Aplicarea senzorilor magnetorezistenți în sistemele de navigație
Aplicarea senzorilor magnetorezistenți în sistemele de navigație
Majoritatea sistemelor de navigație utilizează astăzi un tip de senzor magnetic pentru a determina poziția lor față de laturile lumii. Folosind câmpul magnetic al Pământului, o busolă electronică bazată pe senzori magnetorezistenți poate determina azimutul obiectului cu o precizie de 0,1 °. În această lucrare se ia în considerare problema construcției busolei cu o precizie de 1 °, precum și unele aspecte ale aplicării acesteia.
DOMENIUL MAGNETIC AL PĂMÂNTULUI
Modelul câmpului magnetic al Pământului poate fi un dipol, așa cum se arată în Fig. 1. Figura arată că câmpul magnetic este orientat în jos în emisfera nordică (unghiul de incidență este de aproximativ 70 °), în sus - în partea de sud și paralel cu suprafața pământului - la ecuator. Intensitatea câmpului magnetic al pământului este de aproximativ 0,5. 0,6 Gs.
În orice caz, câmpul magnetic al Pământului are o componentă paralelă cu suprafața pământului și direcționată strict către polul magnetic nordic. Această componentă este utilizată pentru a determina azimutul.
Termenul "polul magnetic nordic" subliniază faptul că polul geografic al Pământului diferă de polul magnetic cu 11,5 °. Polul magnetic geografic este determinat de axa de rotație a Pământului și este punctul de plecare al liniilor meridionale de pe hartă. Diferența dintre amplasarea polilor magnetici și geografici duce la o eroare în determinarea azimutului la ± 25 °. Această eroare se numește unghiul de decădere și poate fi determinată de tabele speciale în funcție de locația geografică specifică.
Astfel, problema găsirii azimutului constă în două etape:
1. Determinarea componentelor orizontale X și Y ale câmpului magnetic al pământului (vom presupune axa A "paralelă cu axa mișcării);
2. Adăugarea unui unghi de decădere pentru a determina direcția adevărată spre nord.
BAZELE DE MĂSURARE A DOMENIULUI MAGNETIC
Există multe tipuri de senzori de câmp magnetic: inductiv, magneto-rezistiv, magnetoinductiv etc. Pentru majoritatea sistemelor moderne de navigație busolă electronică utilizează senzori inductivi care constituie un inductor cu un miez, oferind sensibilitate la un câmp magnetic cu o intensitate mai mică de 1 mg și cu costuri reduse. Cu toate acestea, astfel de senzori sunt foarte greoaie și fragile și au, de asemenea, un timp de răspuns lung - de până la 2,3 s. Această întârziere poate fi inacceptabilă atunci când navigați în obiecte în mișcare rapidă.
Un alt tip de senzori magnetici sunt senzorii magnetorezistenți. Acești senzori sunt realizați sub forma unei benzi subțiri de permalloy, a căror rezistență depinde de câmpul magnetic extern. Senzorii magnetorezistenți au o axă de sensibilitate strict definită și sunt fabricați sub formă de microcircuite integrate. Sensibilitatea senzorilor atinge 0,1 mG, timpul de răspuns este mai mic de 1 μs. Astfel, senzorii magnetorezistenți permit măsurarea unui câmp cu o frecvență mai mare de 1000 de ori / s.
CONSTRUCȚIA COMPASSULUI
Când navighezi obiecte mobile, devine necesară determinarea direcției exacte a mișcării. Astfel de informații pot fi obținute cu ajutorul sistemului GPS, care primește informații de la sateliți și vă permite să localizați un obiect în termen de 5 m. Cu toate acestea, acest sistem nu funcționează întotdeauna într-un mediu urban, cu trecerea diferitelor tuneluri, etc. În acest caz, sistemul de navigație trebuie să fie ghidat de indicarea busolei electronice. Luați în considerare o versiune ieftină și ușor de fabricat a busolei electronice pe baza senzorului magnetorezistent Honeywell NMS1002.
Pentru a obține o precizie în G, este necesar un senzor care să permită detectarea unei modificări a unghiului de poziție cu 0,1 °, având o histereză scăzută (<0,05%) и высокую степень линейности (ошибка <0,5%). Магнитное поле по координатам X и Y обычно лежит в диапазоне 200. 300 мГс — на экваторе больше, у полюса меньше. Используя соотношение для азимута
Pentru a construi o busolă digitală, se recomandă utilizarea circuitului prezentat în Fig. 2. Baza busolei este magnitorezis senzor NMS1002 dual-tive capabile să măsoare atât intensitatea câmpului magnetic de-a lungul axelor X și Y. Semnalul de ieșire este alimentat la un ADC AD7705 16 biți, ceea ce permite de a obține rezoluția dorită de 1 °. Aplicarea chip datorită posibilității de a seta câștigul elimina programatică utilizarea suplimentară a amplificatorului operațional la amplificarea (de obicei, o serie de senzor de tensiune de ieșire ± 30 mV) a semnalului de ieșire diferențială de la senzor, care crește flexibilitatea sistemului. Valorile obținute sunt furnizate microcontrolerului, care are un port pentru programarea în circuit și produce calculele matematice necesare. Rezultatul calculului azimutului pe portul serial este transmis direct în sistemul de navigație sau pe dispozitivul de afișare.
Atunci când este expusă la senzor magnitorezis-tive unui câmp magnetic extern puternic poate observa efectul magnetizare rezidual, care este asociat cu structura internă a permalloy. Pentru a preveni denaturarea citirilor, este necesar să se acorde un impuls / resetare [3], care este furnizat de
tranzistor de asamblare IRF7105. În starea normală, ieșirea de control a procesorului este în starea "log 1". Pentru a trimite un impuls setat / reset, ieșirea este tradusă scurt în starea "log O" și apoi revine la "log 1". Când busola funcționează autonom, această procedură trebuie efectuată la fiecare 20 de secunde. 30 de secunde, ceea ce vă permite de asemenea să scăpați de deviația de temperatură a senzorului.
Înainte de a calcula azimutul, este necesar să se normalizeze citirile senzorilor. Deoarece caracteristicile canalelor din interiorul senzorului nu sunt identice, sunt necesari factori de corecție:
putem determina valoarea necesară. Pentru rezoluție de 0,1 grade, la o intensitate a câmpului de 200 mG necesar ca sensibilitatea senzorului nu a fost mai mică de 0,35 mg. Senzorii magnetorezistenți, produsi astăzi, oferă o sensibilitate de 0,07 mGs, având o marjă de cinci ori.
Pentru a face acest lucru, trebuie să facă o tură completă în plan orizontal și pentru a determina maxime și minime citirile senzorilor a lungul axelor X și Y. calcularea unui factor de corecție folosind formula:
La calcularea azimutului este necesar să se țină cont de faptul că atunci când X = 0, există o situație de divizare cu zero, și este recomandabil să se utilizeze următoarele ecuații:
COMPENSAREA FACTORILOR DE INTERFERENȚĂ EXTERNĂ
Algoritmul de mai sus funcționează bine în teren deschis, în absența unor obiecte care distorsionează câmpul magnetic al Pământului.
dacă și câmpul magnetic al vehiculului. Astfel, pentru a determina câmpul magnetic al Pământului, este necesară determinarea în avans a compensării câmpului magnetic suplimentar [4].
Figurile 3 și 4 prezintă distorsiunile introduse de câmpul magnetic suplimentar în citirile senzorilor. Așa cum se poate vedea din fig. 3, citirea senzorului cu rotația lui de 360 ° formează un cerc cu centrul de la origine. Câmpul magnetic al vehiculului transformă acest cerc într-o elipsă și deplasează centrul. Astfel, pentru a face compensația necesară pentru a defini coeficientul de scalare două Xsf și YSF, transformând elipsei într-un cerc, și două valori de corecție Xoff și Yoff. Revenirea centrului cercului la punctul de origine. În acest caz, valorile lui X și V pentru calculul azimutului sunt calculate din sistemul de ecuații (4):
unde Xd și Yd sunt citirile senzorilor respectivi.
Cea mai simplă metodă de calibrare este următoarea:
- Obiectul mobil cu setul de busolă se rotește 360 ° în plan orizontal
- Sunt determinate valorile maxime și minime ale senzorilor de-a lungul axelor X și Y
- cu patru formule menționate mai jos sunt determinate prin scalarea coeficienților (Xsf, YSF) și valorile de corecție (XOFF, Yoff):
CONCLUZIE
Circuitul de mai sus, cu reglare fină, asigură o precizie a calculului azimutului mai mare de ± 1 ° și posibilitatea introducerii de compensații pentru câmpurile magnetice externe distorsionante. Când se utilizează acest dispozitiv, trebuie să se țină seama de faptul că definiția exactă a azimutului este posibilă numai cu poziția sa orizontală. Pentru a permite funcționarea busolei în poziție înclinată trebuie să intre senzor în funcție de axele de coordonate Z, precum și rola suplimentară senzor și teren. În acest caz, dispozitivul este mult mai complicat și prețul său este în mod semnificativ crescut.
- Grant G.A. Klinkert J. Compasul navei, ediția a 2-a din 1970
- Barber G. W. Aarott A.S. Istorie și magnetică a Compassului Ad / ust / n. IEEE Trans. Magn. Noiembrie 1988
- Setați / Resetați circuitele de impuls pentru senzorii magnetici. Honeywell Application Note. AN-201
- Caruso M.I Aplicații ale senzorilor magnetorezistenți în sistemele de navigație. Honeywell, www.ssec.honeywell.com
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: