电子罗盘

特点

　　典型的数字罗盘具有以下特点：

　　1．三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

　　2．高速高精度A/D转换。

　　3．内置温度补偿，限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

　　4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

　　5．具有简单有效的用户标校指令。

　　6．具有指向零点修正功能。

　　7．外壳结构防水，无磁。电子罗盘的原理是测量地球磁场，如果在使用的环境中还有除了地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀螺来测定航向了。

分辨率

　　电子罗盘分辨率的大小是指电子罗盘最小能分辨出多少度的角的误差。现在的电子罗盘一般是±0.1°当每秒响应速度为4次时，每秒响应速度为20次时则大致为±0.2°。

原理

　　电子罗盘由三维磁阻传感器、两个倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到点,并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。

　　仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值:

　　Azimuth=arcTan(Y/X)

　　该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立。当仪器发生倾斜时,方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，AOSI采用两个线性倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。EZ-compass-3电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置 “拉” 回到水平的位置。

　　标准的转换计算式如下:

　　Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

　　Yr=Xcosβ+Zsinβ

　　这里 Xr和Yr为要转换到水平位置的值

　　α为俯仰角

　　β为侧倾角

　　从以上这三个计算公式可以看出,在整个补偿技术中Z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色.要正确

　　运用这些值，俯仰和侧倾角的数字必须时刻更新.AOSI采用两个量程范围达±80°、分辨率优于

　　0.005°的陶瓷基体电解质传感器SX-070D-LIN来测量俯仰角和侧倾角，SX-070D-LIN的线性是量

　　程为±70°，温漂系数为-0.08[%]/℃。每个倾角数值都是经过电路板上的温度传感器补偿后得出的。补偿的温度基准为室温25℃.

　　手机和车用电子罗盘因未内置倾角补偿功能，所以，起测量精度相对较低。

　　多年以来，研究人员花费极大的代价，使GPS在航空与航海的应用中成功地实现了惯性导航与GPS一体化的解决方案。面对发展前景广阔的车辆定位（AVL）市场，生产可靠的低成本的陀螺仪和GPS接收机在目前仍然是个挑战。

　　在某些特定的城市环境下，GPS接收机的定位不精确限制了它的广泛使用，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。以上原因都会产生两种可能的结果，即GPS接收机无法提供任何位置或者定位精度陡然下降，误差甚至大于500米。于是，人们开发了一种用罗盘定位的位置增强系统来纠正和补偿以上原因造成的不良影响。

　　现在让我们进行一个试验：装备GPS接收机的汽车在中心商业区行驶，产生了如图1所示不可靠和不精确的位置，12信道的GPS接收机显示了几百米的误差，当汽车使入两个多层建筑物之间的小巷内，显示的位置任意跳动，由此可见，多路径效应引起了500 多米的误差。可以想象，在香港、纽约和东京这些具有城市“峡谷”，且多数时间卫星处在被遮挡的情况下，GPS接收机的显示将是怎样的结果？

　　GPS接收机制造厂商考虑到城市中信号的不稳定性，采用了许多几何算法企图在接收卫星数目刚好满足精确定位所需的数量下继续定位。如，假设纬度保持常数或者车辆始终保持在同一方向行驶。有时这种假设是合理的，但经常是不合理的。

　　2． GPS增强系统

　　当GPS精度不能满足应用要求时，必须采用GPS接收机增强系统。如车辆导航系统的电子地图储存在车辆传感器的CD-ROM中，进行粗略定位、导行、转弯等，系统必须与储存的地理信息数据匹配，从而确定车辆的位置。这种通过系统屏幕显示和语音引导为驾驶员指明方向的自主导航系统运行比较稳定，并且在日本、欧洲、美国得到了广泛应用，但成本较高。

　　2．1 罗盘定位

　　船员使用的罗盘定位仪是由指南针和测速仪组成，从起始点起确定船体的行踪。同样，汽车也可使用这套系统，只要能确定方向和速度。解决速度测量比较容易实现，因为现在的汽车都有一个电子速度传感器，经处理的输出信号给出行驶速度和距离值。但是解决精确的、低成本的方向测量更困难，电磁指南针在地球磁场中能测量车辆的方向，而磁场从一地到另一地随时变化，需要随时进行指南针校正。而且象汽车空调和音响系统的电流在经过桥梁、隧道、建筑物时受到外部影响，也改变磁场。坡度的变化也影响方向的测量。航空飞行用陀螺仪解决了方向测量问题，但是高质量的陀螺仪价格昂贵。

　　2．2 车辆定位中的应用固态陀螺仪的成本较适合于汽车导航系统，由于它的条件限制，必须额外小心使用。于是，人们专门开发了一种汽车用罗盘定位系统，用速度传感器测量速度，当后退时用转弯灯指示。小型的摆动光柱或陀螺仪测量转弯率，这种陀螺仪只需5V的直流电便可运行，有大约22mV/度/秒的敏感性。0度/秒（陀螺仪偏差电压）相当于约2.5V ，为了确定行车的前进方向，从陀螺仪的输出结果减去陀螺仪偏差电压，将结果代入，相对于初始行驶方向产生一个方向变化。由于现代微处理器技术的发展，以上计算很容易，但是必须克服几个问题：系统必须精确测量陀螺仪偏差电压以确保通过算法处理没有转译成大的导航误差。陀螺仪偏差随着周围的温度而变化，同时电子和机械产生的噪音也影响输出信号。另外，车辆速度传感器本身也有误差源。罗盘定位系统就是要在关键时刻发挥作用，即当GPS不能提供正确服务时，它必须能处理传感器误差。

　　2. 3. 误差来源事实上，我们需要首先解释影响定位的所有误差，用于车辆定位的低成本的GPS接收机任意误差为15-25米（2-D根方差），上面提到过，在某些情况下误差达到几百米。DOP能解释由卫星几何位置不好和阴影造成的误差，而无法解释多路径效应造成的误差。有些接收机考虑了多种误差源就可获得所需的测量值，而普通接收机无法获取高质量的测量值。罗盘定位系统则通过适当的算法在有许多误差存在的情况下能提供很好的测量结果，不管怎样，罗盘定位系统也有局限性，因为车辆速度传感器对速度和方向也会带来误差源。在轴、驱动轮和地面距离的关系上，随轮胎磨损、轮胎温度及轮胎打滑的变化而变化，它导致每轮旋转10[%]的距离变化。

　　3．1 陀螺仪偏差陀螺仪最重要的误差就是陀螺仪偏差的不确定性。通常陀螺仪输出的测量值包括角度误差，这个误差与真实信号混合在一起。为便于理解对方向计算产生的影响，考虑到系统用10bit模拟/数字转换器测量陀螺仪的输出结果。假设一个无噪声陀螺仪偏差电压，其误差值等于定量误差且大于0.5bit，约2.5mv ，相当于陀螺仪的0.1度/秒。 陀螺仪输出的偏差在方向上产生一个误差0.1度/秒×300秒 = 30度，这是一个让人无法接受的累积误差。    3．2 陀螺仪的另外一种误差陀螺仪的另外一种误差呈非线性和其它不定性，与陀螺仪偏差误差相比，这种误差很小且对大多数车辆定位应用并不重要。地形的复杂性给陀螺仪系统带来另一种误差。陀螺仪有一个垂直于参考坐标平面的灵敏性高的转动轴，如果轴不垂直，刻度因素的敏感性被倾斜角的余旋减少，10度的倾角（对于汽车是个很陡的坡），结果将增加1.5[%]的误差。精确地测量地面距离很重要，由于直接从GPS计算出的距离并不可靠，如果GPS以10秒间隔采样，当汽车在间隔时间沿360度环岛行驶，计算结果将为0。在GPS信号弱的地区或信号失锁地区，GPS测量误差达几百米。

　　4. GPS惯性罗盘定位系统通过仔细的信号处理和传感器管理，我们可以获得车辆行驶的地面距离，利用这些测量值和标准导航等式，罗盘定位系统可计算出一个惯性位置。不管传感器多贵，信号处理算法多好，无法解释的残余误差将累积，导致惯性导航不起作用。图2提出了了两种解决方案混合的策略，使惯性位置、行驶方向、陀螺仪偏差和速度传感器刻度估值等得到正确的处理结果。

　　下面几个原因会造成精度不准或失效：

　　新更换电池。

　　电池电量低。

　　电子罗盘附近有电力线，金属结构建筑或其它对磁场有影响的干扰源。

　　罗盘校正步骤没有正确完成。

　　重新标定罗盘，如果仍然得不到准确读数，更换电池重新标定。

应用场合

　　水平孔和垂直孔测量

　　水下勘探

　　飞行器导航

　　科学研究

　　教育培训

　　建筑物定位

　　设备维护

　　导航系统

　　仿真系统

　　GPS备份

　　汽车指南针

　　虚拟现实