AMR导航系统以及其校准方法

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1、AMR导航系统以及其校准方法J.Vcelak,P.Ripka,J.Kubık,A.Platil,P.KasparCzechTechnicalUniversityinPrague,FacultyofElectricalEngineering,DepartmentofMeasurement,Technick′a2,16627Praha6,CzechRepublic摘要描述了基于AMR传感器和加速计的全数字化的导航系统，并提供了关于实际方位(azimuth)，左右摇晃(roll)和上下颠簸(pitch)的信

2、息。同时还描述了我们研究的导航系统以及误差校准和补偿方法，尤其集中讨论了垂直安装上的传感器偏差和三个轴方向上的传感器偏差引起的误差校准。同时还讨论了平台式以及非平台式导航系统的各自优点和相互比较。关键词导航系统；校准方法；三维空间系统1.引言从汽车、船舶和潜艇的导航系统到GPS定位器，手机和水平钻孔系统，电子指南针的应用范围非常广泛。导航系统主要有以下几种可能的理由:−利用GPS（全球定位系统）和GLONASS（格洛纳斯，全球导航卫星系统）等定位器的导航系统不提供装置的实际方位，只提供轨道方向。其优点

3、是能应用于地球表面上任何地点。其主要缺点是不能用于地下。−利用真陀螺仪的导航系统精确度高，价格昂贵。但是利用MEMS（微型机电系统）陀螺仪的却有较大的飘动。这种系统广泛应用于船舶与潜艇。−价格便宜的二维电子指南针基于霍尔效应，AMR和微型磁通门传感器。其主要缺点是该指南针只能用于水平位置，而不能用于非水平位置。当上下颠簸的角度5度时，平台式和非平台式导航系统的误差比较如图1所示。−平台式电子导航系统利用三维磁场传感器和关于装置的实际摇晃和颠簸的信息计算每个位置上的方位角。这种系统一般利用AMR传感器和

4、磁通门传感器，还可以工作于地下。这种磁通门传感器有较大的功率消耗，占据的容积也较大，可是利用AMR传感器和倾斜计的现有的系统随着颠簸和摇晃的程度增加却显示出很大的误差。我们研究了利用AMR磁力计和MEMS加速计的低功率消耗，小容积，高精确度的导航系统。其导航系统可以在任何位置上提供关于实际方位，左右摇晃和上下颠簸的信息。主要成果是研究了补偿导航系统主要误差的先进的校准方法。这种方法不仅用于此地，还可以利用于所有三维传感器系统。图1绕方位轴旋转时平台式和非平台式导航系统的误差的比较（颠簸角度=5度）2.

5、硬件设计其导航系统由三个基本部分组成：传感器子系统，利用于传感器的由触发电路组成的A/D转换以及控制与数据处理单元（由微型处理器，键盘，显示器和RS232接口组成的评估板）。其导航系统的结构图如图2所示。传感器子系统（图3所示）由三维的MEMS加速计和三维的AMR磁力计组成。多种AMR传感器可以接到AD板（HoneywellHMC100X,HMC102X和PhilipsKMZ5X)。图2导航系统的结构图图3传感器子系统，三维加速计和三维磁力计我们用3个非磁性的MEMS加速计来计算装置的实际摇晃和颠簸程

6、度。加速计和磁力计的输出信号通过6个Δ-ΣA/D转换器转换成数字信号。这些低功率（0.6mW）的A/D转换器包括差动输入，程序可控的增益放大器和串行接口。转换成数字信号的数值被送到微型处理器。AMR传感器是3个可调节的电源供电的。翻转电路周期性地产生置位复位脉冲。控制子系统由16-bitFujitsu（富士通）MB90F543微处理器的Dev16kit组成。其微处理器包括RAM和FLASH储存器并直接提供数据过滤和实际方位角，摇晃和颠簸的计算。计算数据在字符显示器上直接显示，并且可以用AD键盘来设置测

7、量参数。其整个独立的系统由电池供电，在没有主机、不换电池的情况下可以工作24小时以上。3.传感器的非垂直度，偏移量和灵敏度的校准我们不可能保证在每三个轴方向上精确地垂直安装传感器（在两个方向上存在偏差-看图4），可我们利用一些算法来使他们垂直。我们利用叫标量校准(scalarcalibration)的算法来使两个轴垂直。这种简单程序收集在均质磁场上不同（任意）方位上的6个所有传感器的标本。那么迭代算法可适用于两个（加速计和磁力计）数据组。传感器每个轴任意位置上的全磁场参数应该都一致（例如

8、H

9、=482

10、00nT,

11、G

12、=1000mg）。这种迭代算法求出传感器之间的真实的角度和它们的偏移量和灵敏度。由式（1）可以算出真向量（其中H为地球磁场的补偿向量，K为磁力计的灵敏度向量，U为与每个磁力计相关的输出电压向量，O为磁力计偏移量向量，最后一项表示传感器的非垂直度，θx，θy，Φy为关于垂直坐标系统的传感器灵敏度轴的偏移角）。由于非垂直度的补偿，在真实系统中计算而得的全磁场H参数的变化从±700nT变小到±100nT（看图5）。这过程之后，我们可以认为传感器