电子罗盘

电子罗盘（也称数字罗盘）通过测量地球磁场来完成航向计算，通常在GPS信号或网络无法有效补充时使用。它具有体积小、能耗低、精度高、小型化等优点，被广泛应用于无人机、船舶、汽车等领域的磁航向测量。然而，电子罗盘在使用过程中也存在一些固有的缺陷：易受外部磁场干扰和误差的影响，这是影响其测量精度、限制其应用的主要原因，因此，研究电子罗盘测量误差补偿方法十分必要。 目前，测量误差补偿方法有很多。例如，补偿系数法主要针对测量过程中的动态干扰，对静态干扰的补偿效果较差，应用范围也较小。另一种方法是自适应补偿法，该方法要求系统在直线运动或低速运动时能够达到较高的补偿精度，但如果系统旋转速度加快，测量精度将受到较大影响，因此，对于要求较高的应用场景，该方法的应用并不广泛。目前，如果仅采用单一的误差补偿模型来补偿罗盘误差，则无法满足测量系统的要求。本文提出了一种基于椭圆假设的误差补偿算法，该算法融合了最小二乘原理。该算法能够有效补偿电子罗盘的测量误差，具有计算量适中、应用范围广的特点。1.磁航向系统的误差分析当数字罗盘安装在载具上用于磁航向测量时，其测量误差由多种因素引起，大致可分为两类：一类是系统自身结构、材料、装配等原因造成的误差，包括罗盘本身误差、安装误差、制造误差等；另一类是姿态信号误差，虽然它不属于航向测量系统本身，但参与了航向参数的计算，也会导致测量误差。由于罗盘误差最难控制，且对航向精度影响最大，本文主要分析罗盘误差。罗盘误差主要由载具硬铁磁场的水平分量和软铁磁场的水平分量组成。大量实验研究表明，由移动载具上的硬铁磁场引起的误差为周期性误差，可用公式（1）表示，其规律近似为正弦曲线；由软铁磁场引起的误差可用公式（2）表示，其规律随环境磁场的变化而变化。 在哪里 ϕi 为航向角测量值，A、B、C、D 和 E 为误差系数。通过上述罗盘误差分析可知，电子罗盘的总罗数应为上述误差的代数和。因此，结合公式 (1) 和 (2) 求得总差值。 ∆ϕ  2.采用最小二乘法进行误差补偿最小二乘法（LS）可以通过最小化误差平方和来找到数据的最佳函数拟合。它易于获取未知数据，并能最小化未知数据与实际数据之间的误差平方和。最小二乘法也可用于曲线拟合，并常用于数据优化。 最小二乘法能够以最小方差为目标优化数据拟合。它是一种数学优化方法，可以补偿外部环境磁场干扰引起的误差。通常情况下，测量误差呈现一定的周期性，此时更合适的拟合方法是基于傅里叶函数数学模型的三角函数法，并根据标准罗盘提供的航向参数进行校正。下面简要介绍最小二乘法的基本原理。 当需要根据观测结果确定两个变量 y 和 x 之间的对应关系时，假设它们是线性的，则 t 时刻的 y 可以表示为： 其中 H1, H2, ..., Hn 为 n 个待确定的未知参数，x1(t), x2(t), ..., xt(t) 为已知的确定性函数，例如 t 的正弦函数和余弦函数。假设在时间 t1, t2, ..., tn 进行 m 次 y 和 x 的测量，希望通过估计变量 y 和 x1(t), x2(t), ..., xt(t) 的值来实现。那么公式 (4) 可以表示为矩阵形式：Y = X * H 利用最小二乘法，根据已知的方位角测量值，得到公式（3）所示的误差系数A、B、C、D和E的最小二乘估计值。 ϕi 和方位角误差 ∆ϕ具体计算步骤如下： ① 采用八点误差测量法。考虑到样本数量、数据计算量和测量精度，在航向角360度范围内，选取角度间隔相同的8个点，例如0、45、90、135、180、225、270和315度，进行航向误差测试，得到8组数据。 ② 误差系数A、B、C、D和E是根据最小二乘法原理得到的。通过前面的分析可知，当用最小二乘法计算出误差系数A、B、C、D和E后，即可通过计算公式计算出纠错后载体的实际航向，因此这里不再赘述具体的研究和分析。 3.总结杭州麦新敏微科技有限责任公司专注于导航产品，除了最小误差补偿方法外，还有椭圆误差补偿方法等其他补偿方法。在电子罗盘的研发过程中，技术日趋成熟，理论基础也日臻完善。除了不断优化寻北精度外，还具备倾斜补偿等功能。如果您对我们的产品感兴趣，欢迎进一步了解我们的低成本二维数字罗盘C9-C和40。° 倾斜补偿 - 3D 数字罗盘 C90-B 等，您可以随时联系我们的专业技术人员。C9-A采用先进3D补偿技术的高精度三维电子罗盘C9-B用于无人机的 Modbus RTU 模式二维电子罗盘C9-C高精度二维电子罗盘单电路板，可测量0至360度方位角。C9-D高精度二维电子罗盘单电路板，可测量 0 至 360 度方位角  

  电子罗盘具有自身独特的优势：其体积小、重量轻，方位信息的采集和解析是实时的，输出的数字信号使其在后续使用中更加直接便捷。目前，数字罗盘传感器技术的发展已较为成熟，在测量精度和制造成本方面具有一定的优势。由于数字罗盘在实际应用中广泛使用，因此需要大量适用于大规模产业化的高精度、低成本电子罗盘产品投入生产。  在当今社会，导航定向仪器的设计与研究具有重要的价值和意义。随着人类在太空领域的探索不断深入，人造卫星、航天飞机、导弹武器系统以及各种平台的稳定性维持、跟踪制导等功能都需要导航定向技术及相应的姿态调整装置的支持。综上所述，获取定向信息并实现相应的姿态控制在各项科学研究和工程实现中都起着至关重要的作用。 根据地磁场在一定时间范围内变化不大的特点，可以认为同一地点的地磁信息在短时间内是固定的，并且可以根据测量到的地磁强度信息，利用电子罗盘计算出方位角和姿态角等方位信息。 1. 地磁场的主要特征 作为地球的基本物理量，地磁场直接影响着地球环境中电磁物质的物理特性。地球磁矢量场的特性为方位信息提供了一个基本的坐标系，利用地磁信息进行导航稳定可靠，无需接收外部信息，且具有良好的隐蔽性。地磁场源于地球自身的结构。地球内部存在大量的磁性元素和物质，在地球内部极端环境的影响下会产生自由流动的电子。这些自由电子提高了地球内核和外核之间的导电性，导致自由电子在不同地层之间流动和运动。这使得地球整体在宏观层面上具有稳定的磁场，相当于地球中心存在一个具有恒定磁场的磁偶极子，从而产生了南北磁极。图1为地球磁场分布示意图。磁感应强度的单位是特斯拉 (T)，在高斯单位制中，T 等于高斯 (Gs)，二者之间的关系为 1T = 10⁻⁴Gs；磁场强度的单位是安培/米 (A/m)，在高斯单位制中，磁场强度的单位是奥斯特 (Oe)，二者之间的关系为 1A/m = 4π*10-3Oe 根据稳定性程度，地球磁场可分为基本地磁场、变化地磁场和异常地磁场。基本地磁场覆盖了大部分磁场，占地球总磁场的90%以上。基本地磁场又可分为偶极感应磁场和非偶极感应磁场，其中偶极感应磁场占主导地位，其磁场来源于高温高压环境下铁镍的环流运动；而非偶极感应磁场则主要由自激马达效应产生。基本地磁场本身也会发生变化，但变化周期很长，因此地球磁场整体上可以认为是稳定的。变化的电磁场产生于地球的电离层和磁层，磁场扰动主要与太阳活动有关，变化的电磁场可分为稳定变化和干扰变化。稳定变化发生在太阳历或月历周期内，主要由太阳电磁辐射或粒子辐射引起。磁暴现象是大范围地磁干扰现象，其主要表现为地磁场地面矢量分量的剧烈变化。异常地磁场源于铁磁材料的铁磁性，可以看作是对稳定地磁场的恒定矢量叠加。 2.电子罗盘误差分析 电子罗盘偏差，也称罗盘偏转，是指罗盘工作时，由于周围环境的铁磁干扰而导致的测量结果误差。如果没有相应的补偿环节，测量结果与真实值之间的偏差甚至可达数十度，这是因为地球磁场强度较弱，仅为0.5～0.6高斯。因此，电子罗盘的测量结果极易受到环境铁磁因素的干扰，而环境铁磁因素也成为电子罗盘误差的主要来源。 指南针干扰还可以分为硬铁干扰和软铁干扰。硬铁干扰是由永磁体或磁化体引起的。当永磁体受到外部磁场作用时，其整体磁矩不再为零，从而表现出磁性。在一定时间范围内，其产生的磁场强度可以视为恒定不变。即使外部磁场作用消失，这种永磁体在磁化效应后仍能保持相对稳定的残余磁场强度。综上所述，指南针上的干扰效应的位置和强度可以视为一种固定不变的稳定效应，其补偿手段也相对容易实现。 概括  Micro-Magic公司为航空航天、矿业钻探等工程项目提供工具和技术支持。目前，其电子罗盘系列产品，包括C9000-A、C9000-B、C9000-C、C9000-D等，具备软磁和硬磁补偿功能，在提高寻北精度方面发挥着重要作用。如果您想了解更多关于电子罗盘的信息，欢迎随时与我们的专业人员联系。C9000-A倾斜补偿磁罗盘传感器三轴磁航向偏航角测量仪C9000-B采用先进硬铁和软铁校准算法的高精度全姿态三维电子罗盘板，可进行数字输出C9000-C磁通门罗盘、陀螺补偿罗盘、六轴罗盘、电子偏航航向传感器C9000-D用于天线塔方位角测量的高性能航向传感器，低成本方位角传感器，用于测量塔架航向角 

要点 产品电子罗盘（C9000-B 及其他型号）特征:• 利用三维磁阻传感器进行地磁场测量• 内置加速度计，用于静态稳定性和倾斜补偿• 使用卡尔曼滤波算法进行噪声抑制和最优状态估计• 提供数字输出信号，可直接与控制系统集成优势:• 高精度和稳定性，适用于动态环境• 低能耗、体积小巧、重量轻• 防抖防震，是航空、机器人、自动驾驶车辆和导航系统的理想之选• 能够补偿硬磁干扰和软磁干扰• 可集成到控制回路中，用于自主导航或设备维护等应用电子罗盘，又称数字罗盘，是利用地球磁场确定北极的方法，已被广泛用作导航仪器或姿态传感器。古代它被称为罗盘，而现代先进加工技术生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了强有力的支持。如今，电子罗盘通常由磁阻传感器或磁通门等芯片加工而成。它可以应用于水平和垂直孔径测量、水下勘探、飞机导航、科学研究、教育培训、建筑物定位、设备维护、导航系统等领域。 与传统的指针式和平衡框架式罗盘相比，数字罗盘具有能耗低、体积小、重量轻、精度高、小型化等优点。其输出信号经处理后可以数字化显示。它不仅可以用于指向，还可以将数字信号直接发送到自动舵，以控制船舶的运行。目前，三轴捷联式磁阻数字罗盘应用广泛。这种罗盘具有抗抖动、抗振动、航向精度高、可电子补偿干扰场等优点，并且可以集成到数据链路的控制回路中，因此广泛应用于航空、航天、机器人、导航、车辆自主导航等领域。 1.电子罗盘的组成C9000-B三维电子罗盘由三维磁阻传感器、倾角传感器和微控制器（MCU）组成。三维磁阻传感器用于测量地磁场，倾角传感器用于补偿磁力计的非水平状态。微控制器处理来自磁力计和倾角传感器的信号，并进行数据输出以及软铁和硬铁补偿。磁力计基于三个垂直磁阻传感器，每个轴向传感器检测该方向上的地磁场强度。  向前（x方向）的传感器探测地磁场在x方向上的矢量值，向右（y方向）的传感器探测地磁场在y方向上的矢量值，向下（z方向）的传感器探测地磁场在z方向上的矢量值。 根据各方向地磁场分量矢量，将传感器的灵敏度调整至最佳值，使其具有极低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号经放大后送至微控制器进行处理。 2.接下来将介绍以下硬件部分及其原理。1）磁力计：由于地磁场是一个矢量，在某一点，该矢量可以分解为两个平行于本地平面的分量和一个垂直于本地平面的分量。因此，如果将罗盘模块保持与本地平面平行，则磁力计的三个轴分别对应于这三个分量。目前，该模块通过角度补偿与水平面平行，然后根据补偿后的数据计算航向角。 2）加速度计：可以根据三轴数据计算加速度，这在静态稳定性方面具有优势。 3）卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程并观测系统输入输出数据来最优估计系统状态的算法。由于观测数据包含了系统中的噪声和干扰，因此最优估计也可以看作是一个滤波过程。 例如，在雷达应用中，人们的目标是跟踪目标，但目标的位置、速度和加速度的测量数据始终存在噪声。卡尔曼滤波器利用目标的动态信息，试图消除噪声的影响，从而获得目标位置的良好估计。该估计可以是当前目标位置的估计（滤波），未来位置的估计（预测），或是过去位置的估计（插值或平滑）。 概括除了三轴电子罗盘外，杭州麦新敏微科技有限责任公司还拥有丰富的电子罗盘产品，例如低成本的双轴电子罗盘C9000-B、高精度双轴电子罗盘C9000-D等，这些产品都经过严格测试，即使在极其恶劣的环境下也能提供精准的航向数据。如果您需要电子罗盘，欢迎随时联系我们。C9000-B采用先进硬铁和软铁校准算法的高精度全姿态三维电子罗盘板，可进行数字输出 C9000-D用于天线塔方位角测量的高性能航向传感器，低成本方位角传感器，用于测量塔架航向角 

要点产品：电子罗盘校准原理：- 磁场椭圆拟合：在旋转装置的同时采集各个方向的磁场数据，计算硬铁干扰和软铁干扰参数，并应用补偿将磁场数据拟合到球体中以提高精度。校准方法：1. 平面校准：- XY平面校准：在XY平面内旋转设备，找到投影到该平面上的轨迹圆的中心点。- XZ 平面校准：在 XZ 平面内旋转设备，得到地球磁场的轨迹圆，并计算三维空间中的磁场干涉矢量。2. 立体8字形校准：- 在空中沿各个方向旋转装置，采集落在球体表面上的采样点。确定圆心，以确定干扰值并进行校准。校准步骤：1. 测试环境的准备：远离干扰源。- 确保水平放置并稳定安装。2. 进入校准模式：- 通过按键组合或软件指令手动触发校准。- 检测到磁场异常时自动提示校准。3. 执行校准操作：- 水平旋转（2D 校准）：将设备在水平位置绕垂直轴缓慢旋转。- 三维旋转（3D 校准）：绕 X、Y 和 Z 轴旋转设备，每个轴至少旋转 360°。4. 验证校准结果：- 将设备读数与已知的地理方向进行比较。- 使用软件工具观察方向稳定性和精度。- 如果偏差超过设备的标称误差，则需要重新校准。电子罗盘的优点：- 实时航向和姿态测量。- 重要的导航工具。- 通过校准提高方向精度。- 提供多种校准方法。- 可用于不同的应用和环境。 电子罗盘是一种重要的导航工具，能够实时提供运动物体的航向和姿态信息。电子罗盘的校准是确保其方向测量精度的关键步骤。 1.电子罗盘的校准原理电子罗盘通过测量地磁场分量来确定方向。校准过程实际上是“磁场椭圆拟合”：一个）收集磁场数据 当设备旋转时，向各个方向运动。b)通过算法计算硬铁干扰（固定偏移）和软铁干扰（缩放和交叉耦合），生成补偿参数。c)在后续测量过程中自动应用补偿，使磁场数据拟合到以原点为中心的球体中，从而提高方向精度。 2.电子罗盘的校准方法电子罗盘的校准方法主要包括两种方法：平面校准和三维8字形校准。（1）平面校准方法为了校准XY轴，配备磁传感器的设备会在XY平面内自行旋转，这相当于地球磁场矢量绕垂直于XY平面的法线点O(γx,γy)旋转。该旋转轨迹代表了旋转过程中磁场矢量在XY平面内的投影轨迹。由此可以确定圆心位置，即(Xmax+Xmin)/2和(Ymax+Ymin)/2。类似地，设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆，进而计算三维空间中的磁场干涉矢量γ(γx, γy, γz)。校准后，电子罗盘可以在水平面上正常使用。但是，由于罗盘与水平面之间存在角度，该角度会影响航向角的精度，因此需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。（2）立体8字形校准方法通常情况下，当带有传感器的设备在空中沿各个方向旋转时，由测量值构成的空间几何结构实际上是一个球体，所有采样点都落在该球体的表面上，如下图所示。               一个）空中旋转：使用校准设备在空中进行8字形运动，使设备的法线方向指向空间的8个象限。通过获取足够的采样点，确定中心O(γx,γy,γz)，即固定磁场干扰矢量的大小和方向。b)采样点采集：当设备在空中沿各个方向旋转时，由测量值构成的空间几何结构实际上是一个球体，所有采样点都落在该球体的表面上。利用这些采样点，可以确定圆心，进而确定硬磁干扰值并进行校准。 3.电子罗盘的校准步骤（1）测试环境的准备Ø远离干扰源：确保校准环境 3 米范围内没有大型金属物体（如铁柜、车辆）、电机、扬声器或其他电磁设备。Ø水平放置：使用水平仪或内置传感器调整到水平状态，确保测量基于地磁场的水平分量。Ø固定方法：握持设备时避免佩戴金属手表或戒指；如果是嵌入式设备（例如无人机），请确保安装稳定。（2）进入校准模式一个）手动触发：请参阅产品手册，常用方法包括：n组合键（例如长按电源键和功能键 5 秒钟）。n软件说明（通过配套应用程序选择“校准指南针”）。b)自动提示：某些设备在检测到磁场异常时会自动提示校准（例如持续显示“低精度”）。 （3）执行校准操作一个）水平旋转（二维校准）：n缓慢地绕垂直轴（Z轴）旋转设备，并保持其水平。n确保旋转速度均匀（约 10 秒/圈），至少完成 2 圈以覆盖所有方向。b)三维旋转（3D校准，适用于高精度设备）：n依次绕 X（横滚）、Y（俯仰）和 Z（偏航）轴旋转，每个轴至少旋转 360°。n示例操作：水平旋转后，将设备翻转至直立状态，然后前后倾斜。（4）验证校准结果一个）方向比较法：将设备指向已知的地理方向（例如使用指南针确定正北方向），并检查读数是否匹配。b)软件验证：使用地图应用程序或专业工具（如磁场分析软件）来观察方向稳定性和准确性。c)重新校准：如果偏差超过设备的标称误差（例如±3°），则需要重新校准和环境干扰检查。 C9-B高精度CAN协议输出二维电子罗盘C9-A40°倾斜角补偿 CAN协议输出 3D电子罗盘C9-C高精度数字输出二维电子罗盘单板