電子羅盤,也叫數(shù)字指南針,是利用�磁場來定北極的一種方�。古代稱為羅�(jīng),現(xiàn)代利用先進加工工藝生�(chǎn)�磁阻傳感�為羅盤的�(shù)字化提供了有力的幫助?,F(xiàn)在一般有用磁�傳感�和磁通門加工而成的電子羅�。雖�GPS在導�、定位、測�、定向方面有著廣泛的應用,但由于其信號常被地�、地物遮�,導致精度大大降�,甚至不能使�。尤其在高樓林立城區(qū)和植被茂密的林區(qū),GPS信號的有效性僅�60[%]。并且在靜止的情況下,GPS也無法給出航向信�。為彌補這一不足,可以采用組合導航定向的方法。電子羅盤產(chǎn)品正是為滿足用戶的此類需求而設計的。它可以對GPS信號進行有效補償,保證導航定向信�100[%]有效,即使是在GPS信號失鎖后也能正常工�,做到“丟星不丟向��
典型的數(shù)字羅盤具有以下特點:
1.三軸磁阻傳感器測量平面地磁�,雙軸傾角補��
2.高速高精度A/D�(zhuǎn)換�
3.內(nèi)置溫度補�,限度減少傾斜角和指向角的溫度漂��
4.內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾��
5.具有簡單有效的用戶標校指令�
6.具有指向零點修正功��
7.外殼結(jié)�(gòu)防水,無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁�,如果在使用的環(huán)境中還有除了地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時,那么電子羅盤的使用就有很大的問�,這時只能考慮使用陀螺來測定航向了�
電子羅盤分辨率的大小是指電子羅盤最小能分辨出多少度的角的誤�?,F(xiàn)在的電子羅盤一般是±0.1°當每秒響應速度�4次時,每秒響應速度�20次時則大致為±0.2°�
電子羅盤由三維磁阻傳感器、兩個傾角傳感器和MCU�(gòu)�。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場,傾角傳感器是在磁力儀非水平狀�(tài)時進行補償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)�(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補�。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感�,每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強�。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量�;向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量�;向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量�。每個方向的傳感器的靈敏度都已根�(jù)在該方向上地磁場的分矢量�(diào)整到�,并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器�(chǎn)生的模擬輸出信號進行放大后送入MCU進行處理。磁場測量范圍為±2Gauss。通過采用12位A/D�(zhuǎn)換器,磁力儀能夠分辨出小�1mGauss的磁場變化量,我們便可通過該高分辨力來準確測量�200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度,不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位��
僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位�:
Azimuth=arcTan(Y/X)
該關(guān)系式是在檢測儀器與地表面平行時才成立。當儀器發(fā)生傾斜時,方位值的準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�。為減少該誤差的影響,AOSI采用兩個線性傾角傳感器來測量俯仰和�(cè)傾角,這個俯仰角被定義為由前向后方向的角度變�;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。EZ-compass-3電子羅盤將俯仰和�(cè)傾角的數(shù)�(jù)�(jīng)過轉(zhuǎn)換計�,將磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位� “拉� 回到水平的位置�
標準的轉(zhuǎn)換計算式如下:
Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
Yr=Xcosβ+Zsinβ
這里 Xr和Yr為要�(zhuǎn)換到水平位置的�
α為俯仰角
β為側(cè)傾角
從以上這三個計算公式可以看�,在整個補償技�(shù)中Z軸向的矢量扮演一個非常重要的角色.要正�
運用這些�,俯仰和�(cè)傾角的數(shù)字必須時刻更�.AOSI采用兩個量程范圍達±80°、分辨率�(yōu)�
0.005°的陶瓷基體電解質(zhì)傳感器SX-070D-LIN來測量俯仰角和側(cè)傾角,SX-070D-LIN的線性是�
程為±70°,溫漂系�(shù)�-0.08[%]/�。每個傾角數(shù)值都是經(jīng)過電路板上的溫度傳感器補償后得出�。補�?shù)臏囟然鶞蕿槭�?5�.
手機和車用電子羅盤因未內(nèi)置傾角補償功�,所以,起測量精度相對較��
多年以來,研究人員花費極大的代價,使GPS在航空與航海的應用中成功地實�(xiàn)了慣性導航與GPS一體化的解決方�。面對發(fā)展前景廣闊的車輛定位(AVL)市場,生產(chǎn)可靠的低成本的陀螺儀和GPS接收機在目前仍然是個挑�(zhàn)�
在某些特定的城市�(huán)境下,GPS接收機的定位不精確限制了它的廣泛使用,產(chǎn)生不精確定位的原因包括:①多路徑效應:建筑物對GPS信號的反� 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,信號接收效果較差 ③在隧道、地下停車廠造成的信號失� ④在接收信號差的地區(qū)延長了初始化時間 ⑤一些動�(tài)影響,如汽車大幅度增速與減速等。以上原因都會產(chǎn)生兩種可能的�(jié)�,即GPS接收機無法提供任何位置或者定位精度陡然下�,誤差甚至大�500�。于�,人們開�(fā)了一種用羅盤定位的位置增強系�(tǒng)來糾正和補償以上原因造成的不良影響�
�(xiàn)在讓我們進行一個試驗:裝備GPS接收機的汽車在中心商�(yè)區(qū)行駛,產(chǎn)生了如圖1所示不可靠和不精確的位置,12信道的GPS接收機顯示了幾百米的誤差,當汽車使入兩個多層建筑物之間的小巷內(nèi),顯示的位置任意跳動,由此可�,多路徑效應引起�500 多米的誤�??梢韵胂螅谙愀?、紐約和東京這些具有城市“峽谷�,且多數(shù)時間�(wèi)星處在被遮擋的情況下,GPS接收機的顯示將是怎樣的結(jié)��
GPS接收機制造廠商考慮到城市中信號的不�(wěn)定性,采用了許多幾何算法企圖在接收�(wèi)星數(shù)目剛好滿足精確定位所需的數(shù)量下繼續(xù)定位。如,假設緯度保持常�(shù)或者車輛始終保持在同一方向行駛。有時這種假設是合理的,但�(jīng)常是不合理的�
2� GPS增強系統(tǒng)
當GPS精度不能滿足應用要求�,必須采用GPS接收機增強系�(tǒng)。如車輛導航系統(tǒng)的電子地圖儲存在車輛傳感器的CD-ROM�,進行粗略定位、導�、轉(zhuǎn)彎等,系�(tǒng)必須與儲存的地理信息�(shù)�(jù)匹配,從而確定車輛的位置。這種通過系統(tǒng)屏幕顯示和語音引導為駕駛員指明方向的自主導航系統(tǒng)運行比較�(wěn)�,并且在日本、歐�、美國得到了廣泛應用,但成本較高�
2�1 羅盤定位
船員使用的羅盤定位儀是由指南針和測速儀組成,從起始點起確定船體的行�。同樣,汽車也可使用這套系統(tǒng),只要能確定方向和速度。解決速度測量比較容易實現(xiàn),因為現(xiàn)在的汽車都有一個電子速度傳感�,經(jīng)處理的輸出信號給出行駛速度和距離值。但是解決精確的、低成本的方向測量更困難,電磁指南針在地球磁場中能測量車輛的方向,而磁場從一地到另一地隨時變化,需要隨時進行指南針校�。而且象汽車空�(diào)和音響系�(tǒng)的電流在�(jīng)過橋�、隧道、建筑物時受到外部影�,也改變磁場。坡度的變化也影響方向的測量。航空飛行用陀螺儀解決了方向測量問題,但是高質(zhì)量的陀螺儀價格昂貴�
2�2 車輛定位中的應用固態(tài)陀螺儀的成本較適合于汽車導航系�(tǒng),由于它的條件限�,必須額外小心使�。于�,人們專門開發(fā)了一種汽車用羅盤定位系統(tǒng),用速度傳感器測量速度,當后退時用�(zhuǎn)彎燈指示。小型的擺動光柱或陀螺儀測量�(zhuǎn)彎率,這種陀螺儀只需5V的直流電便可運行,有大約22mV/�/秒的敏感��0�/秒(陀螺儀偏差電壓)相當于�2.5V ,為了確定行車的前進方�,從陀螺儀的輸出結(jié)果減去陀螺儀偏差電壓,將�(jié)果代入,相對于初始行駛方向產(chǎn)生一個方向變�。由于現(xiàn)代微處理器技�(shù)的發(fā)展,以上計算很容�,但是必須克服幾個問題:系統(tǒng)必須精確測量陀螺儀偏差電壓以確保通過算法處理沒有�(zhuǎn)譯成大的導航誤差。陀螺儀偏差隨著周圍的溫度而變�,同時電子和機械�(chǎn)生的噪音也影響輸出信號。另�,車輛速度傳感器本身也有誤差源。羅盤定位系�(tǒng)就是要在�(guān)鍵時刻發(fā)揮作�,即當GPS不能提供正確服務時,它必須能處理傳感器誤��
2. 3. 誤差來源事實上,我們需要首先解釋影響定位的所有誤�,用于車輛定位的低成本的GPS接收機任意誤差為15-25米(2-D根方差),上面提到過,在某些情況下誤差達到幾百米。DOP能解釋由�(wèi)星幾何位置不好和陰影造成的誤�,而無法解釋多路徑效應造成的誤�。有些接收機考慮了多種誤差源就可獲得所需的測量值,而普通接收機無法獲取高質(zhì)量的測量�。羅盤定位系�(tǒng)則通過適當?shù)乃惴ㄔ谟性S多誤差存在的情況下能提供很好的測量結(jié)�,不管怎樣,羅盤定位系�(tǒng)也有局限�,因為車輛速度傳感器對速度和方向也會帶來誤差源。在�、驅(qū)動輪和地面距離的�(guān)系上,隨輪胎磨損、輪胎溫度及輪胎打滑的變化而變�,它導致每輪旋轉(zhuǎn)10[%]的距離變化�
3�1 陀螺儀偏差陀螺儀最重要的誤差就是陀螺儀偏差的不確定�。通常陀螺儀輸出的測量值包括角度誤�,這個誤差與真實信號混合在一起。為便于理解對方向計算產(chǎn)生的影響,考慮到系�(tǒng)�10bit模擬/�(shù)字轉(zhuǎn)換器測量陀螺儀的輸出結(jié)果。假設一個無噪聲陀螺儀偏差電壓,其誤差值等于定量誤差且大于0.5bit,約2.5mv ,相當于陀螺儀�0.1�/秒� 陀螺儀輸出的偏差在方向上產(chǎn)生一個誤�0.1�/秒�300� = 30�,這是一個讓人無法接受的累積誤差� 3�2 陀螺儀的另外一種誤差陀螺儀的另外一種誤差呈非線性和其它不定�,與陀螺儀偏差誤差相比,這種誤差很小且對大多�(shù)車輛定位應用并不重要。地形的復雜性給陀螺儀系統(tǒng)帶來另一種誤�。陀螺儀有一個垂直于參考坐標平面的靈敏性高的轉(zhuǎn)動軸,如果軸不垂�,刻度因素的敏感性被傾斜角的余旋減少�10度的傾角(對于汽車是個很陡的坡),結(jié)果將增加1.5[%]的誤�。精確地測量地面距離很重要,由于直接從GPS計算出的距離并不可靠,如果GPS�10秒間隔采�,當汽車在間隔時間沿360度環(huán)島行駛,計算�(jié)果將�0。在GPS信號弱的地區(qū)或信號失鎖地區(qū),GPS測量誤差達幾百米�
4. GPS慣性羅盤定位系�(tǒng)通過仔細的信號處理和傳感器管理,我們可以獲得車輛行駛的地面距離,利用這些測量值和標準導航等式,羅盤定位系�(tǒng)可計算出一個慣性位�。不管傳感器多貴,信號處理算法多�,無法解釋的殘余誤差將累積,導致慣性導航不起作�。圖2提出了了兩種解決方案混合的策�,使慣性位�、行駛方�、陀螺儀偏差和速度傳感器刻度估值等得到正確的處理結(jié)��
下面幾個原因會造成精度不準或失效:
新更換電��
電池電量��
電子羅盤附近有電力線,金屬結(jié)�(gòu)建筑或其它對磁場有影響的干擾��
羅盤校正步驟沒有正確完成�
重新標定羅盤,如果仍然得不到準確讀�(shù),更換電池重新標��
水平孔和垂直孔測�
水下勘探
飛行器導�
科學研究
教育培訓
建筑物定�
設備維護
導航系統(tǒng)
仿真系統(tǒng)
GPS備份
汽車指南�
虛擬�(xiàn)�