|
1 引言 磁電子羅盤(pán)是一種利用地磁場(chǎng)實(shí)現定向功能的裝置，在移動(dòng)機器人導航方面有著(zhù)重要的應用價(jià)值。與傳統的自主慣性導航設備相比，磁電子羅盤(pán)具有體積小、成本低、無(wú)累計誤差、能夠自動(dòng)尋北等特點(diǎn)。與常規的指針型羅盤(pán)相比，磁電子羅盤(pán)在抗沖擊性、抗震性等方面性能良好。并且能夠對雜散磁場(chǎng)進(jìn)行補償，輸出電信號．可方便地與其他電子設備組成應用系統。 本羅盤(pán)設計采用Philips公司的KMZ52磁阻傳感器和Microchip公司的PIC16F818單片機。并對羅盤(pán)進(jìn)行詳細介紹。 2 地磁場(chǎng) 由于地球本身具有磁性。在地球和近地空間之間存在磁場(chǎng)，稱(chēng)為地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的強度為0.3高斯至0.6高斯，其大小和方向隨地點(diǎn)(甚至隨時(shí)間)而異。地磁場(chǎng)的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，而且兩者間的偏差隨時(shí)間緩慢變化。 本文設計的二維磁電子羅盤(pán)用于測量、計算磁場(chǎng)的方位角，并將其轉換為電信號傳輸給移動(dòng)機器人的控制器。此磁電子羅盤(pán)采用磁電阻傳感器，移動(dòng)機器人的控制器接收來(lái)自磁電阻傳感器信號，此信號均為0 V～5 V模擬量，電壓值的變化表現為航向角的不同，并且要求高可靠性和一定精度。 3 各向異性磁阻傳感器的測量原理 各向異性磁電阻效應是指對于強磁性金屬(鐵、鈷、鎳等及其合金)，當外加磁場(chǎng)平行于磁場(chǎng)內部磁化方向時(shí)，阻值不變；若外界磁場(chǎng)方向偏離時(shí)，則其阻值減��；如果把這類(lèi)金屬做成薄膜帶狀導線(xiàn)，當電流通過(guò)時(shí)，其阻值大小隨內外兩磁場(chǎng)的合成磁化方向與電流流向的相對關(guān)系變化，趨于同向時(shí)阻值增大，背向時(shí)阻值減小。由于坡莫(NiFe)合金在弱磁場(chǎng)下的電阻變化率較大，因此適用于弱磁場(chǎng)中。 KMZ52是Philips公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應測量磁場(chǎng)的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補償線(xiàn)圈和設置／復位線(xiàn)圈。補償線(xiàn)圈的輸出與當前測量結果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感器主要應用于導航、通用地磁測量和交通檢測。 該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導率的坡莫合金，在翻轉線(xiàn)圈和外界磁場(chǎng)兩個(gè)力的作用下，電子改變運動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí)KMZ52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場(chǎng)力作用下有較好的對稱(chēng)性。由于加入了翻轉磁場(chǎng)，KMZ52的變化曲線(xiàn)與普通的磁敏電阻不同，更加線(xiàn)性化。KMZ52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長(cháng)而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化。 如圖1所示，KMZ52磁阻傳感器的等效電路，其中，R1～R4的阻值均為R，供電電源為U。在外加偏置磁場(chǎng)H的作用下，R1和R4的磁化方向背向電流方向轉動(dòng)引起阻值減小。而R2和R3的磁化方向朝向電流方向轉動(dòng)，阻值增大△R。計算得： 4 磁電子羅盤(pán)的硬件設計 磁電子羅盤(pán)的硬件系統包括信號采集、信號處理、消磁電路、基準電壓源和單片機等部分。其中信號處理包括一級放大、二級放大電位提升、濾波等3部分。采集到的信號經(jīng)過(guò)放大濾波后送至單片機的A／D轉換端口。經(jīng)過(guò)單片機計算方向角后，傳送至上位機，機器人的控制器對其處理。磁電子羅盤(pán)設計總體結構如圖2所示。 4.1 翻轉線(xiàn)圈 磁阻傳感器在使用一段時(shí)間后或受到外界瞬時(shí)高強磁場(chǎng)影響時(shí)，其信噪比降低，輸出信號幅度減弱。為消除這種影響，必須在電路設計時(shí)考慮使用翻轉線(xiàn)圈。與其他需要外部線(xiàn)圈的磁阻傳感器不同，KMZ52是通過(guò)內部的置位／復位電流帶實(shí)現的。該電流帶是一個(gè)線(xiàn)繞式線(xiàn)圈，當線(xiàn)圈上有電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)耦合到電橋上。除了提高信噪比外，該電流帶還具有減小溫漂和非線(xiàn)性誤差的作用。 使用置位／復位電流帶需要施加置位／復位脈沖，簡(jiǎn)稱(chēng)S／R脈沖。需要注意的是，S脈沖與R脈沖對傳感器的影響相同，唯一不同的是傳感器輸出信號的改變。這是因為磁阻傳感器有兩種工作方式。其中，工作方式1輸出電壓與磁場(chǎng)強度成正比，而工作方式2輸出電壓與磁場(chǎng)強度成反比。對于置位／復位電流帶輸入正向的脈沖電流磁阻傳感器為工作方式1；反之則是工作方式2。產(chǎn)生S／R脈沖電路稱(chēng)為置位／復位脈沖電路，是采用磁阻傳感器作為磁場(chǎng)傳感器所特有的。由于干擾磁場(chǎng)的影響，傳感器輸出具有固定偏差，設地磁場(chǎng)磁感應強度為G，傳感器輸出為Vn，則傳感器工作在方式1時(shí)，V1=G+A；工作在方式2時(shí)，V2=-G+A。由此可得： G=(V1-V2)／2 (2) 由式(2)可知，電路可通過(guò)翻轉線(xiàn)圈達到消除偏差的目的。加以1 A的脈沖電流即可重新校準或反置傳感內的磁敏組件，該脈沖寬度可短至3μs。本設計在每次上電后，由單片機發(fā)送去磁復位指令，經(jīng)過(guò)去磁驅動(dòng)電路，發(fā)送脈沖電流至翻轉線(xiàn)圈，完成復位。去磁電路是由簡(jiǎn)單的三極管驅動(dòng)電路構成。 4.2 放大電路 在5 V電源電壓下，磁阻傳感器KMZ52的靈敏度為65 V／T�？紤]到地磁場(chǎng)水平方向的磁場(chǎng)強度約為0.03 mT，KMZ52在地磁場(chǎng)的輸出電壓僅2 mV。因此，需要放大其輸出的電壓信號。而通用運算放大器一般都具有毫伏級的失調電壓和每度數微伏的溫漂，不能直接放大微弱信號。因此，一級放大電路采用儀表放大器AD620。 一般信號放大應用中，采用差動(dòng)放大電路即可滿(mǎn)足需求，但精度低，且變更放大增益時(shí)，必須調整兩只電阻，影響整個(gè)信號放大精度。而儀表放大電路則無(wú)上述缺點(diǎn)。圖3所示儀表放大器是由3個(gè)放大器組成，其中，電阻R與Rx范圍為1 kΩ～10 kΩ。由固定電阻R通過(guò)調節Rx來(lái)調整放大的增益。其關(guān)系式如式(3)所示，須注意避免每個(gè)放大器產(chǎn)生飽和現象(放大器最大輸出為其工作電壓)。 磁阻傳感器在地磁場(chǎng)中的輸出范圍為±2 mV，經(jīng)AD620放大495倍后，變化范圍為+990 mV，接近±1 V。二級放大電路采用LM324運放，構成同向加法器。經(jīng)過(guò)二級運放后，電壓提升2倍；再經(jīng)電位提升2.5 V后，變化范圍為0.5 V～4.5 V，符合單片機A／D轉換要求。而電位提升電路所需2.5 V基準電壓是由TL431三端可編程并聯(lián)穩壓二極管提供。 4.3 數字信號處理器 磁電子羅盤(pán)的數字信號處理器采用Microchip公司的8位PIC16F818單片機，對經(jīng)過(guò)信號調理的磁電阻傳感器輸出信號進(jìn)行采樣、轉換、處理、存儲，并通過(guò)SPI串行通信模塊響應來(lái)自PC機的命令及向PC機傳輸磁場(chǎng)、方位角數據。另外，單片機還為去磁電路提供控制信號。PIC16F818單片機的指令處理速度能夠達到8 MHz．內部集成5通道的10位A／D采樣轉換模塊，此A／D轉換模塊屬于逐次逼近式A／D轉換，具有轉換速度高、精度高等特點(diǎn)，非常適用于那些需要實(shí)時(shí)信號處理的機器人傳感器信號處理。另外，單片機內部的SPI串行通信模塊實(shí)現傳感器與機器人上位機的同步通信，將方位角的實(shí)時(shí)信息傳送至上位機進(jìn)行處理。 5 磁電子羅盤(pán)的軟件設計 電子羅盤(pán)的軟件設計程序包括：初始化子程序、A／D轉換子程序、區域判斷子程序、角度計算子程序以及PWM信號發(fā)生子程序。A／D轉換采用RA0，RA1端口，去磁脈沖由RB0端口發(fā)送。圖4為軟件設計主程序流程。 其中，方位角計算是軟件設計的關(guān)鍵。采用一般反三角函數逼近的計算方法則涉及匯編語(yǔ)言浮點(diǎn)除法，編程占用大量空間，并且不易調試。而且反三角一般的計算范圍是180°。對于360°還要進(jìn)行額外判斷。本系統設計采用壓縮映射算法計算方位角α。圖5為壓縮映射算法測量原理圖。x、y分別表示磁阻傳感器的x、y軸上測得的磁場(chǎng)強度Hex、Hey。根據三角函數的軸對稱(chēng)性，先將0°～365°的情況壓縮在0°～45°內進(jìn)行查表，根據一定的規則將其重新映射至0°～365°范圍內。采用這種方法可避免浮點(diǎn)運算，提高計算速度，降低程序的復雜性。 6 結束語(yǔ) 本文采用KMZ52磁阻傳感器設計一種用于移動(dòng)機器人定向用的電子羅盤(pán)。介紹了該電子羅盤(pán)的硬件系統，在信號調理電路中，采用內部線(xiàn)圈翻轉和兩級放大及電位提升電路，使傳感器信號能夠被PIC16F818經(jīng)A／D轉換后送到上位機處理。 |
