目前, 導航系統(tǒng)在汽車、航海、航空等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。電子羅盤是導航系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。

GPS導航定位的缺陷

1、雖然GPS在導航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于其信號常被地形、地物遮擋，導致精度大大降低,其信號可用性僅為60% ，甚至不能使用。

產(chǎn)生不精確定位的原因包括：

①多路徑效應(yīng)：建筑物對GPS信號的反射;

②陰影：城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被下，信號接收效果較差;

③在隧道、地下停車廠造成的信號失鎖;

④在接收信號差的地區(qū)延長了初始化時間;

⑤一些動態(tài)影響，如汽車大幅度增速與減速等。

以上原因都會導致GPS無法提供任何位置或者定位精度陡然下降。

2、在靜止的情況下，GPS也無法給出航向信息。

高精度電子羅盤可以對GPS信號進行有效補償，保證導航定向信息100%有效，即使是在GPS信號失鎖后也能正常工作，做到“丟星不丟向”。

3、安全及可靠性風險。

美國出于自身利益上的考慮，從不承諾不實施SA干擾和區(qū)域關(guān)閉，這更給GPS用戶帶來很大疑惑和擔心。因此，將GPS與電子羅盤相結(jié)合，二者相互補充，組合使用是導航領(lǐng)域的理想選擇。例如：美國雖然其完全獨立掌握GPS 的衛(wèi)星資源，但為了使系統(tǒng)更加可靠，使導航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要裝備上仍加裝了C100電子羅盤。

相對于其他導航手段而言,地磁導航起步得比較晚。在20世紀60年代中期,美國的E2systems公司提出了基于地磁異常場等值線匹配的MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系統(tǒng), 70年代獲得測量數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)進行了離線實驗。20世紀80年代初,瑞典的Lund學院對船只的地磁導航進行了實驗驗證,實驗中將地磁強度的測量數(shù)據(jù)與地磁圖進行人工比對,確定船只的位置,同時根據(jù)距離已知的兩個磁傳感器的輸出時差,確定船只的速度。

地磁場模型與地磁圖是研究地磁導航制導技術(shù)的基礎(chǔ),地磁場建模和地磁圖的精確程度是決定地磁導航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。

地磁場和航向角

地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間) 而異。地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強度為0. 3 至0. 6 高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間) 而異。

如圖所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和當?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強度大小的單位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來。

實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角(Azimuth)就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測數(shù)據(jù)就可以計算出航向角。當羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0—360度之間變化。

早期,采用機械式磁羅盤。機械式磁羅盤主要由若干平行排列的磁針、刻度盤和磁誤差校正裝置組成,磁針固裝在刻度盤背面,在地磁影響下,磁針帶刻度盤轉(zhuǎn)動,用以指出方向。隨著適宜于地磁場測量的磁通門傳感器及AMR傳感器的出現(xiàn),磁電子羅盤逐漸問世。這種電子式的磁羅盤相對于機械式磁羅盤具有一些突出的優(yōu)點,如抗沖擊性、抗震性,能夠?qū)﹄s散磁場進行補償,輸出電信號,可方便地與其它電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。

電子羅盤原理

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。

三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進行補償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補償。

三維磁阻傳感器采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值;向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場的分矢量調(diào)整到最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號進行放大后送入MCU進行處理。

1、當儀器與地表面平行時，僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位值。

2、當儀器發(fā)生傾斜時，方位值的準確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來測量俯仰和側(cè)傾角，這個俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤將俯仰和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，將磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位置“拉”回到水平的位置。

標準的轉(zhuǎn)換計算式如下：

Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr=Xcosβ+Zsinβ

其中，Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值，X、Y、Z為三個方向的矢量值，α為俯仰角，β為側(cè)傾角。

電子羅盤的主要特點

1、三軸磁阻效應(yīng)傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。

2、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。

3、內(nèi)置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4、內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角。

5、具有簡單有效的用戶標校指令。

6、具有指向零點修正功能。

電子羅盤主要用途

1、電子羅盤主要用于輔助GPS導航及在靜止狀態(tài)獲取航向，具體包括加速度和方向的定位、傾角測量等功能。

2、加速度和方向的定位。電子羅盤應(yīng)用三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償，可以和GPS配合可以做盲區(qū)導航，和GOOGLE地圖配合可以做導航，還可以和加速度配合做三維定位，還可以根據(jù)電子羅盤的讀數(shù)，地圖自動旋轉(zhuǎn)到用戶方便讀取的方向，讓顯示的地圖方向始終按照你的行進方向自動變換，也就是可以把它當做專業(yè)的指南針使用，說的簡單點也就是加速度和方向的定位。

3、傾角測量。三維的電子羅盤，不僅具有指南針功能，還可以實現(xiàn)傾角的測量，和陀螺儀類似，站在一個斜坡上，可以計算出這個斜坡的角度，不過最重要的就是都可以在開飛機的時候使用，不干擾飛機飛行。

電子羅盤的缺陷

電子羅盤的原理是測量地球磁場，但若使用的環(huán)境中有除了地球以外的磁場且這些磁場無法有效屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。

電子羅盤分類

電子羅盤按照有無傾角補償可以分為：

平面電子羅盤

平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當羅盤發(fā)生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向并沒有變化。

雖然平面電子羅盤對使用時要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。

三維電子羅盤

三維電子羅盤集成三軸磁通門傳感器，在平面電子羅盤基礎(chǔ)上加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準確無誤。通過中央處理器實時解算航向，以及使用三軸加速度計對大范圍內(nèi)的傾斜角進行航向補償，保證羅盤在傾斜角度高達±90°也能提供高精度的航向數(shù)據(jù)。

電子羅盤按照傳感器的不同分為：

磁阻效應(yīng)傳感器

根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成。磁阻傳感器的靈敏度和線性度已經(jīng)能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯由于霍爾器件，使它在某些應(yīng)用場合能夠與磁通門競爭。但是其固有的缺點翻轉(zhuǎn)效應(yīng)缺點使得磁阻效應(yīng)傳感器在集成入微系統(tǒng)時的強的脈沖電流將威脅系統(tǒng)中的微處理器等其它電路的可靠性。

霍爾效應(yīng)傳感器

根據(jù)半導體材料的霍爾效應(yīng)制成。優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強磁場的測量。缺點是有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等，一般都是用于要求不高的場合。

磁通門傳感器

根據(jù)磁飽和法原理制成，利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。從三者的比較來看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，優(yōu)勢明顯，是電子羅盤的發(fā)展方向。

電子羅盤的結(jié)構(gòu)組成

一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響。

以意法半導體LSM303DLH實現(xiàn)成本低、性能高的電子羅盤為例。將上述的加速計、磁力計、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出。

軟件方面同樣以意法半導體LSM303DLH電子羅盤為例，基于Android的電子羅盤功能軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

核心驅(qū)動層：Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)，實現(xiàn)了從IIC或串口讀取經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和精度補償計算的航向角，完成電子羅盤硬件設(shè)備訪問。

硬件無關(guān)層：HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so，實現(xiàn)了對電子羅盤設(shè)備的驅(qū)動封裝訪問。

Framework層：實現(xiàn)Android系統(tǒng)中框架層的傳感器管理模塊對電子羅盤設(shè)備的管理。

應(yīng)用層：經(jīng)過library 的計算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運用由Android定義由Library提供的航偏角信息進行應(yīng)用程序的編寫?；陔娮恿_盤的應(yīng)用有Android的Skymap、IBMeye等。

電子羅盤的應(yīng)用

電子羅盤應(yīng)用廣泛，高精尖的航天、航空、航海都離不了它。

羅外電子羅盤(Compass)，看似遙遠，但其實就在我們身邊，您手上的智能手機有指南針功能吧，對，它就是采用了電子羅盤傳感器。其實，不單單如此，它可以說已經(jīng)滲透到了我們生活的方方面面。

那么在我們的生活中，它有哪些和我們密切相關(guān)的用處呢?

手機導航

我們最最熟悉的就是手機導航啦，拿著手機，地圖跟著你的方向轉(zhuǎn)，這就是電子羅盤的功勞。

媽媽再也不用擔心我找不到北啦~~

人肉導航

(哈，嚇一跳吧)，其實是這樣的：生活中有很多的路癡，每天都在為出門煩惱。為解決此難題，俄羅斯一小伙將電子羅盤植入體內(nèi)，用來感知方向。

這位小伙名叫丹尼爾.雷特金，他購入了一套價值250美元(折合人民幣1720.75元)的電子羅盤設(shè)備。在紋身師的幫助下，他成功把這個羅盤植入體內(nèi)。每當他轉(zhuǎn)向北面的時候，羅盤就會發(fā)生振動，幫助他辨別方向。不過這個電子羅盤的待機時間只有一天左右，所以雷特金幾乎每天都要把它取下來充電。

車載導航

目前的車載導航儀許多都整合了GPS和電子羅盤。特別是經(jīng)常進行越野活動的車主更是需要選擇帶電子羅盤的導航儀或多功能電子羅盤。由于GPS導航在一些地形復雜地區(qū)信號受到遮蔽，無法滿足正常的導航功能，而電子羅盤具有不需要接收信號的特點，可輔助導航。

此外還有多功能電子羅盤，這種羅盤一般集GPS氣壓測高儀和磁力線羅盤為一體，可以在高山等特殊環(huán)境下及時反映氣壓和高度的細微變化，而且在屏蔽狀態(tài)下也能顯示運動方向。無需配帶羅盤、角規(guī)、測高儀等繁瑣物件，方便用戶在戶外的工作旅行。

停車位檢測

現(xiàn)在很多的路邊停車和智能停車場，采用地磁方式檢測停車位是否有車。在沒有車或者車輛靜止后停車位的磁場相對穩(wěn)定;而當有車開到停車位以及離開時，會造成磁場的變化。

地磁檢測器埋于停車位位置，通過RF將檢測結(jié)果報告給附近的中繼器，最終信息匯總到停車位管理系統(tǒng)。整套系統(tǒng)最核心的，當然是地磁檢測部分。compass傳感器基本決定了檢測的可靠程度。路邊的自動收費停車位就是靠它!

無人機導航定位

電子羅盤作為無人機產(chǎn)品的重要組件，承載著為無人機引導絕對方位的功能。在無人機中，電子羅盤提供關(guān)鍵性的慣性導航和方向定位系統(tǒng)的信息。

機器人導航定位

如今機器人大家已經(jīng)不陌生了，各種玩具機器人，家庭服務(wù)機器人、醫(yī)療服務(wù)機器人、點餐機器人等等都已出現(xiàn)在大家的生活當中。

一般機器人利用加速傳感器和陀螺儀，基本可以描述設(shè)備的完整運動狀態(tài)。但是隨著長時間運動，也會產(chǎn)生累計偏差，不能準確描述運動姿態(tài)，比如操控畫面發(fā)生傾斜。電子羅盤利用測量地球磁場，通過絕對指向功能進行修正補償，可以有效解決累計偏差，從而修正設(shè)備的運動方向、姿態(tài)角度、運動力度和速度等。

審核編輯：黃飛

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