手机导航,拿着手机,地图跟着你的方向转,这就是电子罗盘的功劳。

目前的车载导航仪许多都整合了GPS和电子罗盘。特别是经常进行越野活动的车主更是需要选择带电子罗盘的导航仪或多功能电子罗盘。由于GPS导航在一些地形复杂地区信号受到遮蔽,无法满足正常的导航功能,而电子罗盘具有不需要接收信号的特点,可辅助导航。

此外还有多功能电子罗盘,这种罗盘一般集GPS气压测高仪和磁力线罗盘为一体,可以在高山等特殊环境下及时反映气压和高度的细微变化,而且在屏蔽状态下也能显示运动方向。无需配带罗盘、角规、测高仪等繁琐物件,方便用户在户外的工作旅行。

现在很多的路边停车和智能停车场,采用地磁方式检测停车位是否有车。在没有车或者车辆静止后停车位的磁场相对稳定;而当有车开到停车位以及离开时,会造成磁场的变化。

地磁检测器埋于停车位位置,通过RF将检测结果报告给附近的中继器,最终信息汇总到停车位管理系统。整套系统最核心的,当然是地磁检测部分。compass传感器基本决定了检测的可靠程度。路边的自动收费停车位就是靠它!

电子罗盘作为无人机产品的重要组件,承载着为无人机引导绝对方位的功能。在无人机中,电子罗盘提供关键性的惯性导航和方向定位系统的信息。

如今机器人大家已经不陌生了,各种玩具机器人,家庭服务机器人、医疗服务机器人、点餐机器人等等都已出现在大家的生活当中。

一般机器人利用加速传感器和陀螺仪,基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动,也会产生累计偏差,不能准确描述运动姿态,比如操控画面发生倾斜。电子罗盘利用测量地球磁场,通过绝对指向功能进行修正补偿,可以有效解决累计偏差,从而修正设备的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。

标签: e2半导体传感器

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