電子羅盤原理、特點(diǎn)、用途、分類、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用

原文標(biāo)題：電子羅盤全詳解

目前, 導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車、航海、航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。電子羅盤是導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。

GPS導(dǎo)航定位的缺陷

1、雖然GPS在導(dǎo)航、定位、測(cè)速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號(hào)常被地形、地物遮擋，導(dǎo)致精度大大降低,其信號(hào)可用性僅為60% ，甚至不能使用。

產(chǎn)生不精確定位的原因包括：

①多路徑效應(yīng)：建筑物對(duì)GPS信號(hào)的反射;

②陰影：城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被下，信號(hào)接收效果較差;

③在隧道、地下停車廠造成的信號(hào)失鎖;

④在接收信號(hào)差的地區(qū)延長(zhǎng)了初始化時(shí)間;

⑤一些動(dòng)態(tài)影響，如汽車大幅度增速與減速等。

以上原因都會(huì)導(dǎo)致GPS無(wú)法提供任何位置或者定位精度陡然下降。

2、在靜止的情況下，GPS也無(wú)法給出航向信息。

高精度電子羅盤可以對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償，保證導(dǎo)航定向信息100%有效，即使是在GPS信號(hào)失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。

3、安全及可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

美國(guó)出于自身利益上的考慮，從不承諾不實(shí)施SA干擾和區(qū)域關(guān)閉，這更給GPS用戶帶來(lái)很大疑惑和擔(dān)心。因此，將GPS與電子羅盤相結(jié)合，二者相互補(bǔ)充，組合使用是導(dǎo)航領(lǐng)域的理想選擇。例如：美國(guó)雖然其完全獨(dú)立掌握GPS 的衛(wèi)星資源，但為了使系統(tǒng)更加可靠，使導(dǎo)航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要裝備上仍加裝了C100電子羅盤。

相對(duì)于其他導(dǎo)航手段而言,地磁導(dǎo)航起步得比較晚。在20世紀(jì)60年代中期,美國(guó)的E2systems公司提出了基于地磁異常場(chǎng)等值線匹配的MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系統(tǒng), 70年代獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)進(jìn)行了離線實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代初,瑞典的Lund學(xué)院對(duì)船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)中將地磁強(qiáng)度的測(cè)量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對(duì),確定船只的位置,同時(shí)根據(jù)距離已知的兩個(gè)磁傳感器的輸出時(shí)差,確定船只的速度。

地磁場(chǎng)模型與地磁圖是研究地磁導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ),地磁場(chǎng)建模和地磁圖的精確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。

地磁場(chǎng)和航向角

地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場(chǎng),叫做地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間) 而異。

地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場(chǎng),叫做地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間) 而異。

?如圖所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁?chǎng)方向傾斜指向地面。用來(lái)衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來(lái)。

實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)分量來(lái)說(shuō)，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角(Azimuth)就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0—360度之間變化。

早期,采用機(jī)械式磁羅盤。機(jī)械式磁羅盤主要由若干平行排列的磁針、刻度盤和磁誤差校正裝置組成,磁針固裝在刻度盤背面,在地磁影響下,磁針帶刻度盤轉(zhuǎn)動(dòng),用以指出方向。隨著適宜于地磁場(chǎng)測(cè)量的磁通門傳感器及AMR傳感器的出現(xiàn),磁電子羅盤逐漸問(wèn)世。這種電子式的磁羅盤相對(duì)于機(jī)械式磁羅盤具有一些突出的優(yōu)點(diǎn),如抗沖擊性、抗震性,能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,輸出電信號(hào),可方便地與其它電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。

電子羅盤原理

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。

三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。

三維磁阻傳感器采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在x方向的矢量值;向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。

1、當(dāng)儀器與地表面平行時(shí)，僅用地磁場(chǎng)在X和Y的兩個(gè)分矢量值便可確定方位值。

2、當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時(shí)，方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來(lái)測(cè)量俯仰和側(cè)傾角，這個(gè)俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，將磁力儀在三個(gè)軸向上的矢量在原來(lái)的位置“拉”回到水平的位置。

標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

其中，Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值，X、Y、Z為三個(gè)方向的矢量值，α為俯仰角，β為側(cè)傾角。

電子羅盤的主要特點(diǎn)

1、三軸磁阻效應(yīng)傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償。

2、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。

3、內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4、內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。

5、具有簡(jiǎn)單有效的用戶標(biāo)校指令。

6、具有指向零點(diǎn)修正功能。

電子羅盤主要用途

1、電子羅盤主要用于輔助GPS導(dǎo)航及在靜止?fàn)顟B(tài)獲取航向，具體包括加速度和方向的定位、傾角測(cè)量等功能。

2、加速度和方向的定位。電子羅盤應(yīng)用三軸磁阻傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償，可以和GPS配合可以做盲區(qū)導(dǎo)航，和GOOGLE地圖配合可以做導(dǎo)航，還可以和加速度配合做三維定位，還可以根據(jù)電子羅盤的讀數(shù)，地圖自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到用戶方便讀取的方向，讓顯示的地圖方向始終按照你的行進(jìn)方向自動(dòng)變換，也就是可以把它當(dāng)做專業(yè)的指南針使用，說(shuō)的簡(jiǎn)單點(diǎn)也就是加速度和方向的定位。

3、傾角測(cè)量。三維的電子羅盤，不僅具有指南針功能，還可以實(shí)現(xiàn)傾角的測(cè)量，和陀螺儀類似，站在一個(gè)斜坡上，可以計(jì)算出這個(gè)斜坡的角度，不過(guò)最重要的就是都可以在開飛機(jī)的時(shí)候使用，不干擾飛機(jī)飛行。

電子羅盤的缺陷

電子羅盤的原理是測(cè)量地球磁場(chǎng)，但若使用的環(huán)境中有除了地球以外的磁場(chǎng)且這些磁場(chǎng)無(wú)法有效屏蔽時(shí)，那么電子羅盤的使用就有很大的問(wèn)題，這時(shí)只能考慮使用陀螺來(lái)測(cè)定航向了。

電子羅盤分類

電子羅盤按照有無(wú)傾角補(bǔ)償可以分為：

平面電子羅盤

平面電子羅盤要求用戶在使用時(shí)必須保持羅盤的水平，否則當(dāng)羅盤發(fā)生傾斜時(shí)，也會(huì)給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒(méi)有變化。

雖然平面電子羅盤對(duì)使用時(shí)要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價(jià)比很好的選擇。

三維電子羅盤

三維電子羅盤集成三軸磁通門傳感器，在平面電子羅盤基礎(chǔ)上加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時(shí)可以對(duì)羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)中央處理器實(shí)時(shí)解算航向，以及使用三軸加速度計(jì)對(duì)大范圍內(nèi)的傾斜角進(jìn)行航向補(bǔ)償，保證羅盤在傾斜角度高達(dá)±90°也能提供高精度的航向數(shù)據(jù)。

電子羅盤按照傳感器的不同分為：

磁阻效應(yīng)傳感器

根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器的靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯由于霍爾器件，使它在某些應(yīng)用場(chǎng)合能夠與磁通門競(jìng)爭(zhēng)。但是其固有的缺點(diǎn)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)缺點(diǎn)使得磁阻效應(yīng)傳感器在集成入微系統(tǒng)時(shí)的強(qiáng)的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

霍爾效應(yīng)傳感器

根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成。優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，功耗小，價(jià)格便宜，接口電路簡(jiǎn)單，特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量。缺點(diǎn)是有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等，一般都是用于要求不高的場(chǎng)合。

磁通門傳感器

根據(jù)磁飽和法原理制成，利用被測(cè)磁場(chǎng)中鐵磁材料磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和勵(lì)磁下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。從三者的比較來(lái)看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯，是電子羅盤的發(fā)展方向。

電子羅盤的結(jié)構(gòu)組成

一個(gè)傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個(gè)三軸的磁力計(jì)以測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，一個(gè)三軸加速計(jì)以測(cè)量羅盤傾角，通過(guò)信號(hào)條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過(guò)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過(guò)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響。

?以意法半導(dǎo)體LSM303DLH實(shí)現(xiàn)成本低、性能高的電子羅盤為例。將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號(hào)條理電路集成在一起，仍然通過(guò)I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測(cè)和輸出。

軟件方面同樣以意法半導(dǎo)體LSM303DLH電子羅盤為例，基于Android的電子羅盤功能軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

?核心驅(qū)動(dòng)層：Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)，實(shí)現(xiàn)了從IIC或串口讀取經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和精度補(bǔ)償計(jì)算的航向角，完成電子羅盤硬件設(shè)備訪問(wèn)。

硬件無(wú)關(guān)層：HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子羅盤設(shè)備的驅(qū)動(dòng)封裝訪問(wèn)。

Framework層：實(shí)現(xiàn)Android系統(tǒng)中框架層的傳感器管理模塊對(duì)電子羅盤設(shè)備的管理。

應(yīng)用層：經(jīng)過(guò)library 的計(jì)算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運(yùn)用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。基于電子羅盤的應(yīng)用有Android的Skymap、IBMeye等。

電子羅盤的應(yīng)用

電子羅盤應(yīng)用廣泛，高精尖的航天、航空、航海都離不了它。

羅外電子羅盤(Compass)，看似遙遠(yuǎn)，但其實(shí)就在我們身邊，您手上的智能手機(jī)有指南針功能吧，對(duì)，它就是采用了電子羅盤傳感器。其實(shí)，不單單如此，它可以說(shuō)已經(jīng)滲透到了我們生活的方方面面。

那么在我們的生活中，它有哪些和我們密切相關(guān)的用處呢?

手機(jī)導(dǎo)航

我們最熟悉的就是手機(jī)導(dǎo)航，拿著手機(jī)，地圖跟著你的方向轉(zhuǎn)，這就是電子羅盤的功勞。

車載導(dǎo)航

目前的車載導(dǎo)航儀許多都整合了GPS和電子羅盤。特別是經(jīng)常進(jìn)行越野活動(dòng)的車主更是需要選擇帶電子羅盤的導(dǎo)航儀或多功能電子羅盤。由于GPS導(dǎo)航在一些地形復(fù)雜地區(qū)信號(hào)受到遮蔽，無(wú)法滿足正常的導(dǎo)航功能，而電子羅盤具有不需要接收信號(hào)的特點(diǎn)，可輔助導(dǎo)航。

此外還有多功能電子羅盤，這種羅盤一般集GPS氣壓測(cè)高儀和磁力線羅盤為一體，可以在高山等特殊環(huán)境下及時(shí)反映氣壓和高度的細(xì)微變化，而且在屏蔽狀態(tài)下也能顯示運(yùn)動(dòng)方向。無(wú)需配帶羅盤、角規(guī)、測(cè)高儀等繁瑣物件，方便用戶在戶外的工作旅行。

停車位檢測(cè)

現(xiàn)在很多的路邊停車和智能停車場(chǎng)，采用地磁方式檢測(cè)停車位是否有車。在沒(méi)有車或者車輛靜止后停車位的磁場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定;而當(dāng)有車開到停車位以及離開時(shí)，會(huì)造成磁場(chǎng)的變化。

地磁檢測(cè)器埋于停車位位置，通過(guò)RF將檢測(cè)結(jié)果報(bào)告給附近的中繼器，最終信息匯總到停車位管理系統(tǒng)。整套系統(tǒng)最核心的，當(dāng)然是地磁檢測(cè)部分。compass傳感器基本決定了檢測(cè)的可靠程度。路邊的自動(dòng)收費(fèi)停車位就是靠它!

無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位

電子羅盤作為無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的重要組件，承載著為無(wú)人機(jī)引導(dǎo)絕對(duì)方位的功能。在無(wú)人機(jī)中，電子羅盤提供關(guān)鍵性的慣性導(dǎo)航和方向定位系統(tǒng)的信息。

機(jī)器人導(dǎo)航定位

如今機(jī)器人大家已經(jīng)不陌生了，各種玩具機(jī)器人，家庭服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、點(diǎn)餐機(jī)器人等等都已出現(xiàn)在大家的生活當(dāng)中。

一般機(jī)器人利用加速傳感器和陀螺儀，基本可以描述設(shè)備的完整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是隨著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生累計(jì)偏差，不能準(zhǔn)確描述運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，比如操控畫面發(fā)生傾斜。電子羅盤利用測(cè)量地球磁場(chǎng)，通過(guò)絕對(duì)指向功能進(jìn)行修正補(bǔ)償，可以有效解決累計(jì)偏差，從而修正設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方向、姿態(tài)角度、運(yùn)動(dòng)力度和速度等。