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

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。

主权项

1.一种基于巨磁阻传感器的地磁方位角测量方法，采用的测量系统的结构为：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）；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进行测量，其特征在于该方法的具体操作步骤如下：（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，姿态测量模块中X、Y、Z三轴上的加速度分量Ax 、Ay、Az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，并结合地磁数据，通过式进行地磁方位角的全方位计算；（4）输出地磁方位角；所述步骤（3）中，方位角需要进行全方位判定，具体步骤如下：微处理器（5）将三轴加速度传感器测得的加速度分量Ax 、Ay带入等式计算俯仰角和横滚角；微处理器（5）通过对Ax、Ay、Az大于0、小于0、等于0、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；具体步骤如下：当；当；当；当；当；当；当；当；当；当；当；当；定义水平地磁分量为，根据姿态矩阵及步骤中得出的俯仰角和横滚角，解出；令通过下面的判别实现方位角的全方位判定；；所述地磁测量模块（2）中巨磁阻传感器三轴非正交及存在零位偏差的三轴正交及零位补偿方法为：定义巨磁阻传感器三个轴向上实际坐标ox3y3z3及理想坐标OX3Y3Z3输出的磁场量分别为和；oy3与其在面OY3Z3上投影的夹角为，其投影与OY3的夹角为；oz3与其在面OX3Z3上投影的夹角为，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；定义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：其中，令则有，所以可以计算出三轴正交及零位补偿模型，其具体步骤如下： （1）在标定台上经多次标定后，计算出补偿矩阵；（2）将模型计算写入微处理器中；（3）每次测量数据，在微处理器中经模型处理后输出理想地磁数据。