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      一種電子羅盤的電路設(shè)計(jì)

      2014-12-09 02:32:26姚麗青楊文杰
      關(guān)鍵詞:羅盤磁阻航向

      姚麗青,楊文杰

      ( 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院,山西 太原030013)

      基于磁阻傳感器和加速度傳感器的電子羅盤具有體積小、重量輕、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1],被廣泛應(yīng)用于航空、航海、交通、電子通訊等領(lǐng)域,也應(yīng)用于智能手機(jī)等生活類電子產(chǎn)品中.具體可以配合車載GPS 導(dǎo)航(GPS 進(jìn)入隧道或速度低于20km/h 就會(huì)失效)、電信基站天線角度的測(cè)量、大型機(jī)械平臺(tái)的水平測(cè)量、手機(jī)、游戲桿等產(chǎn)品中.本設(shè)計(jì)中的電子羅盤采用Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x,y),單軸磁阻傳感器HMC1021Z 以及MEMS 重力加速度傳感器MXD2020E,采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號(hào),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后,羅盤系統(tǒng)精度基本上可以達(dá)到± 1°.該羅盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕,已經(jīng)被用到電信基站天線角度監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價(jià)值.本文中的電子羅盤固定在載體上,通過(guò)自身的加速度傳感器和磁阻傳感器分別測(cè)量出重力加速度在載體坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量與地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系中的分量,通過(guò)CPU 的處理確定出載體的具體方位,載體與水平地面間的夾角.

      1 電子羅盤的基本原理

      1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

      地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5~0.6 gauss,無(wú)論何地,磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北,這是所有磁羅盤的制作基礎(chǔ)[2].傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位,通過(guò)3 個(gè)角度,即方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 定義了姿態(tài)參數(shù),實(shí)際上就是載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系.現(xiàn)在取兩個(gè)坐標(biāo)系OXYZ與O 'X'Y'Z',OXYZ為地理坐標(biāo)系,OX在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指向地理北極,OY在水平面內(nèi)與OX垂直在OX右方,OZ與OX、OY構(gòu)成右螺旋關(guān)系,即沿重力加速度方向.方位角α 定義為沿Z軸方向看去OXY繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正,俯仰角θ 定義為沿Y軸方向看去OZX繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正,橫滾角φ 定義為沿X軸方向看去OYZ繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正.O'X'Y'Z'固定在載體上,以載體質(zhì)心為原點(diǎn),平面直角坐標(biāo)系O'X'Y'固定在載體的對(duì)稱平面上,

      O'Z'沿由O'X'至O'Y'的右螺旋前進(jìn)方向.坐標(biāo)系OXYZ先繞Y軸轉(zhuǎn)過(guò)θ,再繞X軸旋轉(zhuǎn)φ 與坐標(biāo)系O'X'Y'Z'重合.要了解載體在空間的姿態(tài),就必須測(cè)出方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ.

      1.2 各各角度的測(cè)量原理

      加速度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為[0 0g]T,在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為[g'x g'y g'z]T,根據(jù)坐標(biāo)系O'X'Y'Z'、OXYZ之間的變換關(guān)系,它們的關(guān)系為:

      即:

      磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為,在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為中三個(gè)量由磁阻傳感器測(cè)出,根據(jù)坐標(biāo)系OXYZ、O'X'Y'Z'之間的變換關(guān)系,它們之間的關(guān)系為:

      方位角α=arctanHx/Hy,至此載體在空間的方位由它的方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 完全確定.

      2 電子羅盤系統(tǒng)

      電子羅盤的硬件原理框圖如圖1 所示.本系統(tǒng)選用MXD2020兩軸重力加速度傳感器Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x,y),單軸磁阻傳感器HMC1021Z,分別獲得載體平面的重力加速度分量和三維空間的地磁場(chǎng)分量,采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號(hào),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后,測(cè)得載體的姿態(tài)參數(shù)并通過(guò)Rs485 傳入上位機(jī).

      2.1 微處理器

      微處理器的原理圖見圖2,該系統(tǒng)采用TI 公司的16 位RISC 結(jié)構(gòu)超低功耗單片機(jī)MSP430F247 作微處理器,本處理器擁有超低功耗,片上資源豐富,擁有60 KB Flash ROM,4kB RAM,32 路通用I/O 口,8 路12-Bit A/D 轉(zhuǎn)換器,10 個(gè)可捕獲比較的定時(shí)計(jì)數(shù)器,兩個(gè)異步通用串行口,JTAG 調(diào)試口,等外圍電路,便于開發(fā)和二次開發(fā)[2-3].

      2.2 加速度傳感器模塊設(shè)計(jì)

      圖1 電子羅盤系統(tǒng)框圖Fig.1 Electronic compass system block diagram

      由原理分析可知,加速度傳感器只需要X,Y兩軸便可,本設(shè)計(jì)選用MXD2020.MXD2020 所測(cè)重力加速度與Dout 輸出的脈沖占空比成正比,且加速度為0 時(shí)占空比為0.5,量程因子為0.2/g[4].用MSP430F247 的TA0 測(cè)量X軸的占空比,TA1 測(cè)量Y軸的占空比,gx=(T1x/T2x-0.5)g/0.2=gsinθ,gy=(T1y/T2y-0.5)g/0.2=gsinφ.由此可知:

      每次測(cè)量開始,設(shè)為上升沿中斷,時(shí)鐘源1 μs,第一次中斷打開計(jì)時(shí)器,并改為下降沿中斷,第二次中斷再改為上升沿中斷,同時(shí)捕獲脈沖“ON”計(jì)時(shí)值T1,第三次中斷中捕獲T2 計(jì)時(shí)值,并關(guān)閉中斷.T1,T2 測(cè)得,代入式(6)可求得角θ,φ,與水平面真夾角.

      2.3 磁阻傳感器設(shè)計(jì)

      用MSP430F247 的A0,A1,A2 對(duì)Hx',Hy',Hz'軸的磁場(chǎng)分量做A/D 轉(zhuǎn)換,Avcc 接3.3 v 并選為Verf A/D 參考電壓,精密三運(yùn)放AD623 作為磁阻傳感器信號(hào)放大,為區(qū)分磁場(chǎng)極性用一片AD623 做一精密二分壓電路,將3.3v 分為1.65v 作為磁阻傳感器信號(hào)放大器AD623 的參考 電 壓 Vref. HMC1052,HMC1051 的敏感電壓(sensitivity)為1.2(max)mV/V/gauss 橋路偏置電壓bridge offset 為1.25 mV/V,名義電壓設(shè)為0.135 mV/V 則HMC1052 ,1051 的最大輸出電壓為1.335×5×0.625+(1.25+0.135)×5=10.425 mV,取整為10 mV,增益Gain=1.65/0.01=165,Rg=637[5],IRF7509 組成“H”橋路對(duì)磁阻阻傳感器置位/復(fù)位電路,假設(shè)置位后測(cè)得值為Mset(x,y,z),復(fù)位后測(cè)得值為Mres(x,y,z),實(shí)際磁場(chǎng)值為H(x,y,z)則offset(x,y,z)=Mset(x,y,z)+Mres(x,y,z)-4096,H(x,y,z)=Mset(x,y,z)-offset(x,y,z)-2048.Hx,Hy,Hz,φ,θ 前已求得,自然可求得航向角[4].

      圖2 微處理器原理圖Fig.2 The principle diagram of the microprocessor

      圖3 加速度傳感器原理圖Fig.3 The principle diagram of the acceleration sensor

      當(dāng)(Hx<0)時(shí),航向角α=π-arcTan(Hx/Hy);當(dāng)(H>0,Hy<0)時(shí),航向角α=-arcTan(Hx/Hy);

      當(dāng)(Hx>0,Hy>0)時(shí),航向角α=2π-arcTan(Hx/Hy);

      當(dāng)(Hx=0,Hy<0)時(shí),航向角α=π/2;當(dāng)(Hx=0,Hy>0)時(shí),航向角α=3π/2.

      圖4 X、Y 軸磁場(chǎng)分量測(cè)量電路Fig.4 X,Y axis magnetic field component measurement circuit

      圖5 Z 軸磁場(chǎng)分量測(cè)量電路Fig.5 The Z axis magnetic field component measurement circuit

      3 誤差補(bǔ)償

      圖6 為用MATLAB 求得的誤差擬合函數(shù),其中* 為航向角誤差值,曲線為擬合函數(shù)曲線,由圖可知除130°與180°誤差在1 度左右外,其它角度誤差擬合函數(shù)相當(dāng)好,f(α)=a+bsinα+ccosα+dsin2α+ecos2α(因?yàn)檎`碼差與實(shí)測(cè)航向角的函數(shù)關(guān)系具有周期性,所以可設(shè)該函數(shù)為富里葉級(jí)數(shù)前5 項(xiàng),由MATLAB 可求得a,b,c,d,e 系數(shù))

      圖6 航向角誤差擬合函數(shù)圖Fig.6 Course angle error of fitting function diagram

      4 結(jié)語(yǔ)

      基于Honeywell 公司生產(chǎn)的磁阻傳感器芯片研制的電子羅盤系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、抗震性高、穩(wěn)定性好;同時(shí)硬件價(jià)格低廉、成本低、功耗?。捎玫幕谧钚《朔ㄎ恢昧_差補(bǔ)償法是羅盤誤差補(bǔ)償方法中的一種,該方法相比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償方法、橢圓擬合誤差補(bǔ)償方法來(lái)說(shuō),有較高的測(cè)量精度,只要計(jì)算出系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償函數(shù)系數(shù),羅盤系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償校正,操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)證明該電子羅盤系統(tǒng)可應(yīng)用在普通導(dǎo)航領(lǐng)域.

      [1] 劉敬彪,鄭玉冰,章雪挺. 三軸磁羅盤的設(shè)計(jì)與誤差校正[J].自動(dòng)化儀表,2008(9):10-12.

      [2] 袁信,俞濟(jì)祥,陳哲.導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1993:2- 2.

      [3] Honeywell Application Note:AN205l[EB/OL].(2007-10-08)[2014-07-01].www.magneticsensors.com.

      [4] Michael J.Caruso Applications of Magneto Resistive Sensors in Navigation System[J].Sensors and Act uators,1997,21:357-342.

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