电子罗盘技术研究

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电子罗盘调研

电子罗盘调研2014-02-211 电子罗盘功能介绍1.1 名字解释电子罗盘，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。

古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。

现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。

电子罗盘具有以下特点:●三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

●高速高精度A/D转换。

●内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

●内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

●具有简单有效的用户标校指令。

●具有指向零点修正功能。

1.2 电子罗盘作用1.2.1 GPS导航定位的缺陷1) 虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低, 其信号可用性仅为60% ，甚至不能使用。

产生不精确定位的原因包括：①多路径效应：建筑物对GPS信号的反射②阴影：城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓密的植被下，信号接收效果较差③在隧道、地下停车厂造成的信号失锁④在接收信号差的地区延长了初始化时间⑤一些动态影响，如汽车大幅度增速与减速等。

以上原因都会导致GPS无法提供任何位置或者定位精度陡然下降。

2) 在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。

高精度电子罗盘可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。

3) 安全及可靠性风险。

美国出于自身利益上的考虑，从不承诺不实施SA干扰和区域关闭，这更给GPS用户带来很大疑惑和担心。

因此，将GPS与电子罗盘相结合，二者相互补充，组合使用是导航领域的理想选择。

例如：美国虽然其完全独立掌握GPS 的卫星资源，但为了使系统更加可靠，使导航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要装备上仍加装了C100电子罗盘。

1.2.2 电子罗盘主要用途电子罗盘主要用于辅助GPS导航及在静止状态获取航向，具体包括加速度和方向的定位、倾角测量等功能。

三维磁阻式电子罗盘的研制

摘
要：利用三轴磁阻传感器和两轴倾角传感器研制三维磁阻式电子罗盘。三轴磁阻传感器Ｈ１４ＭＣ０３
测量地磁场的３个分量，角传感器ＳＡ０Ｔ测量罗盘的翻滚角和俯仰角，倾Ｃ１０２只传感器的信号经过电路处
理后传人单片机中，再通过Ｒ－３Ｓ２２接口输入到计算机进行计算处理，计算机终端采用ＶＣ编制的界面来
ａｄｔｎｔａｓｔｈｅｔｏｕｔｒｔｒｕｇｈｅＲＳ２ｉｔｒａｅＴｈｏｎｈｅｒｎｍｉｔｍｏａｃｍｐｅｈｏｈｔ－３２ｎｅｆｃ．ｅｃｍｐｕｅｓｓｔｒｈａａＶＣｒｇａｔｒｃｓｐｏｒｍｏｐｏｅｓｔｅａａｎｄｓｌｙｔｅｚｍｕｈ，ｒｌａｄｉｃａｇｅｔｒｕｈｎｎｅａｅｈｄｔａｄｉｐａｈａｉｔｏｌｎｐｔｈｎｌｓｈｏｇａｉｔｒｃ．Ｔｏｎｓｒｈｅｓｔｉｙｆｔｅｆｅｕｅｔｅｓｎｉｉｔｏｈｖｍａｎｅｉｅｉｔｎｃｅｏ，ｈｓｓｓｅｈｓａｌｗｏｒｓｔｅｅｉｃｉ．ｅｃｍｐｓＳａｃａｙｏｅａｉｔｓｇｔｃｒｓｓａｅｓｎｓｒｔｉｙｔｍａｏｐｗｅｅ／ｒｓｔｃｒｕｔＴｈｏａｓ’ ｃｕｒｃｆｔｚｍｕｈｉｈ０．５。．ｎｄｔｅｏｕｉｎｏｈｚｍｕｓ０．。．
显示罗盘的方位角和翻滚、仰角。系统采用了低功耗的置位／位电路来保证磁阻传感器的灵敏度。最俯复终电子罗盘的方位角精度达到０５，位角分辨率达到０１。．。方．。

电子罗盘

温度影响
传感器的温度系数也将影响航向角的精度，两种需要考虑：一种是偏移随温度的漂移，另一种是灵敏度温度系数。由于HMC5883l三个相互垂直轴x、y 、z在同一个封装中，他们的温度系数匹配的很好，这样三轴经历相同的温度变化也相同。X和y的比率没有太大的影响。磁阻传感器的偏移随温度漂移并不匹配，两个传感器可能反向漂移，对航向角产生较大误差，在磁阻传感器中采取复位和置位开关电路进行补偿。
系统误差补偿，得到载体的姿态参数，将它们通过
串口在上位机实时输出。
复位电路
Hx 信号
三维磁阻传感器 Hy 调 Hz 理电路
Gx
双轴加速计 Gy
A/D 转换器
MCU
RS22
上位机
电子磁罗盘结构示意图
电子磁罗盘基本原理
地球的磁场强度为0.5—0.6gauss，无论何地，磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电子罗盘的制作基础。传统的导航定位，通过以下三个姿态参数：航向角(α)，俯仰角(β)，横滚角(γ)。将磁阻传感器的三个敏感轴沿载体的三个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感强度H在载体坐标系三个坐标上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在地平坐标系中，磁阻传感器的三轴输出为 (HR-X, HR-Y, HR-Z)，如下图示所示。
电子罗盘主要分为磁通门、磁阻式和霍尔元件三种。磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励磁电路，能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。霍尔效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，功耗小，价格便宜，接口电路简单，特别适用于强磁场的测量。但是，它又有灵敏度低、噪声大、温度性能差等缺点。虽然有些高灵敏度或采取了聚磁措施霍尔器件也能用于测量地磁场，但一般都是用于要求不高的场合。

摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现的开题报告

摄影测量系统中三维电子罗盘的设计与实现的开题报告一、课题意义随着科技的不断发展，三维物理空间的测量和定位需求日益增加。

在涉及到建筑、地质、地理、测量和航空等领域的实际应用中，三维电子罗盘在一定程度上已成为必不可少的一个工具。

然而，随着测量精度和复杂度的提高，现有的三维电子罗盘已经无法完全满足需求。

因此，设计一种新的三维电子罗盘，具有更高的精度和可靠性，成为了当前的紧迫需求。

二、研究内容本设计将研究如何设计一种精度高、可靠性好的三维电子罗盘。

具体内容包括以下几个方面：1. 确定罗盘所需要具有的技术特点和功能需求，如测量精度、动态响应、工作环境和兼容性等；2. 建立三维电子罗盘的数学模型和测量理论模型，包括传感器的原理、信号分析、数据处理等；3. 确定罗盘的硬件设计方案，包括采用的传感器、控制电路、数据采集等；4. 进行软件开发，包括编写控制程序、数据采集、数据处理、数据显示和设备管理等。

三、研究难点1. 如何选择合适的传感器和控制电路，以确保罗盘具有足够的精度和响应速度；2. 如何处理不同传感器的信号，以提高测量精度和稳定性；3. 如何编写有效的控制程序和数据处理程序，以便将原始数据转换为有用的信息。

四、研究方法和步骤本设计将采用以下研究方法和步骤：1. 调查和分析现有的三维电子罗盘技术和产品，分析其优缺点，从中总结和提取可借鉴的经验和技术；2. 基于以上分析结果，确定本研究所需要的技术特点和功能需求；3. 建立三维电子罗盘的数学模型和测量理论模型，包括传感器的原理、信号分析、数据处理等；4. 根据以上研究结果，确定罗盘的硬件设计方案，进行样机的制作和测试；5. 利用以上研究成果，编写控制程序和数据处理程序，以便将原始数据转换为有用的信息。

五、预期成果本研究预期将会获得以下成果：1. 设计出一款精度高、可靠性好的三维电子罗盘，并对其进行测试和评估；2. 建立三维电子罗盘的数学模型和测量理论模型，并进行相关的分析研究；3. 编写出有效的控制程序和数据处理程序。

电子罗盘的倾斜及罗差补偿算法研究

ＲｅｅｒｈｏｌｎｖｒｎｅｒｒＣｏｐｅａｉｎｏｅｔｏｉｍｐａｓｓａｃｎＴｉｔａｄＥｎｉｏｍｎｔＥｒｏｍｎｓｔｏｆＥｌｃｒｎｃＣｏｓ
ＳＨＡＯＴｎ —ｉｇ，ｉｎｃｎ，ｉｇｔｎＭＡＪａ —ａｇＨＵＳｉｅｇ，ｈ一ｎＷＡＮＧＣａ｛ｈｏ
电子罗盘是一种重要的导航定位工具，能实时提供运行物体的航向和姿态．在使用过程中周围磁
场环境的影响，会使罗盘系统的精度和稳定性大大下降，正这些误差仅仅通过硬件措施不能很好的修解决，还必须借助有效的软件补偿方法才能完成．本文涉及的电子罗盘是基于磁阻传感器和
Ｋｅｒｓｅｅｔｏｉｃｍｐｓ；ｅｒｒａａｙｉ；ｅｖｒｎｅｔｅｒｒｃｍｐｎａｉｎｙｗｏｄ：ｌｃｒｎｃｏａｓｒｏｎｌｓｓｎｉｏｍｎｒｏｏｅｓｔ；Ａｒｔｍｅｉｏｉｈｔｃ
ｄｔｈｗｓｔａｈｘｍｕｅｒｒｉｄｏｒｍ５５ｔ。ｅｅｅｔｒａａｓｏｈｔｔｅｍａｉｍｒｏｓｒｐｆｏ３．。ｏ３ｖｎｂｔｅ，ｗｈｎｔｅｃｍｐｓｙｔｍｓｃｍ— ｅｈｏａｓｓｓｅｉｏｐｎａｅ．Ｔｈｅｓｎｗｈｃｈｒｃｓｏｉｎ’ ｃｉｖ。ｏｅｔｒｗａｌｏｅｐａｎｄｎｈｘｅｉｅｓｔｄｅｒａｏｉｈｔｅｐｅｉｉｎｄｄｔａｈｅｅ１ｒｂｔｅｓａｓｘｌｉｅ，ａｄｔｅｅｐｒ— ｍｅｔｓｏｈｔｔｅｃｍｐｓｙｔｍａｅｕｅｎｃｍｍｏａｉａｉｎｆｌ．ｎｈｗｓｔａｈｏａｓｓｓｅｃｎｂｓｄｉｏｎｎｖｇｔｉｄｏｅ

通信电子中的电子罗盘技术

通信电子中的电子罗盘技术随着通信技术的飞速发展，电信行业也在不断推陈出新，不断向着更高的技术水平追求。

而电子罗盘技术则是其中的重要领域之一，也是可持续发展的重点研究方向之一。

一、电子罗盘技术的概述电子罗盘是指用电子元器件代替传统的机械罗盘进行方向检测和指示的一种设备。

它主要利用传感器、信号处理器和显示器等元器件，通过对地球自转的影响以及地球对磁场的影响等进行测量和分析，进而推导出准确的方向和位置信息，并通过显示器上的数据指针来指示方向。

电子罗盘技术具有精度高、灵敏度好、反应时间快等特点，特别适合用于通信领域中需要进行航向控制、定位及角度测量等方面的应用。

二、电子罗盘技术在通信领域中的应用1. 航向控制电子罗盘技术在军事航空、船舶航行、导弹制导等方面的航向控制应用是电子罗盘技术在通信领域中的一个重要应用方向。

在这些领域中，电子罗盘的精确性和稳定性尤为重要。

例如，在航空领域，机身姿态的稳定性是航行安全的重要保证。

而电子罗盘技术则可以借助陀螺仪等元器件来提高航行稳定性，防止飞行器出现姿态偏差导致的意外。

2. 定位测量电子罗盘技术可以用于通信设备的定位测量中，例如移动通信网络中的基站与终端之间的通信距离测量、卫星连接的建立等。

通过精确的定位测量，可以准确地确定通信设备的位置以及其周围环境的变化，从而提高通信信号的传输质量和稳定性。

3. 角度测量在通信工程中，角度测量是非常重要的。

例如在雷达系统中，可以通过电子罗盘技术实现角度测量，来识别和追踪目标。

此外，在通信站等场合中，电子罗盘技术也可以实现方向控制，为通信设备提供更加精确和稳定的定向支持。

三、电子罗盘技术的发展趋势随着通信领域的发展壮大，对电子罗盘技术的要求也越来越高。

因此，电子罗盘技术也在不断地得到改进和升级。

下面分别就电子罗盘技术的发展趋势进行了探讨：1. 精度提高尽管现有的电子罗盘技术已经具有相当高的精度，但在实际应用中还需进一步提高。

为此，学者们正为电子罗盘技术的制造过程、测量方法和数据处理等方面进行深入研究，以达到更高的精度标准。

电子罗盘的原理

电子罗盘的原理电子罗盘是一种用来确定方向的设备，它通过测量地球的磁场来确定物体相对于地球磁北极的方向。

电子罗盘是使用电子技术和磁力学原理来实现的。

电子罗盘主要由以下几个主要组成部分组成：1. 磁传感器：电子罗盘中最重要的组件之一是磁传感器，用来测量地球磁场的大小和方向。

磁传感器常用的有磁阻传感器、磁感应传感器和磁敏电阻等。

2. 控制电路和微处理器：磁传感器测量得到的磁场数据通过控制电路和微处理器进行处理和分析，计算出物体所处的方向。

3. 显示屏和用户界面：对于用户来说，电子罗盘的方向信息需要以一种可视化的形式呈现出来。

因此，电子罗盘通常拥有一个显示屏和一些控制按钮或触摸屏，用于用户操作和查看方向信息。

电子罗盘的工作原理如下：1. 磁场测量：磁传感器测量地球磁场的大小和方向。

磁阻传感器的测量基于磁场的影响力改变传感器内部的电阻值；磁感应传感器则是通过测量磁场对敏感器产生的感应电动势进行测量。

2. 数据处理：测量得到的磁场数据通过控制电路和微处理器进行处理和分析。

首先对测量得到的磁场数值进行滤波和校正，消除噪声和外部干扰的影响。

然后，根据磁场数据，计算出物体相对于地球磁北极的方向。

这个计算过程一般会结合加速度传感器来进行补偿和校正，以确保获得更准确的方向数据。

3. 方向显示：计算得到的方向数据通过显示屏和用户界面呈现给用户。

电子罗盘通常会显示当前的方位，例如北、南、东、西等，有些还会显示出具体的度数。

需要注意的是，电子罗盘的测量精度受到一些因素的影响。

首先是外界的磁场干扰，例如电子设备、金属物体等都会对罗盘的测量产生影响。

其次是传感器本身的精度和校准情况，传感器的灵敏度和准确性会影响测量结果的精度。

最后是使用环境的影响，例如在高磁干扰环境下，罗盘的测量精度可能会受到较大的影响。

综上所述，电子罗盘是通过测量地球的磁场来确定物体相对于地球磁北极的方向的设备。

它利用磁传感器对磁场进行测量，通过数据处理和分析计算出方向信息，并通过显示屏和用户界面呈现给用户。

电子罗盘—搜狗百科

电子罗盘—搜狗百科电子罗盘随着科学技术的飞速发展，人类的活动范围不断扩大，从深达数千米的地层、海底到外大气层都有人类活动的痕迹。

伴随着人类活动领域的不断扩展，卫星、飞机、导弹、运动平台的稳定、微波通信天线的自动跟踪、勘探和探测等研究活动都需要定向导航技术。

因此，定向导航技术的研究在科学研究、工程领域中具有重要的意义。

电子罗盘，又称数字罗盘，在现代技术条件中电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。

电子罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化，其输出信号通过处理可以实现数码显示，不仅可以用来指向，其数字信号可直接送到自动舵，控制船舶的操纵。

目前，广为使用的是三轴捷联磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。

虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。

尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%。

并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。

为弥补这一不足，可以采用组合导航定向的方法。

电子罗盘产品正是为满足用户的此类需求而设计的。

它可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。

当然，随着GPS技术的发展，采用双GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波测量技术和快速求解模糊度技术，精确计算出运动载体的方位角，同时可以输出俯仰角、位置、速度以及UTC等信息也可以实现静止状态给出航向信息。

目前市场典型XW-SC3600/3660定位定向系统，克服陀螺寻北的成本高、动态差和磁罗盘精度低、响应慢等缺点。

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1.地磁场和航向角的背景知识
如图1所示，地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。

在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。

用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss （1Tesla=10000Gauss）。

随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。

需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。

图1地磁场分布图
地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。

如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图2所示。

图2地磁场矢量分解示意图
实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。

罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。

由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以用式1计算出航向角。

当罗盘水平旋转的时候，航向角在0º-360º之间变化。

2.倾斜补偿
通常电子罗盘并不是保持绝对水平的，它和水平面有一个夹角。

这个夹角会影响航向角的精度，需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。

对于一个物体在空中的姿态，如图3所示，Pitch(Φ)定义为x轴和水平面的夹角，图示方向为正方向；Roll(θ)定义为y轴和水平面的夹角，图示方向为正方向。

由Pitch角引起的航向角的误差如图4所示。

可以看出，在x轴方向10度的倾斜角就可以引起航向角最大7-8度的误差。

图3Pitch角和Roll角定义
图4Pitch角引起的航向角误差
电子罗盘在空中的倾斜姿态如图5所示，通过3轴加速度传感器检测出三个轴上重力加速度的分量，再通过式2可以计算出Pitch和Roll。

图5手机在空中的倾斜姿态
3.电子罗盘方案介绍
一个三维电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据，一个三轴加速计以测量罗盘倾角，通过信号调理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。

处理器通过磁场数据计算出方位角，通过重力数据进行倾斜补偿。

这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响，如图6所示。

图6电子罗盘结构示意图
4.铁磁场干扰及校准
电子罗盘主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。

然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯，而一个普通的手机喇叭当相距2厘米
时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场，这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。

磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在，使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。

如图7所示，在磁传感器的XYZ坐标系中，绿色的圆表示地球磁场矢量绕z轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹，再没有外界任何磁场干扰的情况下，此轨迹将会是一个标准的以O(0,0)为中心的圆。

当存在外界磁场干扰的情况时，测量得到的磁场强度矢量α将为该点地球磁场β与干扰磁场γ的矢量和。

记作：
图7磁传感器XY坐标以及磁力线投影轨迹
一般可以认为，干扰磁场γ在该点可以视为一个恒定的矢量。

有很多因素可以造成磁场的干扰，如摆放在电路板上的马达和喇叭，还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩，螺丝，电阻，LCD背板以及外壳等等。

同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场，如图8。

图8电流对磁场产生的影响
为了校准这些来自电路板的磁场干扰，主要的工作就是通过计算将γ求出。

4.1平面校准方法
针对XY轴的校准，将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转，如图7，等价于将地球磁场矢量绕着过点O(γx,γy)垂直于XY平面的法线旋转，而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。

这可以找到圆心的位置为((Xmax+Xmin)/2,(Ymax+Ymin)/2).同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆，这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx,γy,γz).
4.2立体8字校准方法
一般情况下，当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时，测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球，所有的采样点都落在这个球的表面上，如图9所示，这一点同两维平面内投影得到的圆类似。

图9地球磁场空间旋转后在传感器空间坐标内得到球体
这种情况下，可以通过足够的样本点求出圆心O(γx,γy,γz),即固定磁场干扰矢量的大小及方向。

公式如下：
4.3十面校准方法
同样，通过以下10面校准方法，也可以达到校准的目的。

如图10所示，经过10面校准方法之后，同样可以采样到以上所述球体表面的部分轨迹，从而推导出球心的位置，即固定磁场干扰矢量的大小及方向。

图1010面校准后的空间轨迹
技术咨询:42009595。