电子罗盘是利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度的,是一种重要的导航器件。 一、电子罗盘的类型。 电子罗盘的原理是通过测量地球磁场确定方位,按其测量磁场的传感器种类不同,电子罗盘主要分为磁通门式电子罗盘、霍尔效应式电子罗盘和磁阻效应式电子罗盘。 (1)磁通门式电子罗盘：磁通门式电子罗盘根据磁饱和原理制成,输出的可以是电压,也可以是电流,还可以是时间差,主要用于测量稳定或低频磁场的大小或方向。从原理上讲,它通过测量线圈中磁通量的变化来感知外界的磁场大小,为了达到较高的灵敏度,必须要增加线圈横截面积,因而,磁通门式电子罗盘的体积和功耗较大,响应速度较慢,处理电路相对复杂,成本高。
(2)霍尔效应式电子罗盘：霍尔效应是指施加外磁场垂直于半导体中流过的电流,就会在半导体中垂直于磁场和电流的方向产生电动势。霍尔效应式电子罗盘是根据霍尔效应原理制成,适用于强磁场且精度要求不高的场合。
(3)磁阻效应式电子罗盘：磁阻效应是指某些金属或半导体在磁场中电阻值随着磁场大小的增加而升高的现象,这种现象在横向和纵向磁场中都能观察到,因此,可以通过测量电阻的变化来间接测量磁场的大小。磁阻效应式电子罗盘是利用具有磁阻效应的传感器感知周围磁场变化,这些传感器在线性范围内输出电压与被测磁场成正比,其灵敏度和线性度等方面优于霍尔器件,同时体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度特性好、易于与数字电路匹配;在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、磁航向系统研制、位置检测等方面显示出巨大的优势,在航天、航空、航海、无人驾驶汽车等诸多领域有着广泛的应用前景。
电子罗盘也可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。
(1)平面电子罗盘：平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平,否则当罗盘发生倾斜时,也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用水平要求很高,但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话,平面罗盘的性价比较好。
(2)三维电子罗盘：三维电子罗盘内部加人了测量倾斜角的传感器,如果罗盘发生倾斜,可对罗盘进行倾斜补偿,保证了航向数据的准确无误。
二、电子罗盘的测量参数。
电子罗盘测量参数主要有磁偏角、航向角和姿态角。
1.磁偏角。
磁偏角是指地球表面任一点的磁子午圈与地理子午圈的夹角。磁偏角的测量方法可以根据指北针的指向判断。通常情况下,偏东为正,偏西为负。磁针静止时,磁针所指的北方与真正北方之间的夹角称为磁偏角。磁偏角也认为是磁场强度矢量在水平方向上的投影与正北方向的夹角,即磁子午线与地理子午线的夹角。根据磁场强度矢量的指向的偏向来判断是东偏还是西偏,其指向正北方向以西称西偏,偏向正北方向以东称东偏。利用磁偏测量仪可以将各个地方的磁偏角测出来,它们的磁偏角是不同的,并且某一地点磁偏角也会随时间面改变。在地磁极处的磁偏角是90°。磁偏角的度数不是计算出来的,而是测量出来的。
地球本身是块大磁铁,地球内部的稳定磁场决定了地磁南北极;地理南北极(真北)则位于地球自转的轴线上,其两极是地球上经线的汇聚处,以子午线形式在地图上标出。实际上,地磁的南北极与地理南北极并不重合,它们之间存在个夹角,大约为115°,被称为磁偏角。随着用户罗盘的纬度和经度变化,磁偏角也产生变化,可根据以地理位置为基础的查找表确定。磁偏角如图2-28所示。
2.航向角。
磁阻式电子罗盘用在载体上时,将载体纵轴方向在水平面的投影与真北(地理北极)的夹角定义为地理航向角,用a表示。载体纵轴方向在水平面上的投影与磁北(地磁北极)的夹角被定义为地磁航向角,用B表示。r为磁偏角。如图2-29所示。
3.姿态角。
对载体倾斜姿态的描述称为姿态角,它包括横滚角和俯仰角。横滚角是指罗盘在水平面的投影与其前进方向垂直的方向之间的夹角,用θ表示,并指定右转为正,左转为负;以水平面为准，电子罗盘载体的前进方向同水平面之间的夹角称为俯仰角,用g表示,并指定上仰为正,下俯为负。如图2-30所示。
三、磁阻式电子罗盘。
三维磁阻式电子罗盘结构框图如图2-31所示,主要由磁阻传感器、加速度传感器、微处理器和显示模块组成。磁阻传感器用于测量罗盘所在区域的磁场情况;加速度传感器用于测量罗盘的姿态信息;微处理器将磁阻传感器及加速度传感器的数据融合,计算并输出方位结果;显示模块用于显示方位结果。
通过三轴重力加速度传感器测出载体在X、Y、Z三个轴的重力加速度分量为Ax、A3、A2,结合空间几何,计算出横滚角θ和俯仰角ψ分别为：
利用三轴磁阻传感器测出载体坐标系下的三个轴的磁场强度分量X、Y、Z,将其转化到地球坐标系下的水平磁场强度XH和YH为
航向角为：
四、电子罗盘的应用。
电子罗盘具有体积小、航向精度高、倾斜范围宽、频响高、功耗低等优点,很适合用于既对航向精度要求较高同时又对功耗、体积有限制的场合,广泛应用于航天、航空、航海、机器人、车辆自主导航等领域。
霍尼韦尔电子数字罗盘如图2-32所示,所有部件都被安装在密封盒中,而密封盒被紧紧地粘在车辆上。密封盒能够防水、防雨和防潮;尽量避免将磁性物体包括进去,例如汽车发动机、电动机、音频扬声器、钢铁螺母或螺栓。推荐使用铜、塑料或铝作为罗盘安装和封装的材料。
博世公司推出全新电子罗盘传感器—BMC156,如图2-33所示。它是一款整合三轴地磁传感器与三轴加速度传感器于一体的传感器,采用2mm×2mm紧凑型封装,能够确定使用设备的精准姿态,具备高精确度和低功耗的特性,能延长使用设备的电池寿命。
