關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人中定向磁電子羅盤的探究與設(shè)計(jì)

磁電子羅盤是一種利用地磁場實(shí)現(xiàn)定向功能的裝置，在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比，磁電子羅盤具有體積小、成本低、無累計(jì)誤差、能夠自動(dòng)尋北等特點(diǎn)。與常規(guī)的指針型羅盤相比，磁電子羅盤在抗沖擊性、抗震性等方面性能良好。并且能夠?qū)﹄s散磁場進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電信號(hào)．可方便地與其他電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。

本羅盤設(shè)計(jì)采用Philips公司的KMZ52磁阻傳感器和Microchip公司的PIC16F818單片機(jī)。并對(duì)羅盤進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1地磁場

由于地球本身具有磁性。在地球和近地空間之間存在磁場，稱為地磁場。地磁場的強(qiáng)度為0.3高斯至0.6高斯，其大小和方向隨地點(diǎn)（甚至隨時(shí)間）而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近，彼此并不重合，而且兩者間的偏差隨時(shí)間緩慢變化。

本文設(shè)計(jì)的二維磁電子羅盤用于測量、計(jì)算磁場的方位角，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給移動(dòng)機(jī)器人的控制器。此磁電子羅盤采用磁電阻傳感器，移動(dòng)機(jī)器人的控制器接收來自磁電阻傳感器信號(hào)，此信號(hào)均為0 V～5 V模擬量，電壓值的變化表現(xiàn)為航向角的不同，并且要求高可靠性和一定精度。

2各向異性磁阻傳感器的測量原理

各向異性磁電阻效應(yīng)是指對(duì)于強(qiáng)磁性金屬（鐵、鈷、鎳等及其合金），當(dāng)外加磁場平行于磁場內(nèi)部磁化方向時(shí)，阻值不變；若外界磁場方向偏離時(shí)，則其阻值減??；如果把這類金屬做成薄膜帶狀導(dǎo)線，當(dāng)電流通過時(shí)，其阻值大小隨內(nèi)外兩磁場的合成磁化方向與電流流向的相對(duì)關(guān)系變化，趨于同向時(shí)阻值增大，背向時(shí)阻值減小。由于坡莫（NiFe）合金在弱磁場下的電阻變化率較大，因此適用于弱磁場中。

KMZ52是Philips公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)測量磁場的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置／復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出與當(dāng)前測量結(jié)果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測量和交通檢測。 該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導(dǎo)率的坡莫合金，在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場兩個(gè)力的作用下，電子改變運(yùn)動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí)KMZ52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場力作用下有較好的對(duì)稱性。由于加入了翻轉(zhuǎn)磁場，KMZ52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。KMZ52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化。

如圖1所示，KMZ52磁阻傳感器的等效電路，其中，R1～R4的阻值均為R，供電電源為U。在外加偏置磁場H的作用下，R1和R4的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)引起阻值減小。而R2和R3的磁化方向朝向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，阻值增大△R。計(jì)算得：

3磁電子羅盤的硬件設(shè)計(jì)

磁電子羅盤的硬件系統(tǒng)包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、消磁電路、基準(zhǔn)電壓源和單片機(jī)等部分。其中信號(hào)處理包括一級(jí)放大、二級(jí)放大電位提升、濾波等3部分。采集到的信號(hào)經(jīng)過放大濾波后送至單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端口。經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算方向角后，傳送至上位機(jī)，機(jī)器人的控制器對(duì)其處理。磁電子羅盤設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1翻轉(zhuǎn)線圈

磁阻傳感器在使用一段時(shí)間后或受到外界瞬時(shí)高強(qiáng)磁場影響時(shí)，其信噪比降低，輸出信號(hào)幅度減弱。為消除這種影響，必須在電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用翻轉(zhuǎn)線圈。與其他需要外部線圈的磁阻傳感器不同，KMZ52是通過內(nèi)部的置位／復(fù)位電流帶實(shí)現(xiàn)的。該電流帶是一個(gè)線繞式線圈，當(dāng)線圈上有電流通過時(shí)，產(chǎn)生的磁場耦合到電橋上。除了提高信噪比外，該電流帶還具有減小溫漂和非線性誤差的作用。

使用置位／復(fù)位電流帶需要施加置位／復(fù)位脈沖，簡稱S／R脈沖。需要注意的是，S脈沖與R脈沖對(duì)傳感器的影響相同，唯一不同的是傳感器輸出信號(hào)的改變。這是因?yàn)榇抛鑲鞲衅饔袃煞N工作方式。其中，工作方式1輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比，而工作方式2輸出電壓與磁場強(qiáng)度成反比。對(duì)于置位／復(fù)位電流帶輸入正向的脈沖電流磁阻傳感器為工作方式1；反之則是工作方式2。產(chǎn)生S／R脈沖電路稱為置位／復(fù)位脈沖電路，是采用磁阻傳感器作為磁場傳感器所特有的。由于干擾磁場的影響，傳感器輸出具有固定偏差，設(shè)地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為G，傳感器輸出為Vn，則傳感器工作在方式1時(shí)，V1=G+A；工作在方式2時(shí)，V2=-G+A。由此可得：

G=（V1-V2）／2 （2）

由式（2）可知，電路可通過翻轉(zhuǎn)線圈達(dá)到消除偏差的目的。加以1 A的脈沖電流即可重新校準(zhǔn)或反置傳感內(nèi)的磁敏組件，該脈沖寬度可短至3μs。本設(shè)計(jì)在每次上電后，由單片機(jī)發(fā)送去磁復(fù)位指令，經(jīng)過去磁驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送脈沖電流至翻轉(zhuǎn)線圈，完成復(fù)位。去磁電路是由簡單的三極管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

3.2放大電路

在5 V電源電壓下，磁阻傳感器KMZ52的靈敏度為65 V／T。考慮到地磁場水平方向的磁場強(qiáng)度約為0.03 mT，KMZ52在地磁場的輸出電壓僅2 mV。因此，需要放大其輸出的電壓信號(hào)。而通用運(yùn)算放大器一般都具有毫伏級(jí)的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，不能直接放大微弱信號(hào)。因此，一級(jí)放大電路采用儀表放大器AD620。

一般信號(hào)放大應(yīng)用中，采用差動(dòng)放大電路即可滿足需求，但精度低，且變更放大增益時(shí)，必須調(diào)整兩只電阻，影響整個(gè)信號(hào)放大精度。而儀表放大電路則無上述缺點(diǎn)。圖3所示儀表放大器是由3個(gè)放大器組成，其中，電阻R與Rx范圍為1 kΩ～10 kΩ。由固定電阻R通過調(diào)節(jié)Rx來調(diào)整放大的增益。其關(guān)系式如式（3）所示，須注意避免每個(gè)放大器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象（放大器最大輸出為其工作電壓）。

磁阻傳感器在地磁場中的輸出范圍為±2 mV，經(jīng)AD620放大495倍后，變化范圍為+990 mV，接近±1 V。二級(jí)放大電路采用LM324運(yùn)放，構(gòu)成同向加法器。經(jīng)過二級(jí)運(yùn)放后，電壓提升2倍；再經(jīng)電位提升2.5 V后，變化范圍為0.5 V～4.5 V，符合單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換要求。而電位提升電路所需2.5 V基準(zhǔn)電壓是由TL431三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管提供。

3.3數(shù)字信號(hào)處理器

磁電子羅盤的數(shù)字信號(hào)處理器采用Microchip公司的8位PIC16F818單片機(jī)，對(duì)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的磁電阻傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)，并通過SPI串行通信模塊響應(yīng)來自PC機(jī)的命令及向PC機(jī)傳輸磁場、方位角數(shù)據(jù)。另外，單片機(jī)還為去磁電路提供控制信號(hào)。PIC16F818單片機(jī)的指令處理速度能夠達(dá)到8 MHz．內(nèi)部集成5通道的10位A／D采樣轉(zhuǎn)換模塊，此A／D轉(zhuǎn)換模塊屬于逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換，具有轉(zhuǎn)換速度高、精度高等特點(diǎn)，非常適用于那些需要實(shí)時(shí)信號(hào)處理的機(jī)器人傳感器信號(hào)處理。另外，單片機(jī)內(nèi)部的SPI串行通信模塊實(shí)現(xiàn)傳感器與機(jī)器人上位機(jī)的同步通信，將方位角的實(shí)時(shí)信息傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理。

4磁電子羅盤的軟件設(shè)計(jì)

電子羅盤的軟件設(shè)計(jì)程序包括：初始化子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、區(qū)域判斷子程序、角度計(jì)算子程序以及PWM信號(hào)發(fā)生子程序。A／D轉(zhuǎn)換采用RA0，RA1端口，去磁脈沖由RB0端口發(fā)送。圖4為軟件設(shè)計(jì)主程序流程。

其中，方位角計(jì)算是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用一般反三角函數(shù)逼近的計(jì)算方法則涉及匯編語言浮點(diǎn)除法，編程占用大量空間，并且不易調(diào)試。而且反三角一般的計(jì)算范圍是180°。對(duì)于360°還要進(jìn)行額外判斷。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用壓縮映射算法計(jì)算方位角α。圖5為壓縮映射算法測量原理圖。x、y分別表示磁阻傳感器的x、y軸上測得的磁場強(qiáng)度Hex、Hey。根據(jù)三角函數(shù)的軸對(duì)稱性，先將0°～365°的情況壓縮在0°～45°內(nèi)進(jìn)行查表，根據(jù)一定的規(guī)則將其重新映射至0°～365°范圍內(nèi)。采用這種方法可避免浮點(diǎn)運(yùn)算，提高計(jì)算速度，降低程序的復(fù)雜性。

結(jié)束語

本文采用KMZ52磁阻傳感器設(shè)計(jì)一種用于移動(dòng)機(jī)器人定向用的電子羅盤。介紹了該電子羅盤的硬件系統(tǒng)，在信號(hào)調(diào)理電路中，采用內(nèi)部線圈翻轉(zhuǎn)和兩級(jí)放大及電位提升電路，使傳感器信號(hào)能夠被PIC16F818經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送到上位機(jī)處理。