一种三维磁感式磁罗经制造技术

一种三维磁感式磁罗经，涉及属于磁导航、定位等技术领域。本发明专利技术是为了解决国内磁感效应原理磁罗经传感器缺失的问题。本发明专利技术所述的一种三维磁感式磁罗经以磁感效应为基础，并运用现代数字信号处理技术，采用FPGA和DSP模块化设计方法，实现对传感器的信号提取工作。采用脉冲信号激励替代传统的方波激励方式，可有效降低了磁传感器检测电路的功耗。三维磁感应传感器采用集成三维磁芯结构，有效降低传感器的正交偏差，并利用FPGA实现三维磁信号高速同步采集处理，提高了磁罗经的航向角检测精度。磁感应传感器激励采用脉冲激励方法降低器件功耗，同时磁罗经采用DSP处理器进行智能磁补偿和姿态自补偿技术，使磁罗经具有较好的环境适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种三维磁感式磁罗经
本专利技术属于磁导航、定位等
，尤其涉及磁罗经技术。
技术介绍
智能磁罗经传感器是一种利用地球磁场测量方向的重要导航工具，能实时提供机动目标的航向和姿态，广泛地应用在航空、航海、车载定位、深海探测等领域。通过现代科学技术的发展，人们把磁罗经传感器与电子线路、微控制器集成，以数字量精确的给出地理航向角，由于这种磁罗经没有可动部件，具有良好的抗冲击性，且结构简单、体积小、重量轻、成本低、智能自动校准等特点。地球磁场强度大约为0.5～0.6gauss，与地球表面平行的分量总是指向磁北极。目前的电子磁罗经按设计原理不同，分为三种原理：磁通门式、磁阻效应式和磁感效应式。磁通门式磁罗经传感器为了达到较高的灵敏度，必须增加线圈横截面积，所以一般体积大、功耗大，处理电路相对复杂，成本高。磁阻效应式磁罗经具有结构简单、灵敏度高、线性度好等特点，但是其灵敏度、线性度与量程相互制约，存在交流零位信号，不宜高频动态测量。磁感效应式传感器是一门新兴技术，采用磁感效应原理。磁感效应原理是运用纳米珀莫合金和漆包线制作特制电感，在外磁场和线圈电流的影响下，电感的磁性材料会有磁化效应，当趋于磁饱和时，磁导率μ和外界磁场强度H成反比。铁芯被磁化时，会满足趋于磁饱和条件电感L和导磁率μ成正比，所以通过测量因磁场变化而引起电感变化来衡量地磁场强度。目前美国PNI公司推出采用磁感效应原理磁罗经传感器，其采用LR谐振施密特触发器作为传感器激励电路，实现了对地磁场的高精度测量。该系列传感器被广泛应用在航天、航空、工业等诸多领域。国内在该项
未见相关报道及产品。专利技术内容本专利技术是为了解决现有技术中磁感效应原理磁罗经传感器技术缺失的问题，现提供一种三维磁感式磁罗经。一种三维磁感式磁罗经，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。上述三维磁感传感器包括：Z向磁芯1、Z向线圈2、X向线圈3、X向磁芯4、Y向磁芯5、Y向线圈6和塑料基座7；塑料基座7为正方体，Z向磁芯1的一端、X向磁芯4的一端和Y向磁芯5的一端分别固定在塑料基座7的三个面上，该塑料基座7的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向线圈2、X向线圈3和Y向线圈6分别缠绕在Z向磁芯1、X向磁芯4和Y向磁芯5上。上述FPGA的频率计模块包括：时差信号采集单元和磁场强度信号获得单元；时差信号采集单元：实时采集三维磁感传感器输出的时差信号，该时差信号包括X轴正向时差信号τpX、X轴反向时差信号τNX、Y轴正向时差信号τpY、Y轴反向时差信号τNY、Z轴正向时差信号τpZ和Z轴反向时差信号τNZ；磁场强度信号获得单元：所述磁场强度信号包括X轴磁场强度HX、Y轴磁场强度HY和Z轴磁场强度HZ；利用下式获得X轴磁场强度HX：HX＝k(τpX-τNX)，利用下式获得Y轴磁场强度HY：HY＝k(τpY-τNY)，利用下式获得Z轴磁场强度HZ：HZ＝k(τpZ-τNZ)，上式中k均为修正系数。上述圆形旋转极值修正单元中，所述磁干扰修正信号包括X轴磁干扰修正信号H′X和Y轴磁干扰修正信号H′Y，所述对磁场强度信号进行磁干扰修正包括一次修正单元、判断单元和二次修正单元，一次修正单元：采用冒泡排序法获得X轴磁场强度极大值HXmax、X轴磁场强度极小值HXmin、Y轴磁场强度极大值HYmax和Y轴磁场强度极小值HYmin，利用下式获得X轴测量范围HXran、Y轴测量范围HYran、X轴偏移HXof和Y轴偏移HYof：根据偏移的圆心移动算法获得一次修正后的磁干扰修正信号，该一次修正后的磁干扰修正信号包括X轴一次修正信号H′X1和Y轴一次修正信号H′Y1：判断单元：判断X轴测量范围HXran和Y轴测量范围HYran的大小关系，若HXran>HYran，则对Y轴一次修正信号H′Y1进行二次修正，并将X轴一次修正信号H′X1作为X轴磁干扰修正信号H′X，将Y轴二次修正信号H′Y2作为Y轴磁干扰修正信号H′Y，若HXran<HYran，则对X轴一次修正信号H′X1进行二次修正，并将X轴二次修正信号H′X2作为X轴磁干扰修正信号H′X，将Y轴一次修正信号H′Y1作为Y轴磁干扰修正信号H′Y；二次修正单元：利用下式获得X轴二次修正信号H′X2和Y轴二次修正信号H′Y2：专利技术所述的一种三维磁感式磁罗经以磁感效应为基础，结合模拟信号处理技术，并运用现代数字信号处理技术，采用FPGA和DSP模块化设计方法，实现对传感器的信号提取工作。使本专利技术所述的一种三维磁感式磁罗经具有精度高、高稳定性、功耗低、体积小且具备智能自补偿功能等特点。采用脉冲信号激励替代传统的方波激励方式，可有效降低了磁传感器检测电路的功耗。三维磁感应传感器采用集成三维磁芯结构，有效降低传感器的正交偏差，并利用FPGA实现三维磁信号高速同步采集处理，提高了磁罗经的航向角检测精度。磁感应传感器激励采用脉冲激励方法降低器件功耗，同时磁罗经采用DSP处理器进行智能磁补偿和姿态自补偿技术，使磁罗经具有较好的环境适应能力。附图说明图1为一种三维磁感式磁罗经的结构示意图；图2为三维磁感传感器的结构示意图；图3为三维磁感传感器工作时，磁场变化强度曲线图，其中A为无外磁场的情况，B为有外磁场的情况；图4为激励电路的电路结构示意图；图5为一组线圈激励电路的激励信号波形图；图6为三维加速度传感器的电路图；图7为三维陀螺仪传感器的电路图。具体实施方式具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种三维磁感式磁罗经，它包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。...

【技术特征摘要】
1.一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，它包括：激励电路、三维磁感传感器、三维加速度传感器、三维陀螺仪传感器、AD芯片、FPGA和DSP；FPGA包括：频率计模块、AD控制模块和SPI总线模块；DSP包括：圆形旋转极值修正单元、卡尔曼滤波融合倾角单元和磁罗经倾角补偿及485总线输出单元；激励电路的脉冲信号输出端连接三维磁感传感器的脉冲信号输入端，FPGA的激励方向控制信号输出端连接激励电路的激励方向控制信号输入端，三维磁感传感器的时差信号输出端连接频率计模块的时差信号输入端，三维加速度传感器的加速度模拟信号输出端连接AD芯片的加速度模拟信号输入端，AD芯片的加速度数字信号输出端连接AD控制模块的加速度数字信号输入端，三维陀螺仪传感器的陀螺仪信号输出端连接SPI总线模块的陀螺仪信号输入端；频率计模块的磁场强度信号输出端连接圆形旋转极值修正单元的磁场强度信号输入端，AD控制模块的信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的加速度数字信号输入端，SPI总线模块的陀螺仪信号输出端连接卡尔曼滤波融合倾角单元的陀螺仪信号输入端，圆形旋转极值修正单元的磁干扰修正信号输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的磁干扰修正信号输入端，卡尔曼滤波融合倾角单元的姿态角输出端连接磁罗经倾角补偿及485总线输出单元的姿态角输入端，该姿态角包括：俯仰角θ和横滚角φ；圆形旋转极值修正单元：实时采集磁场强度信号，对磁场强度信号进行磁干扰修正，获得磁干扰修正信号；卡尔曼滤波融合倾角单元：实时采集加速度数字信号和陀螺仪信号，并利用卡尔曼滤波融合倾角算法获得磁罗经传感器的姿态角；磁罗经倾角补偿及485总线输出单元：实时采集磁干扰修正信号和姿态角，并利用倾角补偿算法获得倾角补偿修正信号，利用该倾角补偿修正信号、俯仰角θ和横滚角φ获得航向角ψ。2.根据权利要求1所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，三维磁感传感器包括：Z向磁芯(1)、Z向线圈(2)、X向线圈(3)、X向磁芯(4)、Y向磁芯(5)、Y向线圈(6)和塑料基座(7)；塑料基座(7)为正方体，Z向磁芯(1)的一端、X向磁芯(4)的一端和Y向磁芯(5)的一端分别固定在塑料基座(7)的三个面上，该塑料基座(7)的三个面分别两两相互垂直且相邻，Z向线圈(2)、X向线圈(3)和Y向线圈(6)分别缠绕在Z向磁芯(1)、X向磁芯(4)和Y向磁芯(5)上。3.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，Z向线圈(2)、X向线圈(3)和Y向线圈(6)均为0.01mm漆包线线圈。4.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，塑料基座(7)的材料为聚碳酸酯材料。5.根据权利要求2所述的一种三维磁感式磁罗经，其特征在于，所述激励电路包括三组完全相同的线圈激励电路，所述一组线圈激励电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和放大器；电阻R2的一端连接电源地，电阻R2的另一端同时连接放大器的反向信号输入端、开关S2的一端和开关S3的一端，电阻R4的一端连接基准电压，电阻R4的另一端同时连接放大器的正向信号输入端和电阻R1的一端，放大器的正负极分别连接电源正极和电源地，放大器信号输出端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接电阻R1的另一端、肖特基二极管D1的正极、开关S1的一端和开关S4的一端，开关S4的另一端和开关S3的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的一个连接端，开关S2的另一端和开关S1的另一端相连并作为三维磁感传感器线圈的另一个连接端，肖特基二极管D1的负极连接肖特基二极管D2的负极，肖特基二极管D2的正...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立凯，付士民，宫占江，黄辉，齐娜，桂永雷，张鹏，李金平，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23