电子罗盘,原来可以这么玩
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2021-11-22 09:09:00

电子罗盘(Compass),看似遥远,但其实就在我们身边,您手上的智能手机有指南针功能吧,对,它就是采用了电子罗盘传感器。其实,不单单如此,它可以说已经渗透到了我们生活的方方面面。

不信?在探讨了电子罗盘的技术特点后,本文将带您瞧瞧电子罗盘各种各样、五花八门、好玩有趣的应用!

电子罗盘传感器的分类

一般的分类包括:磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。

其中霍尔效应传感器是我们最常见的,优点是体积小,重量轻,功耗小,价格便宜,接口电路简单,特别适用于强磁场的测量。但是,它又有灵敏度低,噪声大,温度性能差等缺点。

考虑到霍尔传感器精度低、磁阻传感器耗电的问题,ROHM于2013年开始与爱知制钢株式会社开展业务合作,联合开发出在精度、耗电等方面领先现有技术的采用MI元件的地磁传感器。MI元件是指给特殊的非晶丝施加脉冲电流,通过非晶丝周边形成的拾波线圈(Pickup Coil)检测此时的Magneto-Impedance变化的元件。ROHM的BM14××系列,这种地磁传感器(MI传感器)具有以下两个特点:

1,检测精度误差在世界任何地方均可达±0.3度以下。

与搭载了高灵敏度MI元件和超强抗噪的高精度A/D转换器的模拟前端电路相结合,成功将σ噪音的影响降低到0.06μT,仅为普通产品的1/7。由此,实现了业界最高的方位检测精度误差±0.3度以下。

2,非常适合移动设备的超低功耗。

普通的地磁传感器为提高精度,需要增加感测(运算)次数,求出平均值,但高灵敏度的MI传感器即使减少感测次数也可实现高精度,因此,可大幅降低运算处理所需的电量。本产品实现了业界最小的耗电量0.15mA(100Hz时),仅为普通产品的1/20,非常有助于智能手机和可穿戴式设备的长时间使用。

地球磁场分布

地表磁场的分布,从南美的25uT到中国北部的60uT。

我们导航用途中,所关心的是沿地平面方向的磁场分量,是从0(磁极)到40uT。

compass传感器校准及角度计算

传感器为什么要校准?

1,各家原厂的compass传感器出厂都有较大误差。compass的3个轴的偏差甚至会超过地磁信号,所以未校准的地磁数据就没有意义了。如图所示,以一款性能很好的compass传感器为例,零磁通量时,误差正负100uT,这是超过地磁本身的。

2,同样,我们产品组装时会有铁质的螺钉、铁壳等,而且还会有喇叭、振动马达等有磁性的组件。这些距离我们的compass传感器很近时,都对传感器附近磁场产生很大影响。

如图,我们实际做过实验,铁质的螺丝刀靠近传感器时,对传感器数据影响很大。

不用担心上述两种情况造成的影响还是比较容易校准的。

如图,只考虑Z轴垂直于地面情况,以Z轴为圆心,XY在地平面方向旋转360,记录Hxmax、Hxmin值以及Hymax、Hymin的值。这样就可以计算出0磁通时的XY轴偏移量(Hxmax+Hxmin)/2,(Hymax+Hymin)/2,以及XY轴之间的微调系数(Hxmax-Hxmin)=k(Hymax-Hymin)。结合图中公式便可以计算出偏航角。

考虑三维空间情况,校准动作就会复杂一些,计算也会复杂一些。而且需要Gsensor的数据来修正。立体8字形校准方法,理论上要求compass传感器3个轴的采样点采集完一个球面的所有位置。在足够多的采样点后,我们就可以按照上述方法,修正掉XYZ三轴的偏移量,以及修正三轴的比例系数,然后根据G-sensor数据修正姿态,计算出可信的当前偏航角。

电子罗盘这么玩

电子罗盘应用广泛,高精尖的航天、航空、航海都离不了它。

厉害了,我的电子罗盘!

那么在我们的生活中,它有哪些和我们密切相关的用处呢?

手机导航

我们最最熟悉的就是手机导航啦,拿着手机,地图跟着你的方向转,这就是电子罗盘的功劳。

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