Застосування магніторезистивних датчиків в системах навігації
Застосування магніторезистивних датчиків в системах навігації
Велика частина навігаційних систем сьогодні використовує будь-якої тип магнітного датчика для визначення свого положення відносно сторін світу. Використовуючи магнітне поле Землі, електронний компас, заснований на магніторезистивних датчиках, може визначити азимут об'єкта з точністю до 0,1 °. У даній статті розглядається задача побудови компаса з точністю до 1 °, а також деякі аспекти його застосування.
Магнітне поле ЗЕМЛІ
Моделлю магнітного поля Землі може бути диполь, як це показано на рис. 1. На малюнку видно, що магнітне поле направлено вниз в північній півкулі (кут падіння близько 70 °), вгору - в південному і паралельно земної поверхні - на екваторі. Напруженість магнітного поля Землі становить приблизно 0,5. 0,6 Гс.
У будь-якому випадку магнітне поле Землі має компонент, паралельний земної поверхні і спрямований строго на північний магнітний полюс. Даний компонент і використовується для визначення азимута.
Термін "магнітний північний полюс" підкреслює, що географічний полюс Землі відрізняється від магнітного на 11,5 °. Географічний магнітний полюс визначається віссю обертання Землі і є вихідною точкою меридіональних ліній на карті. Різниця в розташуванні магнітного і географічного полюсів призводить до помилки визначення азимуту до ± 25 °. Ця помилка носить назву кута відмінювання і може бути визначена зі спеціальних таблиць в залежності від конкретного географічного місця розташування.
Таким чином, завдання знаходження азимута складається з двох кроків:
1. визначення горизонтальних компонент Х і У магнітного поля Землі (будемо вважати вісь А "паралельної осі руху);
2. додавання кута відмінювання для визначення справжнього напрямку на північ.
ОСНОВИ ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ
Існує багато типів датчиків маг-нітнoгo поля: індуктивні, магніто-резистивні, магнітоіндукційні і т.д. Для більшості електронних компасів сучасних навігаційних систем застосовуються індуктивні датчики, що представляють собою котушку індуктивності з сердечником, що забезпечують чутливість до магнітного поля з напруженістю менше 1 МГС і володіють низькою вартістю. Однак, такі датчики дуже громіздкі і тендітні, а також мають велике час відповіді - до 2. 3 с. Ця затримка може бути неприйнятною при навігації швидко рухаються.
Іншим типом магнітних датчиків є магніторезистивні датчики. Ці датчики виготовляються у вигляді тонкої смуги пермаллоя, опір якого залежить від зовнішнього магнітного поля. Магніторезистивні датчики мають строго певну вісь чутливості і виробляються у вигляді інтегральних мікросхем. Чутливість датчиків досягає 0,1 МГС, час відповіді - менше 1 мкс. Таким чином, магніторезистивні датчики дозволяють проводити вимірювання поля з частотою більше 1000 разів / с.
КОНСТРУКЦІЯ КОМПАСА
При навігації рухомих об'єктів виникає необхідність точного визначення напрямку руху. Таку інформацію можна отримувати за допомогою системи GPS, яка приймає інформацію з супутників і дозволяє визначати місцезнаходження об'єкта з точністю до 5 м. Однак така система не завжди працює в міських умовах, при проході різних тунелів і т.д. В цьому випадку навігаційна система повинна орієнтуватися на свідчення електронного компаса. Розглянемо варіант недорогого і простого у виготовленні електронного компаса на базі магниторезистивного датчика НМС1002 фірми Honeywell.
Для досягнення точності в Г потрібно датчик, що дозволяє вловити зміна кута положення на 0,1 °, що має низький гістерезис (<0,05%) и высокую степень линейности (ошибка <0,5%). Магнитное поле по координатам X и Y обычно лежит в диапазоне 200. 300 мГс — на экваторе больше, у полюса меньше. Используя соотношение для азимута
Для побудови цифрового компаса пропонується використовувати схему, наведену на рис. 2. Основою компаса є двоканальний магніторезіс-тивний датчик НМС1002, що дозволяє вимірювати одночасно напруженість магнітного поля по осях Х і Y. Сигнал з виходу подається на 16-біт АЦП AD7705, що дозволяє досягти необхідного дозволу в 1 °. Застосування даної мікросхеми за рахунок можливості завдання коефіцієнта посилення програмним способом дозволяє відмовитися від додаткового застосування операційного підсилювача для посилення диференціального сигналу з виходу датчика (діапазон вихідної напруги датчика зазвичай становить ± 30 мВ), що підвищує гнучкість системи. Отримані значення надходять на мікроконтролер, що має порт для внутрисхемного програмування і виробляє необхідні математичні обчислення. Результат обчислення азимута по послідовному порту виводиться безпосередньо в систему навігації або на пристрій відображення.
При впливі на магніторезіс-тивний датчик сильного зовнішнього магнітного поля може спостерігатися ефект залишкової намагніченості, що пов'язано з внутрішньою структурою пермаллоя. Для запобігання спотворень в показаннях необхідно подати імпульс set / reset [3], що забезпечується за допомогою
транзисторної збірки IRF7105. У нормальному стані керуючий висновок процесора знаходиться в стані "лог. 1". Для подачі імпульсу set / reset висновок короткочасно переводиться у стан "лог. Про", а потім повертається до "лог. 1". При автономній роботі компаса дану процедуру доцільно проводити кожні 20. 30 с, що також дозволить позбутися від температурного дрейфу датчика.
Перед обчисленням азимута необхідно унормувати показники датчиків. Так як характеристики каналів всередині датчика не ідентичні, потрібно ввести поправочні коефіцієнти:
ми можемо визначити потрібну установку. Для отримання дозволу в 0,1 градус при напруженості поля в 200 МГС необхідно, щоб чутливість датчика була не менше 0,35 МГС. Магніторе-зістівние датчики, що випускаються сьогодні, забезпечують чутливість 0,07 МГС, маючи п'ятикратний запас.
Для цього необхідно зробити повний оборот в горизонтальній площині і визначити максимальні і мінімальні показники датчиків по осях X і Y. Обчислення поправочних коефіцієнтів проводяться за формулами:
При обчисленні азимута треба враховувати, що при Х = 0 виникає ситуація поділу на нуль і доцільно користуватися наступними співвідношеннями:
КОМПЕНСАЦІЯ ЗОВНІШНІХ чинників, що заважають
Наведений вище алгоритм добре працює на відкритій місцевості при відсутності предметів, що вносять спотворення в магнітне поле Землі.
Чи і магнітного поля транспортного засобу. Таким чином, для визначення магнітного поля Землі необхідно заздалегідь визначити компенсацію додаткового магнітного поля [4].
Малюнки 3 і 4 показують спотворення, що вносяться додатковим магнітним полем в показання датчиків. Як видно з рис. 3, показання датчика при його обороті на 360 ° утворюють коло з центром на початку координат. Магнітне поле транспортного засобу перетворює цю окружність в еліпс і зміщує центр. Таким чином, для внесення компенсації необхідно визначити два масштабуючих коефіцієнта Xsf і Ysf, що перетворюють еліпс в коло, і дві коригувальні величини Xoff і Yoff. повертають центр окружності в точку початку координат. В цьому випадку величини X і V для розрахунку азимута обчислюються по системі рівнянь (4):
де Xd і Yd - свідчення відповідних датчиків.
Найпростіший метод калібрування полягає в наступному:
- рухливий об'єкт з встановленим на ньому компасом повертається на 360 ° в горизонтальній площині
- визначаються максимальні і мінімальні показники датчиків по осях X і У
- за допомогою чотирьох нижченаведених формул визначаються масштабуючі коефіцієнти (Xsf, Ysf) і коригувальні величини (Xoff, Yoff):
ВИСНОВОК
Наведена схема при точній настройці забезпечує точність обчислення азимута більш ± 1 ° і можливість введення компенсації зовнішніх спотворюють магнітних полів. При експлуатації даного пристрою слід враховувати, що точне визначення азимуту можливо тільки при його горизонтальному положенні. Для забезпечення можливості роботи компаса в похилому положенні необхідно ввести датчик по осі координат Z, а також додатковий датчик крену і нахилу. В цьому випадку пристрій значно ускладнюється і його ціна істотно зростає.
- Grant G.A. Klinkert J. The Ship's Compass, 2d ed 1970
- Barber G. W. Aarott A.S. History and Magnetics of Compass Ad / ust / n. IEEE Trans. Magn. Nov. 1988
- Set / Reset Pulse Circuits for Magnetic Sensors. Honeywell Application Note. AN-201
- Caruso M.I Applications of Magneto-resistive Sensors in Navigation Systems. Honeywell, www.ssec.honeywell.com