[發明專利]基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測量系統、測量方法及正交補償方法

有效

• 申請號: 201110192080.1
• 申請日: 2011-07-11
• 公開（公告）號: CN102313543A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 付敬奇;鄭學理
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01C17/30
• 分類號: G01C17/30;G01C17/38
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種基于巨磁阻傳感器和三軸加速度傳感器的地磁方位角測量系統，及地磁方位角的全方位測量實現方法，特別涉及一種基于微處理器針對巨磁阻傳感器三個軸正交及零位補償方法。屬數字信號處理及智能傳感器技術等領域。

背景技術

人類不斷發展，現代航空、航天、航海、地質勘探、海洋勘測等領域中，定向技術必不可少，方位角的測量技術越來越重要。現階段常見的方位角測量方法有：陀螺儀、無線電航向儀、GPS和磁航向傳感器。陀螺儀準確度高，穩定性好，但是成本高，結構復雜，導航誤差隨時間積累，且需要進行相當復雜、細致的初始對準工作。無線電航向儀設備簡單，但是容易受到電磁波的干擾。全球衛星定位系統GPS精度高，可實現全天候定位，但存在城市大峽谷效應，會導致GPS定位失效。磁航向儀是基于磁傳感器利用地磁場來測量航向的，結構簡單、信號易處理、成本低，可直接測得載體與的磁場的夾角。通常，用于磁航向儀的地磁傳感器需要有高靈敏度、高分辨率、低功耗等特點。

目前常用的地磁傳感器可歸為以下幾種：

1）、磁通門式羅盤，如專利200610101789.5??CN1971309是一種“地磁傳感器及其方位角計算方法”。磁通門式羅盤中，磁通門傳感器多采用雙軸測量方式，其內部使用測傾儀器結構復雜，精度有限，動態性能較差，不適合快速運動物體。

2）、磁阻式羅盤，運用磁阻傳感器為測量元件，無轉動部件，尺寸小動態性能好，但是常用的磁阻元件磁電阻效應只有2%?～3%，分辨率不夠高，在地磁測量中表現出測量精度有限，無法實現高精度的地磁測量。

上述地磁傳感器中，地磁敏感元件結構復雜、分辨率低、動態性能差，如果在地磁檢測中設備的姿態數據橫滾角和俯仰角的測量也存在誤差，將會給方位角的測定帶來很大誤差，降低設備精度。針對上述問題，本發明提出了一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測量系統及方法，地磁測量模塊具有體積小，成本低，精度高等特點。同時，采用三軸加速度傳感器作為系統姿態測量模塊，克服了二軸加速度傳感器作為姿態測量模塊時，橫滾角和俯仰角的非單值問題，從而大大提高了地磁方位角測量精度。

發明內容

本發明針對已有技術的缺陷，提出一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角測量系統、測量方法及正交補償方法。在利用巨磁阻傳感器測量地磁場更精確和更可靠的基礎上，結合三軸加速度傳感器實現方位角的唯一性，并對三軸巨磁阻輸出非正交和零位偏差進行補償。

為達到上述目的，本發明的構思是：

系統進行姿態數據測量時，由于加速度傳感器的輸出與俯仰角、橫滾角之間均為Sin的正弦關系，在雙軸加速度傳感器作為姿態測量模塊時，會出現俯仰角、橫滾角非單值的情況。同時由于地磁測量數據、俯仰角及橫滾角和地磁方位角之間為????????????????????????????????????????????????的正切關系，在計算中顯然會存在地磁方位角的非單值問題，降低了地磁方位角測量的精確度。

巨磁阻傳感器在進行地磁測量時，利用三個軸向的巨磁阻傳感器同時進行地磁檢測。在設計中三個軸向上高精度的巨磁阻傳感器通常很難避免非正交現象，會導致非正交誤差。同時，由于三個軸向上的巨磁阻傳感器存在不同的零位偏差，這些現象將大大降低巨磁阻傳感器的地磁測量精度。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方法：

一種基于巨磁阻傳感器的地磁方位角全方位測量系統，由電源模塊、地磁測量模塊、姿態測量模塊、溫度測量模塊、微處理器和上位機組成。其特征在于，所述電源模塊為系統提供3.3V穩定電源；所述地磁測量模塊包括X軸、Y軸和Z軸巨磁阻傳感器及對應每軸上的信號處理電路；所述姿態測量模塊包括相互正交的X、Y、Z三軸加速度傳感器；所述地磁測量模塊連接至微處理器A/D采樣口；所述姿態測量模塊和溫度測量模塊分別連接至微處理器的數字IO口；所述微處理器經RS232口連接至上位機。

所述電源模采用電壓轉換芯片1117；所述地磁測量模塊采用三軸巨磁阻傳感器AAH002-02連接RC低通濾波電路及儀用運放INA118；所述姿態測量模塊采用三軸加速度傳感器ADXL345；所述溫度測量模塊采用溫度傳感器DSB18B20；所述微處理器采用微處理器MSP430F149，對地磁信息、俯仰信息和溫度信息進行預處理后，通過上位機處理后得到地磁方位角。

一種基于巨磁阻傳感器地磁方位角測量方法，采用上述測量系統進行檢測，其實現方位角全方位測量的具體步驟如下：