電子羅盤原理、特點、用途、分類、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用

原文標(biāo)題：電子羅盤全詳解

目前, 導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車、航海、航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。電子羅盤是導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。

GPS導(dǎo)航定位的缺陷

1、雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號常被地形、地物遮擋，導(dǎo)致精度大大降低,其信號可用性僅為60% ，甚至不能使用。

產(chǎn)生不精確定位的原因包括：

①多路徑效應(yīng)：建筑物對GPS信號的反射;

②陰影：城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被下，信號接收效果較差;

③在隧道、地下停車廠造成的信號失鎖;

④在接收信號差的地區(qū)延長了初始化時間;

⑤一些動態(tài)影響，如汽車大幅度增速與減速等。

以上原因都會導(dǎo)致GPS無法提供任何位置或者定位精度陡然下降。

2、在靜止的情況下，GPS也無法給出航向信息。

高精度電子羅盤可以對GPS信號進(jìn)行有效補(bǔ)償，保證導(dǎo)航定向信息100%有效，即使是在GPS信號失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。

3、安全及可靠性風(fēng)險。

美國出于自身利益上的考慮，從不承諾不實施SA干擾和區(qū)域關(guān)閉，這更給GPS用戶帶來很大疑惑和擔(dān)心。因此，將GPS與電子羅盤相結(jié)合，二者相互補(bǔ)充，組合使用是導(dǎo)航領(lǐng)域的理想選擇。例如：美國雖然其完全獨立掌握GPS 的衛(wèi)星資源，但為了使系統(tǒng)更加可靠，使導(dǎo)航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要裝備上仍加裝了C100電子羅盤。

相對于其他導(dǎo)航手段而言,地磁導(dǎo)航起步得比較晚。在20世紀(jì)60年代中期,美國的E2systems公司提出了基于地磁異常場等值線匹配的MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系統(tǒng), 70年代獲得測量數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)進(jìn)行了離線實驗。20世紀(jì)80年代初,瑞典的Lund學(xué)院對船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實驗驗證,實驗中將地磁強(qiáng)度的測量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對,確定船只的位置,同時根據(jù)距離已知的兩個磁傳感器的輸出時差,確定船只的速度。

地磁場模型與地磁圖是研究地磁導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ),地磁場建模和地磁圖的精確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。

地磁場和航向角

地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強(qiáng)度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間) 而異。

地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強(qiáng)度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間) 而異。

?如圖所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保持電子羅盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來。

實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角(Azimuth)就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測數(shù)據(jù)就可以計算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0—360度之間變化。

早期,采用機(jī)械式磁羅盤。機(jī)械式磁羅盤主要由若干平行排列的磁針、刻度盤和磁誤差校正裝置組成,磁針固裝在刻度盤背面,在地磁影響下,磁針帶刻度盤轉(zhuǎn)動,用以指出方向。隨著適宜于地磁場測量的磁通門傳感器及AMR傳感器的出現(xiàn),磁電子羅盤逐漸問世。這種電子式的磁羅盤相對于機(jī)械式磁羅盤具有一些突出的優(yōu)點,如抗沖擊性、抗震性,能夠?qū)﹄s散磁場進(jìn)行補(bǔ)償,輸出電信號,可方便地與其它電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。

電子羅盤原理

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。

三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進(jìn)行補(bǔ)償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。

三維磁阻傳感器采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強(qiáng)度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值;向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場的分矢量調(diào)整到最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。

1、當(dāng)儀器與地表面平行時，僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位值。

2、當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時，方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來測量俯仰和側(cè)傾角，這個俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，將磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位置“拉”回到水平的位置。

標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

其中，Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值，X、Y、Z為三個方向的矢量值，α為俯仰角，β為側(cè)傾角。

電子羅盤的主要特點

1、三軸磁阻效應(yīng)傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償。

2、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。

3、內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4、內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角。

5、具有簡單有效的用戶標(biāo)校指令。

6、具有指向零點修正功能。

電子羅盤主要用途

1、電子羅盤主要用于輔助GPS導(dǎo)航及在靜止?fàn)顟B(tài)獲取航向，具體包括加速度和方向的定位、傾角測量等功能。

2、加速度和方向的定位。電子羅盤應(yīng)用三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償，可以和GPS配合可以做盲區(qū)導(dǎo)航，和GOOGLE地圖配合可以做導(dǎo)航，還可以和加速度配合做三維定位，還可以根據(jù)電子羅盤的讀數(shù)，地圖自動旋轉(zhuǎn)到用戶方便讀取的方向，讓顯示的地圖方向始終按照你的行進(jìn)方向自動變換，也就是可以把它當(dāng)做專業(yè)的指南針使用，說的簡單點也就是加速度和方向的定位。

3、傾角測量。三維的電子羅盤，不僅具有指南針功能，還可以實現(xiàn)傾角的測量，和陀螺儀類似，站在一個斜坡上，可以計算出這個斜坡的角度，不過最重要的就是都可以在開飛機(jī)的時候使用，不干擾飛機(jī)飛行。

電子羅盤的缺陷

電子羅盤的原理是測量地球磁場，但若使用的環(huán)境中有除了地球以外的磁場且這些磁場無法有效屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。

電子羅盤分類

電子羅盤按照有無傾角補(bǔ)償可以分為：

平面電子羅盤

平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當(dāng)羅盤發(fā)生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向并沒有變化。

雖然平面電子羅盤對使用時要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。

三維電子羅盤

三維電子羅盤集成三軸磁通門傳感器，在平面電子羅盤基礎(chǔ)上加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時可以對羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無誤。通過中央處理器實時解算航向，以及使用三軸加速度計對大范圍內(nèi)的傾斜角進(jìn)行航向補(bǔ)償，保證羅盤在傾斜角度高達(dá)±90°也能提供高精度的航向數(shù)據(jù)。

電子羅盤按照傳感器的不同分為：

磁阻效應(yīng)傳感器

根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器的靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯由于霍爾器件，使它在某些應(yīng)用場合能夠與磁通門競爭。但是其固有的缺點翻轉(zhuǎn)效應(yīng)缺點使得磁阻效應(yīng)傳感器在集成入微系統(tǒng)時的強(qiáng)的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

霍爾效應(yīng)傳感器

根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成。優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強(qiáng)磁場的測量。缺點是有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等，一般都是用于要求不高的場合。

磁通門傳感器

根據(jù)磁飽和法原理制成，利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。從三者的比較來看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，優(yōu)勢明顯，是電子羅盤的發(fā)展方向。

電子羅盤的結(jié)構(gòu)組成

一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響。

?以意法半導(dǎo)體LSM303DLH實現(xiàn)成本低、性能高的電子羅盤為例。將上述的加速計、磁力計、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出。

軟件方面同樣以意法半導(dǎo)體LSM303DLH電子羅盤為例，基于Android的電子羅盤功能軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

?核心驅(qū)動層：Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)，實現(xiàn)了從IIC或串口讀取經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和精度補(bǔ)償計算的航向角，完成電子羅盤硬件設(shè)備訪問。

硬件無關(guān)層：HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so，實現(xiàn)了對電子羅盤設(shè)備的驅(qū)動封裝訪問。

Framework層：實現(xiàn)Android系統(tǒng)中框架層的傳感器管理模塊對電子羅盤設(shè)備的管理。

應(yīng)用層：經(jīng)過library 的計算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫?；陔娮恿_盤的應(yīng)用有Android的Skymap、IBMeye等。

電子羅盤的應(yīng)用

電子羅盤應(yīng)用廣泛，高精尖的航天、航空、航海都離不了它。

羅外電子羅盤(Compass)，看似遙遠(yuǎn)，但其實就在我們身邊，您手上的智能手機(jī)有指南針功能吧，對，它就是采用了電子羅盤傳感器。其實，不單單如此，它可以說已經(jīng)滲透到了我們生活的方方面面。

那么在我們的生活中，它有哪些和我們密切相關(guān)的用處呢?

手機(jī)導(dǎo)航

我們最熟悉的就是手機(jī)導(dǎo)航，拿著手機(jī)，地圖跟著你的方向轉(zhuǎn)，這就是電子羅盤的功勞。

車載導(dǎo)航

目前的車載導(dǎo)航儀許多都整合了GPS和電子羅盤。特別是經(jīng)常進(jìn)行越野活動的車主更是需要選擇帶電子羅盤的導(dǎo)航儀或多功能電子羅盤。由于GPS導(dǎo)航在一些地形復(fù)雜地區(qū)信號受到遮蔽，無法滿足正常的導(dǎo)航功能，而電子羅盤具有不需要接收信號的特點，可輔助導(dǎo)航。

此外還有多功能電子羅盤，這種羅盤一般集GPS氣壓測高儀和磁力線羅盤為一體，可以在高山等特殊環(huán)境下及時反映氣壓和高度的細(xì)微變化，而且在屏蔽狀態(tài)下也能顯示運動方向。無需配帶羅盤、角規(guī)、測高儀等繁瑣物件，方便用戶在戶外的工作旅行。

停車位檢測

現(xiàn)在很多的路邊停車和智能停車場，采用地磁方式檢測停車位是否有車。在沒有車或者車輛靜止后停車位的磁場相對穩(wěn)定;而當(dāng)有車開到停車位以及離開時，會造成磁場的變化。

地磁檢測器埋于停車位位置，通過RF將檢測結(jié)果報告給附近的中繼器，最終信息匯總到停車位管理系統(tǒng)。整套系統(tǒng)最核心的，當(dāng)然是地磁檢測部分。compass傳感器基本決定了檢測的可靠程度。路邊的自動收費停車位就是靠它!

無人機(jī)導(dǎo)航定位

電子羅盤作為無人機(jī)產(chǎn)品的重要組件，承載著為無人機(jī)引導(dǎo)絕對方位的功能。在無人機(jī)中，電子羅盤提供關(guān)鍵性的慣性導(dǎo)航和方向定位系統(tǒng)的信息。

機(jī)器人導(dǎo)航定位

如今機(jī)器人大家已經(jīng)不陌生了，各種玩具機(jī)器人，家庭服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、點餐機(jī)器人等等都已出現(xiàn)在大家的生活當(dāng)中。

一般機(jī)器人利用加速傳感器和陀螺儀，基本可以描述設(shè)備的完整運動狀態(tài)。但是隨著長時間運動，也會產(chǎn)生累計偏差，不能準(zhǔn)確描述運動姿態(tài)，比如操控畫面發(fā)生傾斜。電子羅盤利用測量地球磁場，通過絕對指向功能進(jìn)行修正補(bǔ)償，可以有效解決累計偏差，從而修正設(shè)備的運動方向、姿態(tài)角度、運動力度和速度等。