HCM5883L 的無人機磁航向智能傳感器設計

孫繼文，趙國豪，王洪義

HCM5883L 的無人機磁航向智能傳感器設計

孫繼文，趙國豪，王洪義

（防空兵學院，鄭州450052）

介紹了磁阻傳感器和傾角傳感器的工作原理，分析了無人機飛行過程中俯仰和滾動對方位角測量精度的影響，基于三軸傾角傳感器ADXL335、三軸磁阻傳感器HCM5883L和C8051F350單片機設計了一種新型的無人機磁方位傳感器。本文基于時間的線性特征，提出了一種新型的誤差校正方法，提高了方位測量精度。實驗證明，該方位傳感器精度較高、可靠性好，能夠滿足無人機方位角測量要求。

傾角傳感器；磁阻傳感器；方位角；時間特性

引 言

在無人機飛行控制系統(tǒng)中，方位測量是重要的組成部分，起著航向測量和領航駕駛的作用。磁阻傳感器利用鎳鐵合金電阻測量某一方向的磁場，具有體積小、功耗低、結構簡單、質量輕、成本低、可靠性高、抗干擾能力強、溫度穩(wěn)定性好、耐惡劣環(huán)境能力強、工作頻帶寬、易于與數(shù)字電路匹配以及便于安裝等優(yōu)點，非常適用于無人機的方位測量。但是無人機在飛行過程中，會產生俯仰角和滾動角，同時由于磁阻傳感器易受地磁環(huán)境的干擾，這些都會對磁阻傳感器產生很大影響，使方位測量精度降低。因此有必要研究一種新的方法對磁阻傳感器進行補償，提高磁阻傳感器的測量精度。

1　磁阻傳感器測量方位角的工作原理

系統(tǒng)在綜合考慮無人機俯仰和滾動的基礎上，基于磁阻效應，采用一種用于測量低磁場強度的三軸磁阻傳感器混合電路組件來感測地球磁場強度在X、Y、Z軸的分量，通過解算，得到無人機的方位角。它由3個玻莫合金磁阻傳感器和定制接口電子設備構成，并含有高靈敏度溫度補償電路，具有體積小、精度高、可靠性與耐損性高、動態(tài)范圍大、外圍電路設計簡單等特點。

（1）當磁航向傳感器處于水平位置時

磁航向傳感器輸出的角度值βd是從地理上的“北極”繞垂直于水平面的軸的轉角，直接測定值βc是從“磁北”繞垂直于水平面的軸的轉角，其中βd、βc均是順時針旋轉為正。如圖1所示，以無人機縱軸方向為X軸，橫軸為Y軸，建立直角坐標系，η為當?shù)卮牌牵抛鑲鞲衅髯鴺讼蹬c水平坐標系重合，Z軸與磁場矢量垂直，其輸出為零，X、Y軸感測的磁場強度分別為HX、HY。

由圖1可知無人機的航向角為：

圖1　水平位置下方位角示意圖

（2）磁航向傳感器不在水平位置

當磁航向傳感器不在水平位置時，磁阻傳感器平面與水平面出現(xiàn)夾角，即無人機出現(xiàn)俯仰、滾動時，磁阻傳感器感測的磁場強度H″X、H″Y、H″Z可以通過歐拉角描述。固定坐標系OXYZ和運動坐標系OX″Y″Z″之間的關系如圖2所示，X軸為無人機縱軸方向，Y軸為無人機橫軸方向向右，Z軸為垂直無人機水平面向下的方向。

圖2　坐標變換圖

其中，運動坐標系OX″Y″Z″是由固定坐標系OXYZ先繞OZ軸旋轉角度β'，得到坐標系OX'Y'Z，然后再繞O'X'軸旋轉角度θ'（即俯仰角），得到坐標系OX'Y″Z'，最后繞OY″軸旋轉的角度?'即滾動角，得到坐標系OX″Y″Z″。因為方向余弦矩陣都是正交矩陣，它的逆矩陣存在且就等于它自身的轉置矩陣，所以從OX″Y″Z″到OXYZ的逆過程的轉換關系如下：

由式（1）、（2）得到不在水平狀態(tài)時無人機的航向角為：

因此無人機在飛行過程中，必須考慮俯仰、滾動對磁傳感器的影響，在測量俯仰角和滾動角時，系統(tǒng)采用三軸傾角傳感器ADXL335測得。

2　傾角傳感器測量傾角的工作原理

測量傾角的傳感器主要基于單軸傾斜、雙軸傾斜和三軸傾斜的原理。由于工藝技術水平的限制，傾角傳感器的敏感軸無法嚴格地平行于傾斜方向，從而會造成誤差。單軸傾斜不能進行全角度的測量，而且采樣頻率要求很高，雙軸傾斜不能滿足全球范圍內的方向確定，而三軸傾斜的傳感器可以彌補以上兩種傳感器的不足，因此系統(tǒng)采用了三軸傾斜傳感器測量俯仰角和滾動角。

在安裝傳感器時，傳感器的X敏感軸與無人機縱向一致，Y敏感軸與X敏感軸垂直，并且與無人機在同一平面，Z敏感軸與X、Y敏感軸垂直。傾角測量原理示意圖如圖3所示。

Ax=-g sin?（4）

Ay=-g sinγ（5）

Az=g cosε（6）

其中，?為無人機高低角（水平以上為正，水平以下為負），γ為無人機滾動角，Ax為加速度傳感器X軸輸出，Ay為加速度傳感器Y軸輸出。當無人機沒有滾動角時，γ為0，X、Y軸和重力在同一平面上，由位置關系可以得到?=ε。

圖3　傾角測量原理示意圖

所以可以通過X、Z軸相互補充的方法提高測量精度，同理可以測量無人機飛行時的滾動角。

3　磁航向傳感器的組成

如圖4所示，磁航向傳感器由C8051F350單片機、三軸磁阻傳感器HMC5883、復位電路、信號調理電路、三軸傾角傳感器ADXL335和接口電路組成。利用ADXL335精確測量地球重力，HMC5883L感測地球磁場強度的三軸分量，通過C8051F350進行數(shù)據采集、姿態(tài)計算、坐標轉換和誤差補償，最后得到補償后的無人機航向角。

圖4　磁航向傳感器系統(tǒng)的組成

C8051F350單片機內部有模/數(shù)轉換器，可以與磁阻傳感器實現(xiàn)優(yōu)勢互補，能夠簡化設計電路。HMC5883傳感器是霍尼韋爾公司研發(fā)的一種小型高分辨率三軸磁阻傳感器，采用各向異性磁阻技術，內部集成有放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、12位模/數(shù)轉換器和簡易的I2C系列總線接口，靈敏度和可靠性較高，與C8051F350配合使用，能夠達到優(yōu)勢互補。

ADXL335三軸傾角傳感器是美國ADI公司推出的一款帶有信號調理電路的高精度模擬三軸加速度傳感器，具有超低功耗、高靈敏度、高分辨率、強抗干擾能力、高響應頻率、零重力偏差和溫度漂移較低等特點，該加速度計有較高的分辨率（13位），其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測量不足1.0°的傾斜角度變化，測量范圍為±16g，可以直接與單片機連接，非常適合無人機飛行中俯仰角和滾動角的測量。

由于磁阻傳感器的輸出均為m V級的電壓信號，所以必須經過信號調理后才可以送到模/數(shù)轉換器。轉換后的數(shù)字信號送入微控制器，進行實時的姿態(tài)矩陣計算，同時進行系統(tǒng)誤差校正，最終得到穩(wěn)定的姿態(tài)參數(shù)。

由于磁阻傳感器靈敏度極高，當磁阻傳感器接收到外界大于20 Gs，地磁場約為0.6 Gs的磁場干擾時，傳感器薄膜磁化極性會受到破壞，傳感器特性也會改變，因此在設計時加入了一個置位/復位電路，可以對敏感元件施加一個瞬態(tài)的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性。每經過一定的采樣時間，給磁阻傳感器施加一個置位或復位脈沖，來恢復和保持傳感器特性。

4　磁航向傳感器的校正

4.1誤差分析

磁阻傳感器的輸出誤差主要可以分為兩類：第一類是系統(tǒng)自身存在的誤差；第二類是由磁阻傳感器周圍工作環(huán)境因素而造成的誤差，主要指羅差。系統(tǒng)自身誤差是固定的，較容易補償，影響較小。羅差對磁阻電子羅盤的精度影響最大可達幾十度，是磁阻傳感器誤差的主要部分。

磁阻傳感器在沒有鐵磁材料的空間里，接受地磁場的方向不會受影響。當磁阻傳感器周圍存在鐵磁材料時，鐵磁材料將影響地磁場，改變輸出。因為傳感器較小，可以認為該磁場為在傳感器周圍均勻分布的一種加在地磁場的附加恒定磁場，它引起的誤差大小相對于無人機方向隨外界磁場的變化而變化。該磁場方向可分解為水平分量和垂直分量，垂直分量對方位角的影響不大，水平分量與地磁場水平分量形成合成磁場。合成磁場與地磁場水平分量之間的夾角就是羅差，其關系示意圖如圖5所示。

HG為地磁場水平分量；HP為外界干擾磁場水平分量；H為地磁場水平分量與外界干擾磁場水平分量的合成磁場。羅差的計算式為：

其中，?M為載體的實際磁航向，?O為羅盤指示的航向，?C為該磁航向的羅差。

由于地磁場沿地球表面平行的分量總是指向磁北極，在沒有誤差時，磁阻傳感器X軸輸出最大時，Y軸輸出為零，而X軸輸出為零時，Y軸輸出最大。即在無任何金屬材料干擾磁場的理想環(huán)境下，將磁阻傳感器在水平面上緩慢旋轉360°，以X軸為輸出橫軸，Y軸為輸出縱軸，采集足夠多的點，即可繪制出近似以（0，0）點為圓心的圓，如圖6所示。

圖5　羅差關系示意圖

圖6　無干擾條件下的輸出

磁阻傳感器在沒有鐵磁材料的空間里，接受地磁場的方向不會受影響。但一般情況下，外界環(huán)境不可避免存在鐵磁材料，有些安裝載體及電路磁場也會對傳感器周圍的地磁環(huán)境產生影響，這些鐵磁材料將干擾地磁場，相當于在地磁場上又加上了一個磁場。這時將磁阻傳感器在水平面上旋轉一周，繪制出的曲線不再是一個圓，而是一個橢圓，同時圓心也偏離了原來位置，如圖7所示。

圖7　環(huán)境磁場干擾條件下的輸出

4.2誤差補償

對羅差的補償通常有基于橢圓假設補償法、基于最小二乘24位置羅差補償法等，但是基于橢圓假設法需要繪制橢圓曲線，而最小二乘24位置羅差補償法需要大量的計算，不利于單片機處理，因此需要研究一種方便的、高精度的校正方法。

由于時間具有嚴格的線性特征，因此系統(tǒng)基于時間特性對磁航向傳感器進行校正。方法是：到達指定地域后，將傳感器放置在標定裝置上，此時的方位角為β0，標定裝置帶動磁航向傳感器勻速轉動一周，記下時間T，由于時間具有嚴格的線性，所以在每一個時間單位內，標定裝置轉動的角度也是一定的，即每一時刻都非常嚴格地對應一個準確的轉動角度，其時間—角度特性如圖8所示。

圖8　時間—角度特性曲線

則在t時刻的無人機方位角為：

其中，βi為對應i時刻精確方位角，t為轉動時間，β0為轉動的起始方位角。

在理想狀態(tài)下（只有大地磁場，沒有其他磁場干擾），傳感器感應的角度變化量也應該是固定的，每轉動一個時間單位，對應變換量應該為360°/T，在t時刻測得的方位角應該符合式（11）的計算結果。由于附加磁場的干擾，傳感器會出現(xiàn)一定的誤差，任何一個時刻的值可能都不等于計算結果，但是在每一個時間點，傳感器的輸出值與通過計算得到的角度值存在一一對應關系。

磁航向傳感器測得的方位角為βc，其對應的時間i是非常嚴格的，代入式（11）便得到無人機自身的準確方位角βz。

結 語

本文分析了俯仰角和滾動角對磁阻傳感器的影響，通過使用三軸傾角傳感器ADXL335，提高了俯仰角和滾動角的測量精度，從而對三軸磁阻傳感器HMC5883L進行誤差補償。最后基于時間的線性特性對傳感器進行校正，減小誤差。試驗表明，該方位傳感器精度高、可靠性好、適用廣泛，已經成功應用于DF- 6等多種型號無人機的姿態(tài)測量中。

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孫繼文（講師），主要研究方向為防空兵技術裝備作戰(zhàn)運用；趙國豪（教授），主要研究方向為傳感器技術及應用；王洪義（講師），主要研究方向為智能控制技術。

Magnetism-oriented lntelligent Sensor for Pilotless Aircraft Based on HCM5883L

Sun Jiwen，Zhao Guohao，Wang Hongyi
（Air Defense Force Academy，Zhengzhou 450052，China）

In the paper，the working principle of magnetism sensor and obliquity sensor is introduced，and the influence of pitch and roll angle measurement accuracy of the UAV during the flight is analyzed.A new type of UAV magnetic orientation sensor is designed，which is based on tri-axial obliquity sensor ADXL335，tri-axial magnetism sensor HCM5883L and C8051F350.According to the linear feature of time，a new method for error revising is proposed，which improves the precision of azimuth-measure.The experimental results show that the azimuth sensor has high precision and good reliability，and can meet the requirement of UAV azimuth angle measurement.

obliquity sensor；magnetism sensor；azimuth；feature of time

TP368.1

A

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2016-04-05）