一種三維磁感式磁羅經(jīng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁導(dǎo)航、定位等技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及磁羅經(jīng)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能磁羅經(jīng)傳感器是一種利用地球磁場測量方向的重要導(dǎo)航工具，能實時提供機 動目標的航向和姿態(tài)，廣泛地應(yīng)用在航空、航海、車載定位、深海探測等領(lǐng)域。通過現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展，人們把磁羅經(jīng)傳感器與電子線路、微控制器集成，以數(shù)字量精確的給出地理航 向角，由于這種磁羅經(jīng)沒有可動部件，具有良好的抗沖擊性，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、 成本低、智能自動校準等特點。
[0003] 地球磁場強度大約為0.5~0.6gauss，與地球表面平行的分量總是指向磁北極。 目前的電子磁羅經(jīng)按設(shè)計原理不同，分為三種原理：磁通門式、磁阻效應(yīng)式和磁感效應(yīng)式。 磁通門式磁羅經(jīng)傳感器為了達到較高的靈敏度，必須增加線圈橫截面積，所以一般體積大、 功耗大，處理電路相對復(fù)雜，成本高。磁阻效應(yīng)式磁羅經(jīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性度好 等特點，但是其靈敏度、線性度與量程相互制約，存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。磁 感效應(yīng)式傳感器是一門新興技術(shù)，采用磁感效應(yīng)原理。磁感效應(yīng)原理是運用納米珀莫合金 和漆包線制作特制電感，在外磁場和線圈電流的影響下，電感的磁性材料會有磁化效應(yīng)，當(dāng) 趨于磁飽和時，磁導(dǎo)率y和外界磁場強度H成反比。鐵芯被磁化時，會滿足趨于磁飽和條件 電感L和導(dǎo)磁率y成正比，所以通過測量因磁場變化而引起電感變化來衡量地磁場強度。
[0004] 目前美國PNI公司推出采用磁感效應(yīng)原理磁羅經(jīng)傳感器，其采用LR諧振施密特觸 發(fā)器作為傳感器激勵電路，實現(xiàn)了對地磁場的高精度測量。該系列傳感器被廣泛應(yīng)用在航 天、航空、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)在該項技術(shù)領(lǐng)域未見相關(guān)報道及產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中磁感效應(yīng)原理磁羅經(jīng)傳感器技術(shù)缺失的問題，現(xiàn)提 供一種三維磁感式磁羅經(jīng)。
[0006] -種三維磁感式磁羅經(jīng)，它包括：激勵電路、三維磁感傳感器、三維加速度傳感器、 三維陀螺儀傳感器、AD芯片、FPGA和DSP;
[0007] FPGA包括：頻率計模塊、AD控制模塊和SPI總線模塊；
[0008] DSP包括：圓形旋轉(zhuǎn)極值修正單元、卡爾曼濾波融合傾角單元和磁羅經(jīng)傾角補償 及485總線輸出單元；
[0009]激勵電路的脈沖信號輸出端連接三維磁感傳感器的脈沖信號輸入端，F(xiàn)PGA的激勵 方向控制信號輸出端連接激勵電路的激勵方向控制信號輸入端，三維磁感傳感器的時差信 號輸出端連接頻率計模塊的時差信號輸入端，三維加速度傳感器的加速度模擬信號輸出端 連接AD芯片的加速度模擬信號輸入端，AD芯片的加速度數(shù)字信號輸出端連接AD控制模塊 的加速度數(shù)字信號輸入端，三維陀螺儀傳感器的陀螺儀信號輸出端連接SPI總線模塊的陀 螺儀信號輸入端；
[0010] 頻率計模塊的磁場強度信號輸出端連接圓形旋轉(zhuǎn)極值修正單元的磁場強度信號 輸入端，AD控制模塊的信號輸出端連接卡爾曼濾波融合傾角單元的加速度數(shù)字信號輸入 端，SPI總線模塊的陀螺儀信號輸出端連接卡爾曼濾波融合傾角單元的陀螺儀信號輸入端， 圓形旋轉(zhuǎn)極值修正單元的磁干擾修正信號輸出端連接磁羅經(jīng)傾角補償及485總線輸出單 元的磁干擾修正信號輸入端，卡爾曼濾波融合傾角單元的姿態(tài)角輸出端連接磁羅經(jīng)傾角補 償及485總線輸出單元的姿態(tài)角輸入端，該姿態(tài)角包括：俯仰角0和橫滾角小；
[0011] 圓形旋轉(zhuǎn)極值修正單元：實時采集磁場強度信號，對磁場強度信號進行磁干擾修 正，獲得磁干擾修正信號；
[0012] 卡爾曼濾波融合傾角單元：實時采集加速度數(shù)字信號和陀螺儀信號，并利用卡爾 曼濾波融合傾角算法獲得磁羅經(jīng)傳感器的姿態(tài)角；
[0013] 磁羅經(jīng)傾角補償及485總線輸出單元：實時采集磁干擾修正信號和姿態(tài)角，并利 用傾角補償算法獲得傾角補償修正信號，利用該傾角補償修正信號、俯仰角e和橫滾角小 獲得航向角也。
[0014] 上述三維磁感傳感器包括：Z向磁芯1、Z向線圈2、X向線圈3、X向磁芯4、Y向磁 芯5、Y向線圈6和塑料基座7 ;
[0015] 塑料基座7為正方體，Z向磁芯1的一端、X向磁芯4的一端和Y向磁芯5的一端 分別固定在塑料基座7的三個面上，該塑料基座7的三個面分別兩兩相互垂直且相鄰，Z向 線圈2、X向線圈3和Y向線圈6分別纏繞在Z向磁芯1、X向磁芯4和Y向磁芯5上。
[0016] 上述FPGA的頻率計模塊包括：時差信號采集單元和磁場強度信號獲得單元；
[0017] 時差信號采集單元：實時采集三維磁感傳感器輸出的時差信號，該時差信號包括 X軸正向時差信號TPx、X軸反向時差信號TNX、Y軸正向時差信號tPy、Y軸反向時差信號 丁隊"軸正向時差信號^巧和冗軸反向時差信號^?^;
[0018] 磁場強度信號獲得單元：所述磁場強度信號包括X軸磁場強度HX、Y軸磁場強度Hy 和Z軸磁場強度Hz;
[0019] 利用下式獲得X軸磁場強度Hx:
[0020] Hx=k(Tpx-TNx),
[0021] 利用下式獲得Y軸磁場強度Hy:
[0022] Hy=k(tpY-tNy),
[0023] 利用下式獲得Z軸磁場強度Hz:
[0024] Hz=k(Tpz-TNz),
[0025] 上式中k均為修正系數(shù)。
[0026] 上述圓形旋轉(zhuǎn)極值修正單元中，所述磁干擾修正信號包括X軸磁干擾修正信號 H' 磁干擾修正信號H'Y，所述對磁場強度信號進行磁干擾修正包括一次修正單元、 判斷單元和二次修正單元，
[0027] -次修正單元：采用冒泡排序法獲得X軸磁場強度極大值Hx_、X軸磁場強度極小 值Hx_、Y軸磁場強度極大值HY_和Y軸磁場強度極小值HY_，
[0028] 利用下式獲得X軸測量范圍HXran、Y軸測量范圍HYran、X軸偏移HxjPY軸偏移HYrf:
[0029]
[0030] 根據(jù)偏移的圓心移動算法獲得一次修正后的磁干擾修正信號，該一次修正后的磁 干擾修正信號包括X軸一次修正信號H'XJPY軸一次修正信號H' ￥1：
[0031]
[0032] 判斷單元：判斷X軸測量范圍H&an和Y軸測量范圍HYran的大小關(guān)系，
[0033] 若HXran>Hftan，則對Y軸一次修正信號H'Y1進行二次修正，并將X軸一次修正信號 H'X1作為X軸磁干擾修正信號H'x，將Y軸二次修正信號H'Y2作為Y軸磁干擾修正信號 H，Y，
[0034] 若HXran〈Hftan，則對X軸一次修正信號H'X1進行二次修正，并將X軸二次修正信號 屮X2作為X軸磁干擾修正信號H'x，將Y軸一次修正信號H'Y1作為Y軸磁干擾修正信號 Y;
[0035] 二次修正單元：利用下式獲得X軸二次修正信號H'xjPY軸二次修正信號H' Y2:
[0036]
[0037] 發(fā)明所述的一種三維磁感式磁羅經(jīng)以磁感效應(yīng)為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬信號處理技術(shù)， 并運用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，采用FPGA和DSP模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)對傳感器的信號提 取工作。使本發(fā)明所述的一種三維磁感式磁羅經(jīng)具有精度高、高穩(wěn)定性、功耗低、體積小且 具備智能自補償功能等特點。采用脈沖信號激勵替代傳統(tǒng)的方波激勵方式，可有效降低了 磁傳感器檢測電路的功耗。三維磁感應(yīng)傳感器采用集成三維磁芯結(jié)構(gòu)，有效降低傳感器的 正交偏差，并利用FPGA實現(xiàn)三維磁信號高速同步采集處理，提高了磁羅經(jīng)的航向角檢測精 度。磁感應(yīng)傳感器激勵采用脈沖激勵方法降低器件功耗，同時磁羅經(jīng)采用DSP處理器進行 智能磁補償和姿態(tài)自補償技術(shù)，使磁羅經(jīng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。