磁阻傳感器在車輛航位推算系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

引言

航位推算是最常用的車輛定位技術(shù)，它利用方位傳感器和距離傳感器提供的方位角和位移推算出車輛的位置。距離傳感器通常采用里程計(jì)傳感器；而采用何種方位傳感器將直接影響到航位推算系統(tǒng)的精度和成本。用于航位推算系統(tǒng)的方向傳感器有陀螺儀、磁阻傳感器等。陀螺儀尋北精度高，但價(jià)格昂貴、體積大、對(duì)環(huán)境要求高(如要求載體靜止、無(wú)振動(dòng))、且誤差隨時(shí)間積累，因此不適合于要求低成本的車輛導(dǎo)航。而磁阻傳感器具有體積小、功耗低、易于安裝，且溫度特性好、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，因此在車輛航位推算系統(tǒng)中采用磁阻傳感器具有較高的性價(jià)比。

圖1 磁阻傳感器工作原理圖

圖2 航向測(cè)量原理框圖

圖3 置位/復(fù)位脈沖對(duì)磁阻傳感器的輸出影響

圖4  HMC1022及其外圍電路圖

磁阻傳感器原理

磁阻傳感器是利用磁原理測(cè)量地磁場(chǎng)沿載體坐標(biāo)系分量，通過(guò)數(shù)值計(jì)算、誤差校正，準(zhǔn)確地得出載體的航向角。    

磁阻傳感器工作原理如圖1所示。它由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，在電阻中有電流流過(guò)，且在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H，使得兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增加；另外兩相對(duì)放置的電阻的磁化方向背向電流轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起電阻阻值減少。在線性區(qū)域，輸出和外加磁場(chǎng)成正比，靈敏度和傳遞函數(shù)的線性區(qū)域成反比。

航向角測(cè)量原理框圖如圖2所示。將二軸磁阻傳感器沿車輛的東、北向坐標(biāo)軸安裝，即可測(cè)量到地磁場(chǎng)沿載體坐標(biāo)的兩個(gè)分量。已知地磁場(chǎng)的水平分量H0與地球表面平行，指向地磁北極。令HX和HY分別為東、北向磁阻傳感器的輸出，則有

                              (1)

于是，航向角可由下式得出：

                           (2)

在使用式(2)計(jì)算航向角時(shí)，由于正切函數(shù)的多值性，航向角在大于180°是有效的，并且不允許Y＝0的除法運(yùn)算。

磁阻傳感器誤差分析及補(bǔ)償

航向精度主要受以下幾個(gè)因素的影響：A/D轉(zhuǎn)換的分辨率；磁阻傳感器的誤差、溫度影響和附近的鐵質(zhì)材料；地球磁場(chǎng)的變化。傾角誤差在車輛導(dǎo)航中可以忽略不計(jì)。

A/D轉(zhuǎn)換的分辨率

車輛航位推算系統(tǒng)要求定位精度達(dá)到1°并且能測(cè)量0.1°的角度變化。已知地磁場(chǎng)在X-Y水平面上，磁場(chǎng)分量的典型值為300mG。根據(jù)航向公式(2)，有 ，則。即Y/X比率的1/573的變化會(huì)導(dǎo)致航向0.1°變化。由于經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的最高位為符號(hào)位，若使用10位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/512，大于1/573，因此10位A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足測(cè)量0.1°的角度變化的要求。那么A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)等于或大于12位?？紤]到硬磁環(huán)境干擾的影響，系統(tǒng)測(cè)量的磁場(chǎng)范圍考慮為±800mG，則A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)為12位，可測(cè)得的最小磁場(chǎng)為0.8/2048＝0.39mG，它是HMC1022可測(cè)得的最小磁場(chǎng)量的4倍多(HMC1022可測(cè)得的最小磁場(chǎng)量為85?Gs)。因此，12位A/D轉(zhuǎn)換器完全滿足要求。

磁阻傳感器誤差

欲使總體航向精度達(dá)到1°，對(duì)磁阻傳感器的噪聲、線性度、磁滯、重復(fù)性等參數(shù)的測(cè)量誤差應(yīng)優(yōu)于0.5°。磁阻傳感器的增益誤差和偏移，在硬磁校正時(shí)都可以被補(bǔ)償?shù)?，不必考慮。表1給出了這些參數(shù)的誤差值、這些參數(shù)引起的磁場(chǎng)誤差，以及和最終導(dǎo)致的航向誤差。由表中可知，磁阻傳感器若能提供小于0.925mG的磁場(chǎng)誤差，對(duì)應(yīng)的航向誤差將為0.25°。

溫度誤差

磁阻傳感器的溫度系數(shù)也會(huì)影響到航向精度，包括溫度漂移和靈敏度溫度系數(shù)。

溫度變化引起靈敏度溫度系數(shù)變化時(shí)，磁阻傳感器在X軸向和Y軸向的輸出增益的變化是成正比的。因此，在航向的計(jì)算中，此因素可以互相抵消掉。即溫度變化對(duì)航向精度無(wú)影響?！　?/p>

磁阻傳感器的溫度漂移是不匹配的，會(huì)對(duì)航向輸出有直接影響。溫漂是由每個(gè)傳感器元件的精確電阻值引起的。在磁阻傳感器中設(shè)計(jì)有偏置電流帶OFF+/OFF-，可以消除溫漂。通過(guò)一個(gè)交流耦合驅(qū)動(dòng)器，在OFF+/OFF-電流帶上產(chǎn)生一個(gè)雙向脈沖，如圖3所示。這兩個(gè)電流脈沖引起的磁阻傳感器的輸出是對(duì)稱的，有一個(gè)相同的截距，可以通過(guò)運(yùn)算消除掉。首先，對(duì)電流帶施加一置位脈沖，測(cè)量出此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B和輸出電壓；然后對(duì)電流帶施加一復(fù)位脈沖，測(cè)量出此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B和輸出電壓，將可消除偏置電壓Vos。

附近的鐵質(zhì)材料

航向是以地球水平面東、北兩軸向的地磁分量為基礎(chǔ)的，磁阻傳感器必須測(cè)量出這些值，且排除附近的磁源或干擾。干擾的大小取決于磁阻傳感器安裝的平臺(tái)材質(zhì)、連接頭和它附近的鐵質(zhì)。

在磁阻傳感器周圍沒(méi)有任何物體產(chǎn)生磁場(chǎng)的場(chǎng)合下，成垂直狀態(tài)的兩組傳感器測(cè)出來(lái)的地磁輸出信號(hào)，隨著傳感器的360傻貿(mào)穌哂胗嘈擼礁鍪涑魴藕藕銑?，就变抽W嗽殘喂旒?，检测到地磁场抵\浠段0.3Gs。但是，如果車輛被磁化或有固定磁干擾的情況下，輸出信號(hào)的合成就會(huì)偏離原點(diǎn)，且不再是一個(gè)圓，而是近似橢圓。對(duì)地磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)存在著10倍左右的干擾磁場(chǎng)時(shí)，從3Gs開始，車輛被磁化；當(dāng)有20倍以上的干擾磁場(chǎng)時(shí)，在1Gs左右磁化量達(dá)到飽和。

對(duì)這種疊加磁場(chǎng)的干擾可以通過(guò)校正將其補(bǔ)償?shù)?。通常使用的校正方法是：讓安裝有磁阻傳感器的車輛在水平面上作環(huán)形運(yùn)動(dòng)，然后找出磁阻傳感器X、Y軸輸出的最大和最小值；接著確定出原點(diǎn)偏移值；最好根據(jù)偏移量進(jìn)行補(bǔ)償。

地球磁場(chǎng)的變化

地球的兩磁極的連線和地球自轉(zhuǎn)軸之間有11.5募薪(即磁偏角)，而且在地球的不同地方，磁北極和地理北極方向之間，都有不同的角度差值，此差值最大可達(dá)25?。因此，哉娸^蚣撲闃?，需要架Vセ蚣由洗舜牌?。磁偏綇?qiáng)賞ü虻牡卮牌塹贗薊騁PS輸出的數(shù)據(jù)中得到。

磁阻傳感器外圍電路設(shè)計(jì)

本文采用了霍尼韋爾公司的磁阻傳感器HMC1022應(yīng)用于車輛航位推算系統(tǒng)，航位推算系統(tǒng)平臺(tái)的處理器芯片采用的是飛思卡爾公司的32位嵌入式處理器芯片MC9328MXL。HMC1022是二軸磁阻傳感器，可以輸出前后方向、左右方向的方位信息，輸出數(shù)據(jù)經(jīng)放大器放大后，再由A/D轉(zhuǎn)換將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)SPI串行通信送到處理器計(jì)算出航向角。HMC1022及其外圍電路如圖4所示。

由于磁阻傳感器在制造過(guò)程中選定薄膜長(zhǎng)度的方向?yàn)檩S，當(dāng)玻莫合金薄膜在受到外部強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)(大于20G)，薄膜磁化極性會(huì)受到破壞，傳感器特性也會(huì)改變。HMC1022使這個(gè)問(wèn)題得以解決，該芯片上有兩個(gè)阻值為7.7Ω(典型值)置位/復(fù)位電流帶，對(duì)玻莫合金薄膜施加0.5~4A、2?s的脈沖電流，通過(guò)這一瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)來(lái)恢復(fù)或保持傳感器特性。置位脈沖或復(fù)位脈沖對(duì)傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區(qū)別是傳感器的輸出改變正負(fù)號(hào)。由圖4可知，555定時(shí)器每10分鐘產(chǎn)生1秒寬度的低電平時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)控制CMOS開關(guān)管IRF7105的導(dǎo)通和截止，從IRF7105的3腳接的1?F電容處激勵(lì)一大于0.5A的脈沖電流。在IRF7105的3腳和電源間串有200?的降壓電阻起降低噪聲的作用。

地磁場(chǎng)的變化引起磁阻傳感器的輸出電壓變化，HMC1022的2、4引腳輸出地磁在水平坐標(biāo)(X-Y)中前后方向(Y軸)引起的變化電壓，5、12引腳輸出地磁在水平坐標(biāo)中水平坐標(biāo)中左右方向(X軸)引起的變化電壓?？紤]到硬磁環(huán)境干擾的影響，系統(tǒng)測(cè)量的磁場(chǎng)范圍考慮為±800mG。HMC1022的靈敏度為0.8至1.25mV/V/G，磁阻傳感器的供電電壓為5V，那么任一電橋上最大可能的地磁激勵(lì)可能為

因此必須將該電壓信號(hào)放大至A/D轉(zhuǎn)換器能精確轉(zhuǎn)換的電壓范圍。本文采用了AMP04放大器。要使電壓對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端0至5V的電壓范圍，需將電壓放大為500倍，在AMP04的1、8腳之間接一個(gè)的增益電阻可以達(dá)到該放大倍數(shù)。在AMP04的6、8腳接的1.5nF電容為放大器提供了1kHz的截止頻率。

A/D轉(zhuǎn)換器采用的是TI公司的12位TLC2543。TLC2543中的SPI引腳電平為5V，而MC9328MXL的輸入輸出腳電平為3V。用MAX1840與MAX8867組合，可以實(shí)現(xiàn)兩接口高-低電平和低-高電平混合轉(zhuǎn)換。SPI1接口配置為主機(jī)模式，TLC2543的片選信號(hào)可由