基于磁阻传感器和加速度计的电子罗盘设计
基于隧道磁阻传感器的三维电子罗盘设计
基于隧道磁阻传感器的三维电子罗盘设计∗王琪;李孟委;王增跃;蒋孝勇;李锡广【摘要】Existing electronic compass is vulnerable to be distracted by the Magnetic Field in external environment, which leads to low accuracy. To solve this problem,a three-dimensional electronic compass is designed based on Tunneling Magneto Resistance sensor and a prototype is made. The error characteristics of compass in a real envi-ronment is studied,and ellipse hypothesis are carried out to compensate the azimuth error after ellipsoid-fitting cor-rection. Through experimental tests,the compensation effect of the ellipse hypothesis method,which compensated az-imuth accuracy of up to 0.85° and effectively reducing 94.81% of the azimuth error. Experimental results show that applying TMR sensor to electronic compass is feasible.%针对现有电子罗盘在地磁场检测时易受到外界磁场干扰而导致测量精度不高的问题，设计了基于隧道磁阻传感器( TMR)的三维电子罗盘并完成样机制作。
三维磁阻式电子罗盘的设计与实现
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三轴电子罗盘的设计与误差校正
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智能手机里的电子罗盘工作原理
智能手机里的电子罗盘工作原理随着科技的持续进步，智能手机已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
智能手机可以用于通讯、上网、拍照、导航等各种功能，而其中一个特别值得关注的功能就是电子罗盘。
本文将介绍智能手机中电子罗盘的工作原理。
一、介绍电子罗盘的功能电子罗盘是智能手机中的一项重要传感器，它能够感知地球的磁场，并根据磁场方向提供定位信息。
借助电子罗盘，智能手机可以在使用导航应用时准确判断方向，为用户提供导航、地图定位和实景导航等功能。
二、原理解析电子罗盘的工作原理基于磁场感应和传感器技术。
1. 磁场感应根据法拉第电磁感应定律，当一个导体移动时，如果它和磁场存在相对运动，就会在导体中产生感应电流。
电子罗盘利用这个原理，通过感应电流来检测地球磁场的方向。
地球可以简化地看作一个巨大的磁体，我们称之为地磁。
地磁存在于地球的内部，周围环绕着一个磁场。
这个地球磁场的方向是地理北极到地理南极的方向，也就是我们通常所说的地磁北极指向地磁南极。
2. 传感器技术智能手机中的电子罗盘采用了磁阻式的传感器技术。
磁阻式传感器是基于磁电阻效应工作的。
所谓磁电阻效应，是指某些材料在外加磁场的作用下，其电阻会发生改变的现象。
根据此原理，智能手机中的电子罗盘利用电阻变化来检测地磁的方向。
具体来说，智能手机的电子罗盘由一个磁力计、几个磁阻传感器组成。
磁力计可以测量地磁场在三个轴上的分量，而磁阻传感器则用于检测磁力计周围的磁场强度。
磁力计感知到地磁场后，智能手机会将检测到的磁场数据传送给处理器进行计算，最终得出设备所处位置与地磁场之间的关系，进而确定设备的方向。
三、校准与精度控制电子罗盘在使用过程中需要进行校准，以保证其准确度。
智能手机中的电子罗盘校准通常分为水平校准和方向校准两个步骤。
水平校准时，用户需要将手机在水平面上旋转，使其感知到的磁场尽可能接近水平方向。
方向校准时，用户需要将手机按照规定的方向旋转，以使电子罗盘感知到的磁场与实际方向一致。
电子罗盘目标定位定向方法研究
EQUIPMENT TECHNOLOGY中国军转民85电子罗盘目标定位定向方法研究刘伟近年来，通过获取的测量基准利用电子罗盘，开展远距离目标定向定位在相关行业的研究方兴未艾，随着技术日趋成熟，定向定位精度也在不断提高，其研究成果广泛应用到飞行器导航、军用测绘、卫星天线定向等领域，硬件已嵌入到便携式武器装备中。
如美国KVH 公司的C100系列磁通门电子罗盘、PNI 公司的TCM 系列三维电子罗盘、Honeywell 公司研制的HMR 系列磁阻传感器电子罗盘等，其方位测量精度在倾斜45°时仍能达到0.5°以上。
国内对电子罗盘在不同领域的应用也开展了相应的深入研究，如西北某大学将磁通门技术应用于无人机项目；航空某所研制了三轴磁通门捷联式磁罗盘；深圳瑞芬公司的RION 系列电子罗盘，精度达到0.5°；中船总某所弱磁实验室研制的MC 系列电子罗盘已应用在测绘导航装备中。
本文通过分析电子罗盘的工作原理和应用特点，对电子罗盘在定向定位方面的推广应用提出了见解。
一、工作原理电子罗盘通常由三轴磁阻传感器，两轴倾斜传感器组成，并带有A/D 转换电路和微处理器。
图1所示电子罗盘为倾角补偿电子罗盘, 其输出的磁方位角不受载体倾斜的影响，分为传感器模块、信号调理采集模块以及主控制器模块。
三轴磁阻传感器正交安装，测量载体坐标系下地球磁场强度在三个坐标轴的分量HX、HY、HZ，倾角传感器通过敏感重力分量gX、gY 测量罗盘的俯仰角和滚动角，通过坐标转换可得到载体的磁方位角（计算方法见式7~9）。
二、电子罗盘应用特点在远距离目标定向定位中电子罗盘作为快速测量的传感器，主要利用其体积小、重量轻、功耗小、价格低、系统反应时间短，可嵌入到系统或设备内部的优势，与陀螺寻北仪相比，具有系统结构简单、可快速动态测量、抗震抗冲击性能好、架撤方便、动态漂移率低等较为明显的优势。
但是实际使用中，电子罗盘也存在着如下缺点：（1）定向精度低；（2）受外界磁场环境影响大；（3）磁偏角变化较大；（4）为了提高电子罗盘的测量精度，需要在测量前对其进行标定、校准，并对其圆周特性进行补偿等。
数字式电子罗盘毕业设计
毕业设计说明书数字式电子罗盘设计学生姓名：孔垂礼学号： ********** 学院：计算机与控制工程专业：电气工程及其自动化指导教师：***2015 年 06 月数字式电子罗盘设计摘要数字式电子罗盘具有很多优点，例如：体积比较小、启动非常迅速、功率损耗较低、制造成本低廉等,当今社会测控技术对测向传感器提出了非常高的要求;为了提高数字罗盘的测量精度,特意设计了一种基于HMC5883L三轴磁阻传感器[1]的数字电子罗盘;在分析相关类似产品的基础上,特别强调对电源、器件选型、信号调理电路、软件设计等方面进行了分析研究,设计出了数字罗盘并且研制了试验的样机;为验证设计效果,在双轴陀螺测试转台上进行了测试,试验结果初步验证了该设计方案的可行性;论文的研究工作可以为研究和改良数字式磁罗盘的测量准确度提供可靠的资料.关键词：地磁场，数字罗盘，HMC5883L三轴磁阻传感器，重力加速度计Here is the translation of your chinese paper’s titleAbstractDigital electronic compass, has small volume, quick start, low power consumption, and low cost, the modern measurement and control technology puts forward higher requirements on sensor of direction finding; In order to improve the precision of the digital compass, we design a HMC5883L triaxial magnetic resistance sensor based digital electronic compass; On the basis of the analysis of related products, focuses on the power supply, device selection, signal conditioning circuit and software design are analyzed in aspects of research, design the digital compass and test prototype was developed; To verify the design effect, on the two-axis gyro testing table was tested, experimental results verify the feasibility of the design scheme of; Thesis research work could be used to research and provide reference for improving the measuring accuracy of digital magnetic compass.Key words : Earth's magnetic field, digital compass, HMC5883L three-axis magnetic resistance sensor, the gravity accelerometer目录摘要 (2)Abstract (3)目录...........................................................................................................................................错误!未定义书签。
电子罗盘芯片
电子罗盘芯片电子罗盘芯片（Electronic Compass Chip）电子罗盘芯片是一种利用地磁场原理来实现方向指示的电子芯片。
它可以提供高精度的方向测量，广泛应用于手机、车载导航、智能手表等设备中。
电子罗盘芯片的工作原理是基于地球的磁场。
地球具有一个整体的地磁场，我们身处其中，会感受到一个地磁方向。
电子罗盘芯片通过检测周围的磁场强度和方向信息，利用自身的计算能力来计算出当前设备所指向的方向。
电子罗盘芯片通常由磁传感器、处理单元和输出接口组成。
磁传感器是关键部件，用来检测周围的磁场信息。
常用的磁传感器有轴向磁阻传感器、磁电阻传感器和霍尔传感器等。
这些传感器能够感知磁场强度和方向，并将其转换成电信号进行处理。
处理单元是芯片内部的计算单元，用来处理传感器输出的数据，并计算出准确的方向信息。
输出接口则用来将计算结果传递给设备的其他部件或者外部设备。
电子罗盘芯片的准确性和稳定性对其应用非常重要。
首先，磁场传感器的精度决定了芯片的测量精度。
一般来说，磁场传感器的精度越高，芯片的准确性越高。
其次，芯片内部的处理单元需要有强大的计算能力，能够快速而准确地处理传感器输出的数据。
同时，芯片还需要具备抗干扰能力，以过滤掉外部的干扰信号，保证测量的稳定性和准确性。
电子罗盘芯片在手机上的应用十分广泛。
它可以帮助手机实现指南针功能，用户可以通过手机来感知自己所处的方向。
此外，电子罗盘芯片还可以与地图应用结合，提供更准确的导航服务。
在车载导航系统中，电子罗盘芯片可以辅助导航系统获得车辆的行驶方向，提高导航的准确性。
在智能手表、智能眼镜等可穿戴设备中，电子罗盘芯片可以检测用户的行走方向，并将数据传递给其他应用，实现诸如步数统计、导航等功能。
总之，电子罗盘芯片是一种基于地磁场原理实现方向指示的电子芯片。
它具有高精度、稳定性强的特点，广泛应用于手机、车载导航、智能手表等设备中。
随着技术的不断发展，电子罗盘芯片的精度将会进一步提高，并且在更多的应用场景中得到应用。
浅析电子罗盘原理与误差分析
Hot-Point Perspective热点透视DCW151数字通信世界2019.07罗盘，在我国又被称为指南针，又名罗经仪，在近代主要用于航海，对于新大陆的发现和全球化运动发挥了重要作用。
然而在今天的工业和社会生活中，罗盘主要用来导航。
GPS 也也就是全球卫星定位系统，是目前使用最广的一种导航定位手段，但是它的信号经常被地形和地面的物体所阻挡，使得精度大幅度降低，特别是在植物茂密的森林和高楼林立的城市地区，GPS 信号的实用性仅有60%。
定位结果误差较大将导致设备无法正常工作。
电子罗盘是一种能探测航向角或其他的姿态的装备，该装备在日常生活中发挥着很重要的作用，它应用了地磁场和重力加速度电子罗盘结合GPS ，能有效弥补GPS 的缺陷，实现复杂地形环境下的精确定位导航。
因此，本文介绍了一种基于磁阻传感器HMC1022的电子罗盘的基本测量原理和误差分析。
1 地磁场简介和测量原理外源变化磁场、地核主磁场、感应磁场，以上四种磁场大体组成了地磁场。
地核主磁场所占的比重最大，百分比是95%；感应磁场以及外源变化磁场占的比重最少，仅仅只有1%；地核磁场所占的比重稍微比感应磁场多一些，高出3%，比重为4%。
我们可以设想地球内部存在一磁铁，磁铁的中心正好和地心相重合。
这样，无论在地球内部或是外部都存在许多的磁力线，在地球内部线从地球北极出发指向南极，在地球外部南极发出磁力线，最终都回到北极。
地磁场存在于三维空间内，是一个矢量场。
为了形容地磁场的散布特征，可以把观测点作为原点建立一个三维坐标系，该坐标系的三个轴x 、y 、z 轴的正向分别代表的方向是：地球的北方向、地球的东方向、在观测点处垂直向下的方向。
Z 、X 、Y 是三个磁场分量，Z 是垂直向下的，X 是指向北方向的、Y 是指向东方向的。
磁倾角、水平强度、磁偏角、总强度称为四要素，该四要素在地磁场的研究中发挥着不可替代的作用。
其中，I 表示磁倾角，该夹角存在于水平面与总矢量之间；H 是水平强度，它是地磁场的水平分量；D 表示磁偏角，存在于地球正北方向和H 之间。
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基于磁阻传感器和加速度计的电子罗盘设计
杨红红;程慧娟
【摘要】介绍了三轴磁阻传感器MMC3120MQ的技术特点，并利用此传感器、三轴加速度传感器ADXL335和微控制器MSP430F2618设计了一种具有倾斜补偿功能的手持式电子罗盘。
详细分析了磁阻传感器的误差模型，并给出了基于最小二乘椭球拟合的误差补偿算法。
在无磁测试转台上进行了测试，试验结果验证了该电子罗盘能够达到较高的精度，水平放置时航向角绝对误差最大值为1．2°左右。
可广泛应用于民用导航领域。
%The technical features of 3-axis magnetoresistance sensor MMC3120MQ are introduced. Based on
MMC3120MQ, 3- axis aeeelerometer ADXL335 and MCU MSP430F2618, an electronic compass with tilt compensation is developed. The analysis about the errors of magnetor
【期刊名称】《微型机与应用》
【年(卷),期】2011(030)015
【总页数】3页(P93-95)
【关键词】电子罗盘;磁阻传感器;加速度传感器;倾角补偿
【作者】杨红红;程慧娟
【作者单位】泰州机电高等职业技术学校电子信息工程系,江苏泰州215300;泰州机电高等职业技术学校电子信息工程系,江苏泰州215300
【正文语种】中文
【中图分类】V241.611
电子罗盘是一种重要的导航定位工具，通过磁敏传感器测量地球磁场，能够实时提供运动物体的航向和姿态。
磁敏传感器是传感器技术的一个重要组成部分，近年来，随着磁性薄膜的各向异性磁阻效应和铁磁/非磁金属多层结构薄膜的巨磁电阻在国
外引起了基础理论研究和应用方面的高度重视，薄膜磁阻传感器迅速成为磁性传感器技术中最活跃的一个分支。
磁阻传感器具有体积小、功耗低、易于安装，且温度特性好、实时性和抗干扰能力强、误差不随时间积累等特点，使基于磁阻传感器的电子罗盘越来越受到人们的重视[1]。
随着当前通信技术、汽车电子、太阳能发电
架跟踪器和智能手机的快速发展，三维电子罗盘作为航向、俯仰和翻转等参数的测量而得到大量的使用。
1 电子罗盘工作原理
地球的磁场强度为 0.5～0.6 G，无论何地，磁场的水平分量永远指向磁北，这是
所有磁罗盘的制作基础。
三维电子罗盘能实时提供活动物体的航向角、俯仰角和横滚角，通过这三个角度可确定物体的姿态参数，实际上就是确定了载体坐标系与地理坐标系之间的方位关系，如图1所示。
三维电子罗盘可以在任意姿态进行地磁
场分量的测量，得到罗盘表面三个方向的磁场强度为M、M、M。
然后根据三轴
加速度传感器测得重力加速度在罗盘表面三个方向的重力加速度分量为 Gx、Gy、Gz，根据公式γ=tan-1，θ=tan-1求得俯仰角θ，横滚角γ[2]。
在三维空间内，当载体机体坐标系的 XY平面不在水平面内，即载体存在横滚角γ和θ俯仰角时(如图1)，需要将沿机体坐标系测量的地磁场信息转换到地平坐标系h系内，求解载体的磁航向角。
机体坐标系和地平坐标系之间的转换矩阵为：
磁阻传感器的测量值 M、M、M转换到地平坐标系的公式为：
公式(2)的分量形式为：
则磁航向角：
图1 机体坐标系b和地平坐标系h方位关系
2 硬件设计
三维电子罗盘的硬件原理框图如图2所示。
系统使用三轴磁阻传感器
MMC3120MQ和三轴加速度传感器ADXL335分别得到三维空间中的地磁场分量和重力加速度分量，采用TI公司的MSP430F2618来完成传感器数据采集，并进行传感器数据处理和误差校正等，最终得到三个姿态角后控制LCD进行结果显示。
图2 三维电子罗盘硬件原理框图
2.1 传感器部分
MMC3120MQ是MEMSIC公司2009年推出的三轴AMR(Anisotropic Magnetoresistant)各向异性磁阻传感器，它具有I2C数字接口，可直接连接微控制器，数据读写非常方便，并且芯片内部已经集成复位/置位功能，可以抵御强磁
破坏。
MMC3120MQ的工作电压范围为2.7 V～5.25 V，工作温度范围为-
40°C～+85°C，分辨率为512 counts/gauss，可满足民用领域的应用要求。
ADXL335是ADI公司一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的MEMS三轴加速度传
感器，以最小±3 g的满量程范围测量加速度，并提供经过信号调理的电压输出，
可直接接入A/D转换器。
通过对测得的加速度值进行运算即可得到载体的俯仰角
和横滚角。
2.2 MCU部分
MSP430F2618是一款TI公司推出的最低功耗16 bit通用MCU。
由于在3.3 V
电压下实现了16 MHz的全速处理器状态，电池使用寿命与系统成本得以进一步优化。
该产品中的片上选项包括八通道12 bit ADC，通用串行通信接口(UCSI)能通过灵活的标准实施方案(支持I2C、SPI、IrDA与 UART)来缩短开发时间。
MSP430F2618通过I2C接口直接与磁阻传感器连接，使用三个12 bit ADC通道与ADXL335的电压输出端口连接，因此可快速地进行数据采集，然后根据算法进行计算得到结果，最后在LCD显示模块PCF8833上显示结果。
3 误差分析与软件设计
磁阻传感器通过感知地磁场大小和方向来确定航行角，当没有误差的情况下，磁阻传感器的X、Y、Z轴输出可用图3(a)表示，在坐标系上映射出一个球体。
但是由于传感器本身的制作工艺，安装误差及周围环境的铁磁干扰等因素影响，航行角误差是不可避免的。
电子罗盘的误差主要分为：制造误差、安装误差和环境误差等。
制造误差可分为三类：零位误差、灵敏度误差、正交误差。
其中，零位误差为单周期误差，灵敏度误差为双周期误差，而正交误差则由常值误差和双周期误差构成。
安装误差造成磁航行角存在常值误差。
环境误差产生于使用环境的铁磁介质材料，包括软铁干扰和硬铁干扰。
其中软铁误差与制造类误差模型类似，而硬铁误差则属于零位误差[3]。
在零位误差和灵敏度误差的情况下磁阻传感器的 X、Y、Z轴输出可用图3(b)表示；同时如果还有软磁干扰和正交误差，则磁阻传感器的X、Y、Z 轴输出可用图3(c)表示。
图3 磁阻传感器X、Y、Z轴数据映射曲面
针对以上误差，本文使用最小二乘椭球拟合磁误差补偿算法拟合磁阻传感器输出值映射的椭球曲面。
图3所示的椭球曲面可用二次多项式方程表示：
式(5)描述的最小二乘问题具有椭球拟合唯一解，且为全局最小解。
基于最小二乘椭球拟合磁误差补偿算法的基本设计思路是：使磁阻传感器在环境磁场中均匀地进
行一次三维全方位的旋转，微控制器按一定的采样频率同步采集原始磁场强度数据，然后进行最小二乘椭球拟合磁误差补偿算法得到式(5)的系数，根据系数即可求得
磁阻传感器三轴输出椭球曲面模型的中心点、灵敏度和椭球的倾斜度，由此完成磁阻传感器三轴数据的归一化过程，最后使用式(4)求得误差修正后的磁航向角值。
4 实验结果分析
本文根据硬件设计方案研制了手持式三维电子罗盘，并使用电子罗盘航向角求解算法和最小二乘椭球拟合磁误差补偿算法编制了在MSP430F2618上运行的软件代码，最后对所研制的三维电子罗盘在无磁测试转台上进行了测试。
电子罗盘水平放置并均匀旋转一周，对每5°为一个测量点，得到误差校正前与误差校正后的电子
罗盘航向误差曲线，如图4所示。
未经过误差校正的电子罗盘航向角绝对误差最
大达到7.5°，经过误差校正后的航向角绝对误差最大为1.2°。
可见使用最小二乘
椭球拟合磁误差补偿算法可有效补偿大部分的磁阻传感器误差。
本文使用一种新型的数字三轴磁阻传感器和三轴MEMS加速度传感器设计了一款手持式三维电子罗盘，分析了磁阻传感器中存在的误差，提出了最小二乘椭球拟合磁误差补偿算法进行误差补偿，实验结果表明，电子罗盘具有较高的精度和稳定性，可用于民用导航领域。
图4 误差校正前后电子罗盘航向角绝对误差曲线
参考文献
【相关文献】
[1]王君，罗冰.基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制[J].河南大学学报，2009，39(3)：244-246.
[2]Liu Jianye， Li Rongbing， Niu Xinyuan， et al.MEMS-based inertial integrated
navigation technology for micro air vehicles[C].AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference and Exhibit， Keystone， Colorado， 2006：21-24.
[3]李珊，范大鹏，张智永，等.三轴磁罗盘高精度误差补偿算法研究[J].传感器世界，2005(9)：19-22.。