基于磁阻传感器和加速度计的电子罗盘设计

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。
关键词： 电子罗盘；磁阻传感器；加速度传感器；倾角补偿
   　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Mbx、Mby、Mbz。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 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：


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。