一种具有加减速补偿功能的车辆用磁电子罗盘及其测量方法

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技术领域
本发明涉及行驶车辆方向测量技术，具体涉及一种利用地磁场实现行驶车辆方向测量的装置。
背景技术
车辆驾驶员都有这样的感受，无论是在城市还是在乡村，判断方向是十分困难的事情。通常是依靠路标及太阳的方位来判断方向。但是在阴雨天和夜里，又无路标指示的情况下，常因方向不清走冤枉路。所以在车辆上安装具有方向指示功能的装置十分必要。
近年来，GPS在导航、定位、定向等方面给人们带来了极大的方便。但在某些地理环境下GPS无法准确定位(如：被高楼、高山、峡谷、树冠等物体所遮挡时)，且在静止情况下也无法得到方向信息。使用磁电子罗盘可对此进行有效的补偿，保证导航信息100％有效。即使是在GPS信号失锁后也能正确工作，真正是“丢星不丢向”。
中国发明专利(200410084596.4)“一种具有方向指示功能的汽车内后视镜及其指示方法”提出了将两轴地磁传感器安装在汽车内后视镜内，使其具有方向指示功能。该装置简单，仅提供东、东南、南、西南、西、西北、北、东北八个方向的指示，对后视镜及其所在车辆发生倾斜时的情况未予以考虑。中国发明专利(03805031.5)“电子罗盘系统”提出了将基于三轴地磁传感器的磁电子罗盘安装在车辆后视镜组件中，从而为车辆使用人员提供方向指示功能。该发明专利通过监测第三轴地磁传感器的输出信号对后视镜组件发生倾斜的情况进行补偿，但未考虑车辆发生倾斜的情况，而实际上车辆在行驶过程中，特别是在山区行驶时，经常遇到上坡、下坡的情况，即发生俯仰倾斜的情况。
发明内容
本发明所要解决的主要问题是将三轴地磁传感器测量的地磁场矢量、三轴加速度传感器测量的车辆加速度、磁编码器测量的车辆行驶速度信号经一定处理后送入微处理器，在微处理器内通过计算得到地磁方位角，将地磁方位角与存放在存储器中的磁偏角数据相加得到相对于真北的方向数据，使行驶车辆方向的测量更为准确。
本发明所涉及的车辆用磁电子罗盘主要由以下几部分组成：三轴地磁测量传感器、三轴加速度传感器、磁编码器、带有模数转换器的微处理器、显示单元、通信接口、电源、电源开关。微处理器是整个装置的核心，运算、处理等功能均由微处理器来实现。
如附图1所示，1为带有模数转换器的微处理器，2为三轴地磁测量传感器，3为三轴加速度传感器，4为磁编码器，5为显示单元，6为通信接口，7为电源(池)，8为电源开关。2测得的地磁场信号、3测得的加速度信号、4测得的行驶速度信号送入1，经处理得到方向信息，送入5显示。6负责磁电子罗盘与具备通信接口的相关设备的连接。7和8向各单元供电。
使用三轴地磁测量传感器测量地磁场矢量，通过微处理器上带有的模数转换器将所测地磁场矢量转换为数字量；使用三轴加速度传感器测量车辆加速度，通过微处理器上带有的模数转换器将所测车辆加速度转换为数字量；使用与车辆传动轴相连的高分辨率磁编码器测量车辆行驶速度，磁编码器输出为正比于行驶速度的脉冲信号，经光电隔离送入微处理器。
本发明所涉及的地磁测量传感器可以为磁通门传感器、各向异性磁阻传感器、霍尔传感器中的一种，但不只限于以上几种磁传感器。本发明所涉及的加速度传感器可以为微机电系统(MEMS)加速度传感器、石英加速度传感器中的一种，但不只限于以上两类加速度传感器。
本发明所采用的微处理器带有模数转换器，模数转换器将三轴地磁测量传感器、三轴加速度传感器的输出信号转换为数字量，微处理器采集相应的数字量以及经光电隔离后的速度脉冲信号，并通过运算得到方向信息，最后通过显示单元将方向信息提供给车辆使用人员。
本发明所采用的通信接口供向磁电子罗盘中传送系统数据和向具备通信接口的相关设备传送测量数据。
本发明测量方法是利用三轴地磁传感器测出地磁场分别在车辆x轴(前向)、y轴(右向)、z轴(上方)上的分量采用加速度传感器及磁编码器组合实现俯仰角(θ)和横滚角(γ)测量。采用下述公式计算磁场强度水平分量Hx、Hy：
$\left\{\begin{array}{c}{H}_x={\stackrel{)}{H}}_x\cos \theta +{\stackrel{)}{H}}_y\sin \theta \sin \gamma -{\stackrel{)}{H}}_z\sin \theta \cos \gamma \\ H_y={\stackrel{)}{H}}_y\cos \gamma +{\stackrel{)}{H}}_z\sin \gamma \end{array}\right.---\left(1\right)$
并进一步计算地磁方位角α
$\alpha ={\tan }^{-1}\left(\frac{H_y}{H_x}\right)---\left(2\right)$
假定根据三轴加速度传感器测得的车辆加速度为αx、αY、αZ，根据磁编码器输出脉冲信号计算得到的车辆行驶加速度为αx1，则车辆沿x轴的静态加速度
αx2＝αx-αx1                        (3)
根据ax2、αY、aZ可计算重力加速度
$g=\sqrt{a_{X2}^2+a_Y^2+a_Z^2}---\left(4\right)$
进一步计算可得俯仰角(θ)和横滚角(γ)。在车辆正常行驶过程中横滚角较小，俯仰角和横滚角可近似按下式计算
$\left\{\begin{array}{c}\theta ={\sin }^{-1}\left(\frac{a_{X2}}{g}\right)\\ \gamma ={\sin }^{-1}\left(\frac{a_Y}{g}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$
然后根据式(1)和(2)计算得到地磁方位角。将地磁方位角与存放在存储器中的磁偏角数据相加得到相对于真北的方向数据。最后通过显示单元为车辆使用人员提供得到的方向数据，给出方向指示。
与现有技术相比，因为利用三轴加速度传感器所测得的车辆加速度既包含静态加速度信息(俯仰、横滚)又包含动态加速度信息，所以仅根据三轴加速度传感器的输出计算车辆俯仰、横滚信息在车辆加减速过程中就存在较大的误差。如果再利用这样得到的车辆俯仰横滚信息计算地磁场水平分量并进一步计算地磁方位角，必然会引入较大的误差。为了解决这一问题，本发明引入了高分辨率的磁编码器测量车辆行驶速度，并通过运算得到车辆行驶加速度(动态加速度信息)，这样就可以将其与三轴加速度传感器测得的车辆加速度信息结合，从而将静态加速度信息和动态加速度信息分离，确切获取车辆倾斜姿态信息。利用由此得到的车辆倾斜姿态信息来计算地磁场水平分量，并进一步计算地磁方位角，以使测量具有较高的精度。另外本装置还具备地磁场异常提示功能。在测得的地磁场数据出现较严重的异常时，根据其异常程度在显示单元上显示不同的字符，以便让使用者准确判定提供信息的可信度。
附图说明
附图1是本发明提供的车辆用磁电子罗盘的原理框图。
图1中，1为带有模数转换器的微处理器，实现运算、处理等功能；2为三轴地磁测量传感器，完成地磁场矢量的测量；3为三轴加速度传感器，完成车辆加速度矢量的测量；4为磁编码器，完成车辆行驶速度测量；5为显示单元，完成方向显示功能；6为通信接口；7为电源(池)；8为电源开关。
具体实施方式
如图1所示，本发明所涉及的车辆用磁电子罗盘主要由以下几部分组成：三轴地磁测量传感器、三轴加速度传感器、磁编码器、带有模数转换器的微处理器、显示单元、通信接口、电源、电源开关。微处理器是整个装置的核心，运算、处理等功能均由微处理器来实现。
使用三轴地磁测量传感器(HMC1043)测量地磁场矢量，其灵敏度约为1.0mV/V/Gauss，供桥电压5V。通过信号调理电路将信号进行放大处理，使其对应于-1Gauss～+1Gauss的磁场变化输出信号发生0.2V～2.2V的变化。通过微处理器上带有的模数转换器将经放大处理的地磁场矢量测量信号转换为数字量。
使用三轴加速度传感器(ADXL330)测量车辆加速度，其加速度测量范围为±3g。采用3V供电时，其0g输出为1.5V，灵敏度为300mV/g。通过分压，将对应0g的输出调整为1.2V。通过微处理器上带有的模数转换器将所测车辆加速度转换为数字量。
使用与车辆传动轴相连的高分辨率磁编码器(ED-19，1024PPR)测量车辆行驶速度，磁编码器输出为正比于行驶速度的脉冲信号，经光电隔离送入微处理器。
本发明所采用的微处理器(C8051F005)带有12位模数转换器，模数转换器将三轴地磁测量传感器、三轴加速度传感器的输出信号转换为数字量，微处理器采集相应的数字量以及经光电隔离后的速度脉冲信号并通过运算得到方向信息，最后通过显示单元(SMS0408)将方向信息提供给车辆使用人员。
通信接口供向磁电子罗盘中传送系统数据和向具备通信接口传送测量数据。通信接口选用SP3223实现。
本发明测量方法是利用三轴地磁传感器测出地磁场分别在车辆x轴(前向)、y轴(右向)、z轴(上方)上的分量采用加速度传感器及磁编码器组合实现俯仰角(θ)和横滚角(γ)测量。采用下述公式计算磁场强度水平分量Hx、Hy：
$\left\{\begin{array}{c}{H}_x={\stackrel{)}{H}}_x\cos \theta +{\stackrel{)}{H}}_y\sin \theta \sin \gamma -{\stackrel{)}{H}}_z\sin \theta \cos \gamma \\ H_y={\stackrel{)}{H}}_y\cos \gamma +{\stackrel{)}{H}}_z\sin \gamma \end{array}\right.---\left(1\right)$
并进一步计算地磁方位角α
$\alpha ={\tan }^{-1}\left(\frac{H_y}{H_x}\right)---\left(2\right)$
为了保证正切函数的有效性，取

根据式(3)可以计算得到地磁方位角，将地磁方位角与存放在存储器中的磁偏角数据相加得到相对于真北的方向数据。
假定根据三轴加速度传感器测得的车辆加速度为αx、αY、αZ，根据磁编码器输出脉冲信号计算得到的车辆行驶加速度为αx1，则车辆沿x轴的静态加速度
αx2＝αx-αx1                                      (4)
根据ax2、aY、αZ可计算重力加速度
$g=\sqrt{a_{X2}^2+a_Y^2+a_Z^2}---\left(5\right)$
进一步计算可得俯仰角(θ)和横滚角(γ)。在车辆正常行驶过程中横滚角较小，俯仰角和横滚角可近似按下式计算
$\left\{\begin{array}{c}\theta ={\sin }^{-1}\left(\frac{a_{X2}}{g}\right)\\ \gamma ={\sin }^{-1}\left(\frac{a_Y}{g}\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$
然后根据式(1)和(2)计算得到地磁方位角。将地磁方位角与存放在存储器中的磁偏角数据相加得到相对于真北的方向数据。最后通过显示单元为车辆使用人员提供得到的方向数据，给出方向指示。显示单元选用四位液晶显示SMS0408，显示内容为“000.0”～“359.9”。
另外本装置还具备地磁场异常提示功能，在测得的地磁场数据出现较严重的异常时，根据其异常程度在显示单元的最高位显示不同的数字(4，5，6)，以便让使用者准确判定提供信息的可信度。所显示的数字越高，表示异常越严重。