文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2014)10-0134-04
0 引言
數(shù)字式電子羅盤(pán)是利用地磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)指向功能的系統(tǒng),。電子羅盤(pán)與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比,具有體積小,、成本低,、無(wú)累計(jì)誤差、能夠高精度指示真北方向等特點(diǎn),。電子羅盤(pán)與常規(guī)的指針型羅盤(pán)相比,,具有一些突出的優(yōu)點(diǎn),如抗沖擊性,、抗震性,,并且能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,輸出電信號(hào),,可與其他電子設(shè)備集成,。系統(tǒng)所采用的磁電阻傳感器由坡莫合金制成,這種坡莫合金薄膜的電阻值隨外界磁場(chǎng)的變化而變化,,傳感器具有明顯的靈敏軸,可作為集成電路生產(chǎn),,其體積小,響應(yīng)時(shí)間快[1]。因此,,采用磁電阻傳感器的電子羅盤(pán)是磁電子羅盤(pán)的發(fā)展方向。
本文采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS 數(shù)字集成芯片LSM303DLHC作為測(cè)量器件,、(ulbox) NEO-6M GPS模塊為定位器件,、MSP430F149為主控芯片,,集成了太陽(yáng)能供電方式,實(shí)現(xiàn)了一種高精度,、節(jié)能的數(shù)字式電子羅盤(pán),。
1 方向角計(jì)算模型
現(xiàn)實(shí)中,數(shù)字式電子羅盤(pán)并非始終處于水平面上,,因此需要用LSM303DLHC中的三軸加速度傳感器測(cè)俯仰角和翻滾角,,通過(guò)坐標(biāo)變換將磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量折算到水平方向,再計(jì)算方向角,。
俯仰角和翻滾角的計(jì)算方法為[2]:加速度傳感器的三軸測(cè)量輸出值為重力加速度在載體坐標(biāo)系下的三軸分量,。當(dāng)羅盤(pán)水平放置、載體坐標(biāo)系的初始姿態(tài)與參考坐標(biāo)系重合時(shí),,其三軸的測(cè)量輸出值為(測(cè)量值經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)歸一處理化):
地磁場(chǎng)矢量H可分解為水平分量Hh和垂直分量Hv,,Hh總是指向地磁北極。系統(tǒng)的三軸磁強(qiáng)傳感器的測(cè)量輸出為地磁場(chǎng)矢量在3個(gè)測(cè)量軸上的分量,。當(dāng)羅盤(pán)水平放置時(shí),,三軸磁強(qiáng)傳感器的X軸測(cè)量輸出Hx、Y軸的測(cè)量輸出Hy為地磁場(chǎng)水平分量Hh在兩軸上的分解,。則水平面時(shí)方向角Ψ為:
2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,,以MSP430F149為主控模塊,由連接太陽(yáng)能板的鋰蓄電池為電源模塊,,以數(shù)字集成芯片LSM303DLHC為電子指南針模塊,,以LCD12864液晶屏為顯示模塊,以NEO-6M GPS為定位模塊,。
3 測(cè)量結(jié)構(gòu)裝置
系統(tǒng)測(cè)量裝置如圖2所示,,裝置固定在裝置臺(tái)上,太陽(yáng)能模塊通過(guò)系統(tǒng)支架固定在裝置臺(tái)上,,光伏板通過(guò)接收陽(yáng)光給鋰蓄電池充電,,MSP430單片機(jī)接收電子指南針模塊的數(shù)據(jù)和定位模塊的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算后在LCD12864液晶屏上顯示,。
4 硬件電路設(shè)計(jì)
4.1 單片機(jī)主控芯片
MSP430是德州儀器公司的具有16位總線,、帶Flash的單片機(jī),其集成度高,,可以在超低功耗模式下工作,可靠性好,加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響,,適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。其采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達(dá)64 KB,,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,。此外,具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊[3],。
4.2 電子指南針模塊
電子指南針模塊采用了意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS 數(shù)字集成芯片LSM303DLHC,,該模塊內(nèi)集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應(yīng)傳感器,,LSM303DLHC芯片線性加速度的測(cè)量范圍為 ±2 g~±16 g,磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍從±3.1~±8 Gs,,LSM303DLHC芯片上的磁感應(yīng)元件采用基于霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù),,使得芯片在計(jì)算精度和功耗上具有很高的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電子指南針模塊放置的位置發(fā)生變化時(shí),,因?yàn)榈卮艌?chǎng)的相對(duì)改變,,使傳感器阻值發(fā)生變化,引起電流的變化,。電子指南針模塊的信號(hào)輸出端SCL,、SDA與單片機(jī)P6.1、P6.2端口相連,,信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到此時(shí)的角度,,并顯示到LCD12864液晶屏上。電子指南針模塊原理圖如圖3所示,。
4.3 顯示模塊
顯示模塊采用12864液晶屏,,該液晶屏功能齊全,操作簡(jiǎn)單,,價(jià)格低廉,。12864的液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)可以通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié),PSB是液晶數(shù)據(jù)傳輸模式選擇位,,如果PSB接高電平則液晶工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式,,如果PSB接低電平則液晶工作在串行數(shù)據(jù)模式。17腳是液晶的復(fù)位端,,此端口直接與液晶供電(LCD)相連,,上電后液晶模塊自動(dòng)完成復(fù)位功能。12864液晶屏原理圖如圖4所示,。
4.4 電源模塊
太陽(yáng)能板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能,,有陽(yáng)光時(shí),太陽(yáng)能板將轉(zhuǎn)換的電能一部分送給主控系統(tǒng)供電,,另一部分存儲(chǔ)在鋰蓄電池中,,保證了系統(tǒng)全天候地工作[4]。電源模塊供電示意圖如圖5所示,。
4.5 定位模塊
ATK-NEO-6M GPS是一款高性能GPS定位模塊,。該模塊采用U-BLOXNEO-6M模組,自帶高性能無(wú)源陶瓷天線和可充電后備電池,。GPS TXD作為模塊串口發(fā)送腳與單片機(jī)的P3.6相連,,用于GPS發(fā)送數(shù)據(jù);GPS RXD模塊串口接收腳與單片機(jī)的P3.7相連,用于GPS接收數(shù)據(jù),。
RT9193-33是專為便攜式設(shè)備的射頻和無(wú)線應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的,,具有高精度,、低噪音,、高速度等特點(diǎn),兼容低ESR電容,,采用CMOS工藝生產(chǎn)的低壓差LDO電壓調(diào)整器,,其內(nèi)部包括參考電壓源電路、誤差放大器電路,、過(guò)流保護(hù)電路和相位補(bǔ)償電路,。
定位模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接,串口波特率支持4 800 b/s,、9 600 b/s,、38 400 b/s(默認(rèn))、57 600 b/s等不同速率,,兼容5 V/3.3 V單片機(jī)系統(tǒng),。ATK-NEO-6M GPS模塊電路圖如圖6所示。
5 電子指南針模塊數(shù)據(jù)校正
由于系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到各種磁場(chǎng)的干擾,,所以要對(duì)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量輸出進(jìn)行誤差補(bǔ)償,。設(shè)羅盤(pán)在水平放置時(shí)的磁強(qiáng)傳感器 x、y軸的實(shí)際輸出為(Hbx,、Hby),,理想狀態(tài)下磁場(chǎng)水平向量在電子羅盤(pán)載體坐標(biāo)系x、y方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為(Hx,、Hy),,則可建立誤差補(bǔ)償模型[2]:
對(duì)角矩陣使圓變成橢圓,Kx,、Ky分別表示橢圓長(zhǎng)短半軸的變化程度,;B、By表示橢圓圓心偏離原點(diǎn)的偏移量,。誤差補(bǔ)償系數(shù)的求解采用最小二乘橢圓擬合[5],,根據(jù)實(shí)際測(cè)量輸出擬合求解橢圓方程的參數(shù),并進(jìn)一步解得誤差補(bǔ)償系數(shù),,平面任意位置橢圓方程式表示為:
在磁場(chǎng)干擾影響下,,水平面內(nèi)x、y方向的輸出曲線為橢圓曲線,,利用電子羅盤(pán)在x,、y方向的M(M≥5)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)(Hxi、Hyi)(i=1,2,,3…M)擬合橢圓方程,。根據(jù)所有測(cè)量點(diǎn)到理想橢圓的距離的平方和最小準(zhǔn)則來(lái)確定橢圓方程系數(shù)Ki(i=1,2,,3,,4,5)[6]以及確定橢圓的離心角η,,由橢圓方程系數(shù)得到誤差補(bǔ)償系數(shù):
通過(guò)K1,,K2…K5以及Kx和Ky的確定,利用式(12)~(16)可得出誤差補(bǔ)償后的輸出Hbx,、Hby,,從而計(jì)算出方向角。
6 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)運(yùn)用MSP430F149單片機(jī)[3,,7]作為核心控制部分,,通過(guò)系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)具體功能,程序流程圖如圖7所示,。程序首先初始化MSP430F149單片機(jī),,然后進(jìn)行方位角的實(shí)時(shí)采集與顯示。
7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試及實(shí)驗(yàn),,采用某型號(hào)手機(jī)上的電子羅盤(pán)顯示值作為參考方位角與該系統(tǒng)測(cè)試的方位角進(jìn)行對(duì)比,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
8 結(jié)論
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方位角的實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示,,能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量所在位置的方位角,,顯示出角度值。該系統(tǒng)輕巧便攜,,適合于船舶導(dǎo)航,、野外科研考察等。數(shù)字式電子羅盤(pán)的應(yīng)用可以節(jié)省一定的人力及財(cái)力資源,,提高測(cè)量的準(zhǔn)確度,。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保,性能穩(wěn)定,,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 李希勝,王家鑫,,湯程,,等.高精度磁電子羅盤(pán)的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,,19(6):2441-2444.
[2] 高宗余,,李德勝.多MEMS傳感器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].電光與控制,2010,17(3):68-70.
[3] 冒曉莉,,楊博,,楊靜秋,等.基于MSP430單片機(jī)的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2013,,39(5):138-140.
[4] 何道清,何濤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,,2012.
[5] 劉詩(shī)斌,,馮曉毅,,李宏.基于橢圓假設(shè)的電子羅盤(pán)誤差補(bǔ)償方法[J].傳感器技術(shù),,2002,21(10):28-30.
[6] 秦勇,,趙杰,,王曉宇,等.基于橢圓擬合誤差補(bǔ)償算法的數(shù)字磁羅盤(pán)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),,2009,,39(2):489-493.
[7] 張秀再,范江棋,,杜蒙,,等.高壓電力線積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,,40(3):130-136.