电子罗盘在GPS导航设备中的使用

电子罗盘在GPS导航设备中的使用

 

一、常用的GPS导航设备的选择：

随着科技的发展，商用的GPS导航设备已经进入了许多平常百姓的家庭。车载、手持的自主型GPS导航设备也已经比较普及。GPS的精确定位功能在工程测量、车辆调度、野营探险等活动中也应用广泛。

GPS全称Global Position System（全球定位系统），它是由美国军方出资研发的一套精确定位系统，共有32颗卫星覆盖全球（正常工作卫星24颗，8颗备用），在导航、定位等方面能起到很大的作用。目前GPS系统在许多商用的领域也得到了广泛的应用。虽然GPS的性能优越，但在城市中使用、特别是在一些高楼林立的大中型城市中的使用还是存在一定的不足。因为GPS的数据必须通过接收卫星的数据进行解算后才能得到，那用户如果处于一处密闭的环境中、或者在干扰较强的环境中，GPS信号的可用性就会大打折扣。比如车辆驶入一处隧道中，GPS的信号就会产生短暂的中断，所以单单依靠这样的信号会产生很大的不稳定性。特别是GPS信号中的一些定位信息、方向信息、速度信息，在这个时候都不可用了。如何克服GPS的这一局限性问题便不得不说了。

使用GPS的辅助型导航设备可以说是目前比较好的一种选择。比较常用的方法是用惯性导航设备和GPS配合使用。在实际使用中有以GPS为主惯导为辅和以惯导为主GPS为辅的两种方法。框图如下：

 

GPS

惯导

组合处理器

天线

GPS信号

惯导信号

组合信号

GPS系统和惯导系统同时使用时，一般是靠一方采集的数据实时校验另一方数据。这样组合的目的是为了提供比单一传感器更可靠、精度更高的导航服务。在一方的数据不稳定时可以使用另一个有效的数据作为参考，这样就能做到误差尽量小、精度尽量高。特别是、唯有组合才能实现：在中断接收GPS信号期间、维持规定等级的导航性能；减小GPS导航解算中的误差随机分量；在大动态和存在严重干扰的情况下保持GPS解算的可用性。

惯性导航系统的种类很多，用在导航设备中的通常会有电罗经和磁罗经。由于精度较高的电磁罗经的价格非常高，所以在商用领域采用一些成本较低的电磁传感器件作为罗经使用，精度虽然没有专用的罗经那么精确，但也能满足一般用户的使用需要了。

二、硬件设计：

霍尼韦尔(Honeywell)是一家大型的跨国企业，它生产的很多传感器件已经应用在了我们生活的各个领域，也得到了广泛的认可。本设计选用了Honeywell的磁力线传感器件HMC105X系列，这是一种高灵敏度的磁力线传感器件，该传感器内部包含了x和y方向的两组磁力敏感电路，能感受由于周围磁场变换而产生的微弱变化，并且将这一变换转化成相应的电压值输出。该系列器件能够在电子罗盘，导航系统、医疗设备、定位辅助等方面发挥作用。

 

HMC1052的输出使用差分方式，这是因为通过磁力的变化而产生的相应电压输出是比较微弱的(HMC1052能感受到低于120微高斯的磁力变化)，而使用差分方式输出能有效地提高精度降低误差，抗干扰性也会比较强。输出后通过一级运算放大器可以将信号放大提高采样的精度，然后经过AD采样便能将模拟信号数字化，得到量化的电压信号。可以使用12或16位的AD采样以提高采样精度。

因为HMC1052是通过感应磁力线获得方向数据的，所以在硬件设计时应尽量避免在该器件周围的磁力线干扰，在器件周围尽量少的使用金属物质，并在布线时考虑到走线对磁力线的影响。在器件周围需要留出相对较大的布线空间以防止受到影响。另外x，y轴相互之间也会存在影响，误差在3%左右。

 

三、软件设计：

在正常情况下，HMC1052获得的数据是成正弦分布的。但是由于干扰的存在，对于电子罗盘的校正就是不得不作的工作。当处在一个相对稳定的磁场环境中时，通过校正取得x,y轴的基准参数，可以使以后获得数据尽量准确。但是如果处在一个极不稳定的磁场中时，校正的作用也会变得微不足道，因为磁场不断的变化，这一时刻校正参数到下一时刻可能就无效了。所以，在使用电子罗盘之前，先要保证周围没有连续变化的强磁场的干扰。

正常情况下经过校正获得的数据

 

 

 

 

存在干扰的情况下读出的数据

 

电子罗盘的校正参数有两种：一种是出场设置的固定偏差参数，也就是器件的安装位置相对于正北方向形成的夹角。这个是相对不变的，器件一旦装上之后误差就固定了。另一个是动态的校正参数，是由于周围磁场的变化而引起的方向的改变。需要校正的是后一个参数。

采用的方法是这样：先将罗盘沿固定方向旋转一圈采集数据，一定要确保在四个顶点的方向能采到有效的数据，因为主要是通过这四个顶点得到的数据计算出参数的。缓慢的旋转确保采到足够有用的数据后，计算出参数并且重新设置罗盘。接着再旋转一圈读取数据进行校验，如果偏差还是比较大则输出校验失败，否则校验成功。注意旋转的方向应该尽量保持一致，这样才能均匀的采到各个点的数据。

 

旋转一圈采集数据

是否有了足够的有效数据

计算参数，设置罗盘

旋转一圈采集数据

校验后的数据是否有效

校验成功

校验失败

否

是

否

是

 

四、参考资料：

1，  HMC105X datasheet

2，  电罗经算法参考 pdf

3，  《GPS原理》