使用HMC5883L-3轴数字罗盘传感器计算航向角
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。
地磁传感器_磁感应计_电子罗盘(compass)原理
内容MID中的传感器1加速计2陀螺仪3地磁传感器4MID中的传感器——已商用的传感器◆触摸屏◆摄像头◆麦克风（ST：MEMS microphones……）◆光线传感器◆温度传感器◆近距离传感器◆压力传感器（ALPS：MEMS气压传感器……）◆陀螺仪（MEMS）◆加速度传感器（MEMS）◆地磁传感器（MEMS）集成电路（Integrated Circuit，IC）把电子元件/电路/电路系统集成到硅片（或其它半导体材料）上。
微机械（Micro-Mechanics）把机械元件/机械结构集成到硅片（或其它半导体材料）上。
微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）MEMS = 集成电路+ 微机械陀螺仪（Gyroscope）•测量角速度•可用于相机防抖、视频游戏动作感应、汽车电子稳定控制系统（防滑）加速度传感器（Accelerometer）•测量线加速度•可用于运动检测、振动检测、撞击检测、倾斜和倾角检测地磁传感器（Geomagnetic sensor）•测量磁场强度•可用于电子罗盘、GPS导航陀螺仪+加速计+地磁传感器•电子稳像(EIS: Electronic Image Stabilization)•光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization)•“零触控”手势用户接口•行人导航器•运动感测游戏•现实增强1、陀螺仪（角速度传感器）厂商：欧美：ADI、ST、VTI、Invensense、sensordynamics、sensonor日本：EPSON、Panasonic、MuRata、konix 、Fujitsu、konix、SSS国产：深迪2、加速度传感器（G-sensor）厂商：欧美：ADI、Freescale、ST、VTI、Invensense、Sensordynamics、Silicon Designs 日本：konix、Bosch、MSI、Panasonic、北陆电气国产：MEMSIC（总部在美国）3、地磁传感器（电子罗盘）厂商：欧美：ADI、Honeywell日本：aichi、alps、AsahiKASEI、Yamaha国产：MEMSIC（总部在美国）MID中的传感器——IPhone4陀螺仪：ST，L3G4200D加速计：ST，LIS331DLH地磁传感器：AsahiKASEI，AK8975内容MID中的传感器1陀螺仪2加速计3地磁传感器4地磁传感器——背景知识地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。
hmc5883l工作原理
hmc5883l工作原理HMC5883L是一种三轴磁力计，它能够测量地球磁场的强度和方向。
它采用了霍尔效应传感器来测量磁场，并且具有高精度和低功耗的特点。
在本文中，我们将详细介绍HMC5883L的工作原理。
一、霍尔效应传感器霍尔效应是指当电流通过一个导体时，如果该导体处于一个磁场中，那么该导体两侧会产生一定的电势差。
这种现象被称为霍尔效应。
基于霍尔效应原理的传感器被称为霍尔传感器。
HMC5883L采用了三个霍尔效应传感器来测量磁场，这三个传感器分别安装在不同的轴上（X、Y、Z轴），可以同时测量三个方向上的磁场强度。
二、I2C通信协议HMC5883L使用I2C通信协议与主控板进行通信。
I2C是一种串行通信协议，它只需要两根线（SDA和SCL）即可实现双向数据传输。
其中SDA线用于数据传输，SCL线用于时钟同步。
在I2C通信中，主控板负责产生时钟信号，从而控制数据传输的速率和时序。
HMC5883L作为从设备，接收主控板的指令，并返回相应的数据。
三、HMC5883L的寄存器HMC5883L内部有多个寄存器，用于存储配置信息和测量结果。
下面是一些重要的寄存器：1. Configuration Register A（0x00）：用于配置测量模式、采样速率和增益。
2. Configuration Register B（0x01）：用于配置磁场测量范围。
3. Mode Register（0x02）：用于选择单次测量模式或连续测量模式。
4. Data Output X MSB Register（0x03）：用于存储X轴磁场强度的高8位数据。
5. Data Output X LSB Register（0x04）：用于存储X轴磁场强度的低8位数据。
6. Data Output Z MSB Register（0x05）：用于存储Z轴磁场强度的高8位数据。
7. Data Output Z LSB Register（0x06）：用于存储Z轴磁场强度的低8位数据。
三轴加速度计算欧拉角
三轴加速度计算欧拉角
三轴加速度计通常采用电容式感应方式来测量加速度。
它包含一个或多个微电子机械系统（MEMS）加速度传感器，传感器内部有一个质量可以在受力时移动的结构。
当物体受到外力作用时，传感器内部的质量结构会发生位移，由位移量可以计算得到物体的加速度。
为了得到物体的欧拉角，首先需要根据三轴加速度计的数据计算出物体的加速度值，然后再根据加速度值计算出物体的姿态角度。
具体的计算过程如下：
1.将三轴加速度计的数据转化为加速度的物理量。
三轴加速度计通常输出的是模拟电压值或数字数值，需要经过转换才能得到物体的加速度。
转换过程通常涉及到校准、放大或数字信号处理等步骤。
2. 根据加速度数据计算物体的倾斜角度。
三轴加速度计的数据包含了物体在X、Y、Z轴方向上的加速度值，可以通过计算向量和力的夹角来得到物体的倾斜角度。
根据三角函数的关系，有sinθ = Ax / g，cosθ = Ay / g，其中Ax和Ay是物体在X和Y轴方向上的加速度值，g是重力加速度。
通过计算反余弦函数可以得到物体的倾斜角度。
3. 根据倾斜角度计算物体的偏航角。
倾斜角度只能得到物体的俯仰（pitch）和横滚（roll）角度，要得到物体的偏航（yaw）角度还需要考虑物体的自旋（rotation）。
可以通过结合磁力计等其他传感器的数据来计算物体的偏航角度。
综上所述，三轴加速度计可以通过测量物体在三个方向上的加速度来计算物体的姿态角度。
计算欧拉角的过程主要包括将加速度数据转化为加速度的物理量、计算物体的倾斜角度和偏航角度。
三轴陀螺仪下的飞行器自动飞行控制
电子技术• Electronic Technology110 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】三轴陀螺仪 飞行器 自动飞行四轴飞行器属于直升机范畴，拥有4个对称旋翼。
传感器技术逐步完善，特别微电子及微机械技术不断优化，最终使四轴飞行器达到自主飞行控制的效果。
四轴飞行器飞行性能可靠可多角度角度灵活移动，为消除外力影响，前方马达转速较快，进而确保水平，相同的是，其余几个方向受外力作用时，四轴也能借助此种动作来维持水平。
如果需对四轴向前飞实施控制，前方马达速度变得越来越慢，后方马达则则相反，如此四轴倾向前方，同样会向前方飞行。
其余飞姿态也能达到相同的效果。
1 总体设计思路主控芯片利用12C 总线对MPU6050的数据和HMC5883L 的数据实施读取，在互补滤波融合算法协助下实施解算，最终将载体的横滚角、俯仰角、偏航角给求解出来。
科学定义通信格式，在串行接口协助下，将协议数据单元的数据帧形式发送到姿态控制单元。
传感器的量程及更新速率组成了传感器的初始化。
滤波相关矩阵的初始化，以传感器特征为依据，构建四维对角方阵，过程激励噪声协方差矩阵、对角元素分别表示为Q 、0.1。
如果顺利读取陀螺仪数据，使滤波时间处在更新当中。
整理加速度传感器及磁阻传感器的数据，如果能够顺利读取，那么便能观测更新。
磁场观测更新算法、加速度观测更新的不同之处在于观测方差的尺，结合上述传感器的置信度来设立匹配的数值。
2 MPU6050软件的设计首先，初始化配置MPU6050。
全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050陀螺仪数据的得到：集成电路芯片单片机在两根线来通讯,的12C 串口配合下，发送器件地址，记下需要发送信号，接着获得所需读取的中央处理器内中寄存器地址，先找到发送器件地址，令集成电路芯片单片机读信号，应答，以依照地址顺序为参照，按照从低至高进行读取。
hmc5883l工作原理(一)
hmc5883l工作原理(一)HMC5883L工作原理概述HMC5883L是一款采用磁电阻原理测量磁场的数字式三轴磁力计，可测量X、Y、Z轴的磁场强度。
它广泛应用于电子罗盘、导航、定位等领域。
磁电阻原理磁电阻效应是指材料在磁场中具有电阻率的变化现象，其本质是材料内部磁矩的定向受到外部磁场的影响。
当外部磁场方向与材料内部磁矩方向相同时，电阻率最小，反之则最大。
利用磁电阻效应可以实现磁场测量。
HMC5883L结构HMC5883L内部由磁电阻元件、前置放大器、AD转换器、数字信号处理器等组成。
其结构示意图如下：•磁电阻元件：负责测量外部磁场的大小和方向；•前置放大器：将测量结果进行放大；•AD转换器：将模拟信号转换为数字信号；•数字信号处理器：处理并输出数字信号。
工作原理HMC5883L三个轴的磁场强度受物体周围磁场的影响，导致其磁电阻元件产生电阻值变化。
该变化信号通过前置放大器，被转换成模拟电压信号，并被送入AD转换器转换成数字信号。
数字信号处理器将这些数字信号处理后，输出计算得出的三轴磁场数据。
结束语本文简单介绍了HMC5883L的工作原理，以及使用磁电阻原理测量磁场的基本原理。
HMC5883L在实际应用中，可以根据需要对不同轴的磁场进行测量和调整，是一款功能强大的磁力计。
使用注意事项使用HMC5883L时，需要注意以下事项：•HMC5883L对磁场干扰较为敏感，应注意周围环境中的磁场干扰；•HMC5883L在工作时，应注意温度和外部电磁干扰对其测量结果的影响；•HMC5883L输出的磁场数据需要校准，以提高其精度和准确性。
总结HMC5883L是一款广泛使用的数字式三轴磁力计，采用磁电阻原理测量磁场，可应用于电子罗盘、导航和定位等领域。
了解HMC5883L的工作原理和注意事项，有助于更好地应用和使用该设备。
电子罗盘应用电路设计与调试
内置自检功能 低电压工作(2.16-3.6V)和超低功耗（100uA） 内置驱动电路 I2C数字接口 无引线封装结构 磁场范围广（+/-8Oe） 有相应软件及算法支持 最大输出频率可达160Hz
SCL VDD NC S1
3 设计过程
HMC5883L简介
霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯 片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X系 列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校 准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器。
（2）电路调试 1. 使用+5V电源接入HMC5883L电子罗盘模块的J4接口，使用20P排线将 HMC5883L电子罗盘模块J2接口和智能显示终端的J2接口相连接起来，确认 无误之后，给模块上电，模块电路如图13.2所示。 2. 通过按键K1或K2选中电子罗盘实验，点击按键K5进入电子罗盘实验，可 以观察到智能显示终端上显示当前方向角。 3. 缓慢转动模块，观察智能显示终端上方向角的变化。
1. 任务描述 2. 器材准备 3. 设计过程 4. 电路调试
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1. 任务描述 2. 器材准备 3. 设计过程 4. 电路调试
1 任务描述任务描述 Nhomakorabea• 具体任务 1）掌握HMC5883L磁传感器结构及工作原理。 2）掌握电子罗盘应用电路的制作与调试方法。
• 任务要求 用HMC5883L测量当前方位角，并在智能显示终端上显示出来。
HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，这些各向异性传感器具有在轴向 高灵敏度和线性高精度的特点。传感器带有的对于正交轴低敏感度的固相结构能用于测 量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到 8 高斯(gauss)。
基于MSP430F149的电子罗盘设计
基于MSP430F149的电子罗盘设计陈学锋;张会永【摘要】文章提出了以三轴磁阻传感器HMC5883L和三轴加速度传感器ADXL345负责采集信号,16位超低功耗微控制器MSP430F149负责处理传感器采集的信号,进行相应的补偿然后输出显示航向的电子罗盘.【期刊名称】《科技创业月刊》【年(卷),期】2016(029)012【总页数】2页(P135-136)【关键词】HMC5883L;ADXL345;MSP430F149;电子罗盘【作者】陈学锋;张会永【作者单位】河南工学院河南新乡 453000;唐河中等职业学校河南南阳473400【正文语种】中文【中图分类】TP368.1电子罗盘是通过测量地球磁场水平方向分量进而推算出地磁北极方向从而得到电子罗盘载体前进方向的一种工具。
其中电子罗盘所在平面上与轴向方向（X方向）垂直的方向（Y方向）和电子罗盘在水平面上的投影的夹角称为翻滚角θ，电子罗盘的轴向方向（X方向）和它在水平面上的投影的夹角叫做俯仰角φ（见图1）。
测量电子罗盘的翻滚角和俯仰角能够经过三轴加速度传感器分别求出三个轴向上的重力加速度分量gX、gY、gZ进而计算出翻滚角和俯仰角。
翻滚角和俯仰角计算公式见式（1）、（2）。
已知电子罗盘的翻滚角θ和俯仰角φ，根据三轴磁阻传感器测得三个轴向上的地球磁场强度分量HX、HY、HZ，其中HX、HY两个分量在水平坐标系水平面上的投影分别为H*X、H*Y，水平磁场强度分量H*X、H*Y的计算公式见式（3）、（4）。
根据求出的水平磁场强度分量H*X、H*Y，可以计算出电子罗盘载体的地磁航向角。
地磁航向角指的是电子罗盘纵轴方向在水平面上的投影与地磁北极间的夹角，地磁航向角α计算公式见式（5）。
考虑到反正切函数的值域以及地磁航向角的范围，地磁航向角α在不同象限的取值分别为：当H*X＜0时，α＝180°-arctan当H*X＞0，时，α＝arctan当H*X＞0，H*Y＞0时，α＝360°-arctan当H*X=0，H*Y＞0，时，α＝270°当H*X=0，H*Y＜0，时，α＝90°由于地磁北极和地理北极并不重合，他们之间有一个夹角，该夹角叫做磁偏角Y。
三轴加速度计算角度
三轴加速度计算角度
三轴加速度计可以用来计算姿态角，其中包括俯仰角、横滚角、偏航角。
以下是计算三轴加速度计角度的步骤：
1. 计算合加速度
首先，我们需要计算出三个轴向上的加速度分量，也就是垂直于地面方向的运动加速度，这里假设三轴分别为x, y, z轴，则加速度计测得的合加速度计算公式为：
a = sqrt(ax^2 + ay^2 + az^2)
2. 计算俯仰角和横滚角
俯仰角（Pitch）和横滚角（Roll）是以重力方向为基础的，俯仰角表示相对于水平面的旋转角度，横滚角表示绕飞行器前后轴的旋转角度。
俯仰角的计算公式为：
Pitch = atan2(-ax, sqrt(ay^2 + az^2))
横滚角的计算公式为：
Roll = atan2(ay, az)
3. 计算偏航角
偏航角（Yaw）表示相对于地磁北极方向的旋转角度。
由于三轴加速度计不能直接测量偏航角，所以需要结合其他传感器数据一起计算。
在使用组合导航系统时，通常需要将陀螺仪和磁力计数据结合起来计算偏航角。
通过陀螺仪可以得到飞行器的旋转速度，而磁力
计可以提供地磁场数据。
由于地磁场是满足规律性分布的，因此可以根据地磁场数据计算出飞行器当前所在方位，从而计算出偏航角。
以上是计算三轴加速度计角度的基本步骤，需要结合其他传感器数据以实现更精确的测量。
同时，也需要注意处理好数据的误差和噪声，以保证计算结果的准确性。
数字电子指南针的设计
数字电子指南针的设计摘要：指南针是一种重要的导航工具，可运用在多种场合。
早起指南针采用磁化指针和方向盘相结合的方式，整个指南针从灵敏度，便携性上都有一定的不足。
电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单的和其他电子系统接口，因此可以代替旧的磁指南针。
以精度高，稳定性好而得到广泛的运用。
本文将详细介绍磁阻（MR）传感器HMC5883L的工作原理，以此为基础利用该芯片采集磁场数据，通过高速微控制器（MCU）完成数据的加工处理，最后以液晶显示器12864完成方位显示功能。
关键字：电子指南针；MR;HMC5883L;MCU(MSP430F149)Abstract: The compass is a kind of important navigation tool，which can be used in many occasions. The early compass magnetized pointer and the steering wheel combination way , the entire compass from sensitivity ,portability has certain insufficiency. Electronic compass internal structure is fixed , no moving parts ,can be simple and other electronic system interface ,so it can replace the old magnetic compass .with high precision ,good stability and wide use .This paper introduces the magneto-resistive (MR) sensor working principle HMC5883L , with this as a foundation with the chip collecting field data ,via a high speed microprocessor control unit (MCU) data processing finally to 12864 LCD complete azimuth display function .Keyword:electronic compass; MR; HMC5883L ; MCU1 引言1.1 课题背景指南针的发明是我国汉族人民在长期的实践中对物体认识的结果。
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使用HMC5883L-3轴数字罗盘传感器计算航向角
——中北大学：马政贵
图1 HMC5883L的电路图
HMC5883L-3轴数字罗盘采用IIC总线接口，内含12位AD转换器，能在8Ga的磁场
中实现5mGa的分辨率。
1. HMC5883L的初始化：
HMC5883L的磁场默认测量范围为1.3Ga，由于地磁场强度大约是0.5-0.6Ga，故使用
默认的量程即可，此外还需进行采样平均数、数据输出速率、测量模式的初始化配置即可。
/*******************************************************************************
功能：对HMC5883L进行初始化
参数：无
返回值：无
*******************************************************************************/
void HMC5883_Init(void)
{
HMC_GPIO_Config(); //GPIO配置
HMC_I2C_Write(0x00,0x78); //（配置寄存器A）采样平均数8；数据输出速率75Hz；正常测量配置模式
HMC_I2C_Write(0x02,0x00); //（模式寄存器）连续测量模式
}
备注：void HMC_I2C_Write(u8 address,u8 data)为寄存器写入函数，第一个参数address
为要写入的寄存器地址，第二个参数data为要写入寄存器的值。
2. HMC5883L自测：
HMC5883L-3轴数字罗盘内含自测模式。
HMC_I2C_Write(0x00,0x79); //（配置寄存器A）采样平均数8；数据输出速率75Hz；正偏压自测模式
HMC_I2C_Write(0x02,0x01); //
（模式寄存器）单一测量模式
通过将配置寄存器A的最低位（MS1和MS0）从00更改为01，然后再配置为单一测量模式，
即可进入自测模式。自测模式下会在内部创建一个标准的自测磁场，从而支持传感器的比例
因子校准。标准磁场的理论值与实际测量值的比值，即可得出传感器的比例因子：
calibration[0] = fabs(951.0 / Compass_Data[0]);
calibration[1] = fabs(951.0 / Compass_Data[1]);
calibration[2] = fabs(886.0 / Compass_Data[2]);
其中，calibration[n]为比例因子，Compass_Data[n]为罗盘的原始数据，951是自测模式下在
X、Y轴的标准输出值，886是自测模式下在Z轴的标准输出值。
3. HMC5883L的硬磁失真校正及倾角补偿：
HMC5883L-3轴数字罗盘在工作过程中，由于不可避免的受周围电磁场的干扰，如电路
走线、其他电子器件工作时的电磁干扰等，从而造成罗盘XYZ轴测得的地磁场强度发生不同
程度的偏移变形。一般我们将干扰的影响分为硬磁失真和软磁失真两类，从影响效果上来看，
硬磁失真会造成磁场输出曲线图的圆心偏移，而软磁失真会把理论上为圆形的地磁场拉伸为
椭圆。前期的标定过程中，只对硬磁失真进行了校正，通过分别绕每个轴旋转360°，求另
外两个轴的最大值和最小值的和的平均值作为零点偏移量，从而使圆心回到原点:
offset[n] = -(max[n]+min[n])/2; // calculate offsets
MagVec[n] = (Compass_Data[n]*calibration[n]+offset[n]);
其中，offset[n]为零点偏移量，MagVec[n]为最终用于计算的罗盘数据。
图2 电子罗盘三维数学模型
此外，由于罗盘不是一直处于水平位置，因此需要使用姿态角（横滚角和俯仰角）对罗
盘进行倾角补偿，根据矢量三角形，有:
Head_X = Head_X*cos(pitch)+Head_Y*sin(roll)*sin(pitch)-Head_Z*cos(roll)*sin(pitch);
Head_Y = Head_Y*cos(roll)+Head_Z*sin(roll);
4. 航向角计算：
可使用反三角函数atanf()进行航向角度的计算，需要注意的是，因为角度的4个象限
（atanf()返回值为），为了使航向角的范围为0~360°，需要进行不同象限下的相应
转换处理。
2/
由于地磁北和地理北存在大约11.5°的偏差角度，因此在解算出来的航向角上，还需要
进行该偏差角度的补偿作为最终的航向角。
if(Head_X>0 && Head_Y<0)
{
Heading = - atanf(Head_Y/Head_X) * 180/M_PI;
}
if(Head_X<0.05 && Head_X>-0.05 && Head_Y<0)
{
Heading=90;
}
if(Head_X<0)
{
Heading=180 - atanf(Head_Y/Head_X) * 180/M_PI;
}
if(Head_X<0.05 && Head_X>-0.05 && Head_Y>0)
{
Heading=270;
}
if(Head_X>0 && Head_Y>0)
{
Heading=360 - atanf(Head_Y/Head_X) * 180/M_PI;
}
Heading = Heading - 11.5; //地磁北和地理北的偏差角度:11.5
if(Heading < 0)
{
Heading = 360 + Heading;
}
参看：
1、Honeywell-《3-Axis Digital Compass IC HMC5883L》
2、范寒柏，陈邵权，王涛，王磊-《电子罗盘倾角补偿和干扰补偿的理论分析及实验验证》