磁传感器在导航系统中的应用
臧爱云等:磁传感器在导航系统中的应用
磁传感器在导航系统中的应用
臧爱云② 原 魁 严志刚 杜清秀
①
(中国科学院自动化研究所高技术创新中心 北京100080)
摘 要 介绍了一种基于磁传感器和加速度计, 结构简单、低成本、高精度的方位传感器。该传感器利用当地的地磁场矢量和重力加速度矢量确定传感器在空间的姿态信息。分析
了使传感器产生误差的各种因素, 如温度影响、附近铁磁物体和噪声影响等, 并给出了消除这些干扰因素影响的技术。实验研究表明, 此传感器能够为移动机器人导航提供可靠的高精度姿态信息。关键词 方位传感器, 磁传感器, 加速度计, 温度补偿
线平行指向东, Z R 传感器坐标
机器人在空间的姿3个角度确俯仰角和翻滚角。其中, 方位角为Z 轴从+X 到+Y 旋转的角度, 俯仰角为坐标系绕Y 轴从+X 到-Z 旋转的角度, 翻滚角为坐标系绕X 轴从+Y 到+Z 旋转的角度。当传感器坐标系O 2XYZ 各轴分别与参考坐标系O 2X R Y R Z R 相应轴平行时, 方位角、俯仰角和翻滚角均为零。方位传感器是通过感测地球地磁场和重力场所获得的信息来确定方位的。其测量过程分为两步, 首先由测得的重力加速度在传感器坐标系X
和Y 轴上的分量确定俯仰角和翻滚角, 然后结合测得的地磁场在传感器坐标系三个轴上的分量确定方位角。
0 引言
要。
系统。统不能很好地工作楼道里移动时, , 因为建筑物里很多房间和拐角非常类似, 没有太多的特征值可以用来自定位。在室外也会遇到类似的问题, 使得机器人很难导航和定位。在这些情况下, 方位传感器能够为机器人提供准确的方位信息, 帮助机器人快捷而准确地找到目标房间。
本文介绍新开发出的一种基于磁传感器和加速度计, 结构简单、低成本、高精度的方位传感器。该传感器可以很方便地安装在机器人上, 为移动机器人导航提供可靠的高精度方向信息。根据机器人运动的距离和各个时刻的方向信息即可确定机器人的位置。通常情况下, 移动机器人不论在水平地面, 还是在倾斜地面运行, 传感器都能够给出高可靠和高精度的方向信息。
图1 方位传感器坐标系
1 方位传感器工作原理
本文中定义的参考坐标系O 2
X R Y R Z R 和传感器坐标系O 2XYZ 均是笛卡儿坐标系。默认参考坐标系为
X R 轴指向地球北极, Y R 轴与纬
①863计划(2001AA422200) 资助项目。
②女,1976年生, 博士生; 研究方向:虚拟现实技术; 联系人。
(收稿日期:2003208225)
设某时刻传感器的空间姿态如图1所示。此时, 在传感器坐标系X , Y 轴上可分别测得重力加速度g 在其上的分量A x , A y 。俯仰角和翻滚角由各参量之间的关系可得:
俯仰角: =arcsin (A x /1g )
(1)
翻滚角:θ=arcsin (A y /1g )
—53—
高技术通讯 2004110
当传感器处在水平面上时, 俯仰角 和翻滚角θ均为零, 如图2所示。方位传感器方位角数学模型为:
3α =arctg (
2 基本结构及实现
2. 1 结构框架设计
) =arctg () X H X
(2
)
目前探测磁场信号的方式通常是利用各类磁敏传感器, 将磁场或者磁感应强度等物理量转换成电
信号以最终获得磁场强度等信息。最常用来探测地磁信号的磁传感器有:
磁通门, 磁阻传感器和磁感应传感器等。
在本系统中选用的是磁阻传感器, 它的
μ特点是体积小, 灵敏度高(能够探测到30gauss 的磁
场) 、抗电磁噪声、干扰的能力强、可靠性高、成本低和易于线路板安装等。这种磁阻元件设计封装成一维和二维磁敏感方式, 其中二维是封装在一起且相互垂直的双轴磁传感器, 其输出信号,
。
。在微处理器控, 以消除不需要的外界磁场, 同时提供反馈信号电流, 在电流带上形成闭环零磁场测量电路。微处理器还可对磁场信号进行数字低通滤波, 以减少干扰产生的噪声。另外利用A/D 转换通道进行模数转换, 可通过过采样提高转换精度。
图2 X -Y 坐标系内方位角定义
式中, X 、Y 是磁传感器探测到地磁场H 在两个互相
3α垂直方向的分量。角为传感器坐标系X 轴正向与磁场水平分量之间的夹角, 即X 3α间的夹角。ε轴正向与正北之间的夹角O 2
XYZ 与坐标系O 2X H H 1所示。
它们之间的关系用俯仰角 和翻滚角θ表示, 其数学模型为:
X
H Y H Z =
cos 00
1sin
-sin 100sin X Y (3)
0cos 00
θcos
-sin θcos
则:X H =X cos +Y sin θsin -Z cos θsin
θ+Z sin θY H =Y cos
得:
3α=arctg (
(4)
图3 方位传感器结构框图
) X H
) (5) θX cos +Y sin θsin -Z cos sin
式中, X 、Y 和Z 是三维磁传感器探测得到地磁场H
=arctg (
在传感器三个互相垂直方向上的分量。
可通过以下方法对方位角进行校正。若当地地磁偏角为ε, 方位角为α:
3
180-α+ε(X H
图4 姿态传感器结构框图
90+ε(X H =0, Y H 0) (X H >0, Y H
(6)
α=270+ε
3
-α+ε
3
360-α+ε(X H >0, Y H >0)
当方位传感器只工作在水平面上时, 其基本结
构框架可比较简单, 如图3所示。这种方位传感器虽然设计简单, 精度高。但只能在水平面上工作, 不能提供除方位角以外的姿态信息, 而且当方位传感器不平行于水平面时, 随着倾斜角增加得出的方位
—54—
臧爱云等:
磁传感器在导航系统中的应用
角误差显著增加。为了弥补这种缺陷, 使方位传感器能够反映出在空间的任何姿态, 对此方位传感器进行改进, 结构如图4所示。利用体积小、精度高、价格低的双轴加速度计作为倾角传感器, 通过重力加速度在X 、Y 轴不同的分量来确定倾斜角度。用一个一维和一个两维磁传感器组成三维磁传感器, 把探测到的三维互相垂直的磁场信号经过模拟电路放大、滤波, 送到A/D 转换。2. 2 算法实现
理想情况下, 方位传感器工作在水平位置或非水平位置确定方位角都能达到很高的精度。由于空间充满了电磁信号, 如计算机运行产生的电磁信号, 手机信号等, 这些信号多是交流的电磁信号, 为了降低这些噪声信号的影响, 要对采样信号进行低通滤波, 过滤掉交流的电磁信号得到直流的磁信号。除了高频的电磁信号的干扰之外, 在实际应用中磁阻传感器还受温度、附近铁磁材料对地磁场的干扰传感器误差、影响, 。2. 2. 1 温度补偿
测得磁场信号V set ; 然后复位, 再次测出磁场信号
V reset , 磁传感器置位和复位输出转换曲线如图5所示。从图5中可以看出, 传感器偏移约-3mV 。这种偏移可通过如下简单的减法消除
。
5 set =S 3H applied +V offset V reset =-S 3H applied +V offset V =
(7)
2
=S 3H applied
采样信号滤波后因磁阻传感器受温度影响大,
其温度系数影响方位传感器的准确性, 所以还要考虑补偿温度影响。补偿温度影响需要考虑两个方面:温度漂移和温度敏感系数。温度敏感系数表现为传感器输出增益随温度的变化。磁阻传感器通常有相关的温度敏感系数, 特别是两轴传感器封装在一起时。这种相关性意味着X 、Y 两轴输出随温度的变化是相对应的, 例如当X 轴读数因温度改变10%, Y 轴也会相应改变10%。用(2) 式计算方位角时, 因为两轴相除而抵消了温度敏感系数的影响, 所以只考虑因温度变化导致的A/D 转换器的动态输入量程变化就可以了, 而不用考虑温度敏感系数的其他影响。
磁传感器的温度漂移不是相关的, 而且在实际中经常向相反的方向漂移。磁传感器的温度漂移使方位角产生不可忽视的误差。用数字或者模拟电路技术都可以补偿温度漂移的影响, 一种简单的方法是使用磁传感器上一个用来置位或复位输出的极性的S/R 管脚。这种技术不但能够消除温度漂移、直流偏移电压, 而且能够消除放大器的偏移电压和温度漂移。
置位和复位技术是用两个方向相反的窄脉冲电流, 电流的大小为3～4A , 通过磁传感器控制输出极性的电流带, 使输出极性改变。磁传感器被置位后,
式中S 为磁传感器灵敏度, 单位为mV/gauss 。用这种技术可以把温度影响减小到整个磁场读数变化范围的0101%/℃。当温度变化范围为50℃时, 对方位角的影响低于0. 3°。2. 2. 2 附近铁磁材料影响补偿
要得到准确的方位角, 传感器探测到的磁信号应是纯地磁信号, 如果包含其他磁场信号, 就会导致方位角产生误差。实际应用中, 方位传感器附近的铁磁材料, 如机器人本身使用了某些铁磁材料, 使方位传感器探测到的磁场信号并不仅仅是地磁信号, 而是畸变的磁场信号, 如图6所示。铁磁材料分为硬磁材料和软磁材料两种, 它们对地磁场H
影响的
图6 铁磁物体对均匀磁场的影响
方式不同。硬磁材料产生的永久磁场随着机器人转
动而转动, 相对于安装好的方位传感器的三个轴是
—55
—
高技术通讯 2004110
不变的, 相当于X H , Y H 和Z H 分别加上了常值a 、b 和c 。软磁材料在受到X H 、Y H 和Z H 磁化后才产生干扰磁场, 干扰磁场的大小与X H , 、Y H 和Z H 大小以及软磁材料本身有关。
在应用中使用一个简单的补偿方法补偿附近铁磁材料的影响。使安装了方位传感器的机器人在水平地面上缓慢匀速旋转360°, 分别对X 、Y 两轴进行采样, 采样点数足够多。这些采样值分布在一个圆心不为(0,0) 的椭圆上。找到X 、Y 的最大值和最小值, 补偿因两轴磁敏感系数不同或放大器放大增益不同而造成的椭圆效应, 找到圆心所在的位置
(X offset , Y offset ) 。补偿方法是采用对短轴进行比例放
示, 所以磁传感器误差约为0. 24°。因为地球上每个
地方的地磁场并不相同, 所以要从地磁图查出当地的磁偏角。
3 实验研究
此方位传感器是在中科院自动化所自行研制开发的智能机器人AI MS 上进行实验研究的。智能机器人底盘驱动处理器选用的是TI 公司的产品T MS320C2407A 数字信号处理器(DSP ) , 此处理器有16通道的10bitA/D 转换。方位传感器结构如图3所示, 将采集到的磁场信号经过精密放大器放大后直接输入到C2407的A/D 转换通道, 过采样以提高分辨率。还可对磁场信号进行数字低通滤波, 以减少干扰产生的噪声。。也可16bit 的A/D 转换, 。
30°45°60°90°180°270°30. 21945. 12160. 28389. 885179. 707269. 42629. 88644. 87860. 39589. 598180. 286269. 71629. 71644. 91860. 57489. 827180. 584270. 295
大, 放大倍数为X sf 、Y sf 。采用的补偿公式为:
X out =X sf 3X +X offset Y out =Y sf 3Y +Y offset
(8)
其中,
X sf =1或(Y max -Y min ) /(X max -X min ) Y sf
=1或(X max -X min ) /(Y Y min )
X sf 、Y sf X offset =[(X max X ) /max ]3X sf Y offset =[(Y max -Y min ) /2-Y max ]3Y sf
(10) (N 123
2. 2. 3 其他因素导致的误差
智能机器人AI MS 根据方位传感器方位信息进行30°、45°、60°、90°、180°、270°、360°转向, 试验结果如
表2所示, 试验证明其误差均在1°之内。实验中智能机器人根据方位传感器提供的方位信息结合红外传感器测到的前方障碍物信息, 从一个房间的A 点到另一房间的D 点去, 如图7所示。为了便于红外传感器测到前方障碍, 在C 点人为设置一障碍物。智能机器人AI MS 前行当红外传感器探测到前方有障碍时左转90°, 结果机器人顺利到达D 点。
除了温度和附近铁磁材料的影响, 还存在其他一些产生误差的因素如A/D 转换精度、
磁传感器误差、倾斜角误差以及地磁场变化的影响。在应用中为了减少因A/D 转换分辨率低带来的误差, 采用了过采样求平均的方法。地磁场的水平分量X 与Y 变动范围约为200到300mgauss 。考虑噪声、温度以及附近铁磁物体等的影响, 探测范围应比实际的地磁场范围大
, 所以将探测量程定为±500mgauss ,12位的A/D 转换精度, 则1LS B 代表0124mgauss 。
当地磁场水平分量最大为200mgauss , 方位角精度约为0107°。当采用16bit 的A/D 转换精度时, 给方位传感器带来的误差约为01004°。
表1 磁传感器误差表
规格磁场误差方位角误差0. 05%FS0. 2mgauss 0. 06°0. 08%FS0. 32mgauss 0. 09°0. 08%FS0. 32mgauss 0. 09°
参数
线性度磁滞重复性
图7 机器人运动曲线
4 结论
实验数据表明此方位传感器精度高, 且不存在
累计误差。这种方位传感器还可应用到车辆、轮船
磁传感器误差是因为其本身的线性度误差
(Linear Error ) 、磁滞误差(Hysteresis Error ) 以及重复性误差(Repeatability Error ) 所导致的误差, 如表1所—56
—
臧爱云等:
磁传感器在导航系统中的应用
导航上, 以及应用到小型飞机导航上。另外其结构简单、成本低廉, 因此作为一种高精度、低成本方位传感器, 具有很广阔的应用前景。
参考文献
[1]Carus o M J , Bratland T , Smith C H , et al. Sensor s Expo Pro 2
ceedings , 1998, (10) :195
[3]K uipers J B. IEEE Transaction on Instrumentation and Mea 2
surement , 1980, I M 229(12) :462
[4]Raab F , Blood E , S teiner T , et al. IEEE Trans Aerospace and
Electronic Systems , 1979, AES 215:709
[5]Raab F. IEEE Transaction on G eoscience and Remote Sensing ,
1981, GE 219(4) :235
[6]H oney well Applications N ote. In :Set/Reset Pulse Circuits for
Magnetic Sens ors , AN 2201
[2]Pant B B. Scientific Honeyweller , 1987, 8(1) :29
Application of Magnetic Sensor in N avigation System
Z ang Aiyun , Y uan K ui , Y an Zhigang , Du Qingxiu
(Hi 2tech Innovation Center , Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences , Beijng 100080)
Abstract
A newly developed high 2accuracy , low 2cost orientation sens or is introduced. It consists sens ors and ac 2celerometer. Accurate and real 2time abs olute orientation in formation for be provided. Fac 2tors which in fluence the accuracy of the sens or are analyzed and o described. Experimen 2tal results are given.
K ey w ords :Orientation sens or , sens , em perature com pensation
—57—