孙继文，赵国豪，王洪义

HCM5883L 的无人机磁航向智能传感器设计

孙继文，赵国豪，王洪义

（防空兵学院，郑州450052）

介绍了磁阻传感器和倾角传感器的工作原理，分析了无人机飞行过程中俯仰和滚动对方位角测量精度的影响，基于三轴倾角传感器ADXL335、三轴磁阻传感器HCM5883L和C8051F350单片机设计了一种新型的无人机磁方位传感器。本文基于时间的线性特征，提出了一种新型的误差校正方法，提高了方位测量精度。实验证明，该方位传感器精度较高、可靠性好，能够满足无人机方位角测量要求。

倾角传感器；磁阻传感器；方位角；时间特性

引 言

在无人机飞行控制系统中，方位测量是重要的组成部分，起着航向测量和领航驾驶的作用。磁阻传感器利用镍铁合金电阻测量某一方向的磁场，具有体积小、功耗低、结构简单、质量轻、成本低、可靠性高、抗干扰能力强、温度稳定性好、耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与数字电路匹配以及便于安装等优点，非常适用于无人机的方位测量。但是无人机在飞行过程中，会产生俯仰角和滚动角，同时由于磁阻传感器易受地磁环境的干扰，这些都会对磁阻传感器产生很大影响，使方位测量精度降低。因此有必要研究一种新的方法对磁阻传感器进行补偿，提高磁阻传感器的测量精度。

1　磁阻传感器测量方位角的工作原理

系统在综合考虑无人机俯仰和滚动的基础上，基于磁阻效应，采用一种用于测量低磁场强度的三轴磁阻传感器混合电路组件来感测地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量，通过解算，得到无人机的方位角。它由3个玻莫合金磁阻传感器和定制接口电子设备构成，并含有高灵敏度温度补偿电路，具有体积小、精度高、可靠性与耐损性高、动态范围大、外围电路设计简单等特点。

（1）当磁航向传感器处于水平位置时

磁航向传感器输出的角度值βd是从地理上的“北极”绕垂直于水平面的轴的转角，直接测定值βc是从“磁北”绕垂直于水平面的轴的转角，其中βd、βc均是顺时针旋转为正。如图1所示，以无人机纵轴方向为X轴，横轴为Y轴，建立直角坐标系，η为当地磁偏角，磁阻传感器坐标系与水平坐标系重合，Z轴与磁场矢量垂直，其输出为零，X、Y轴感测的磁场强度分别为HX、HY。

由图1可知无人机的航向角为：

图1　水平位置下方位角示意图

（2）磁航向传感器不在水平位置

当磁航向传感器不在水平位置时，磁阻传感器平面与水平面出现夹角，即无人机出现俯仰、滚动时，磁阻传感器感测的磁场强度H″X、H″Y、H″Z可以通过欧拉角描述。固定坐标系OXYZ和运动坐标系OX″Y″Z″之间的关系如图2所示，X轴为无人机纵轴方向，Y轴为无人机横轴方向向右，Z轴为垂直无人机水平面向下的方向。

图2　坐标变换图

其中，运动坐标系OX″Y″Z″是由固定坐标系OXYZ先绕OZ轴旋转角度β'，得到坐标系OX'Y'Z，然后再绕O'X'轴旋转角度θ'（即俯仰角），得到坐标系OX'Y″Z'，最后绕OY″轴旋转的角度ϕ'即滚动角，得到坐标系OX″Y″Z″。因为方向余弦矩阵都是正交矩阵，它的逆矩阵存在且就等于它自身的转置矩阵，所以从OX″Y″Z″到OXYZ的逆过程的转换关系如下：

由式（1）、（2）得到不在水平状态时无人机的航向角为：

因此无人机在飞行过程中，必须考虑俯仰、滚动对磁传感器的影响，在测量俯仰角和滚动角时，系统采用三轴倾角传感器ADXL335测得。

2　倾角传感器测量倾角的工作原理

测量倾角的传感器主要基于单轴倾斜、双轴倾斜和三轴倾斜的原理。由于工艺技术水平的限制，倾角传感器的敏感轴无法严格地平行于倾斜方向，从而会造成误差。单轴倾斜不能进行全角度的测量，而且采样频率要求很高，双轴倾斜不能满足全球范围内的方向确定，而三轴倾斜的传感器可以弥补以上两种传感器的不足，因此系统采用了三轴倾斜传感器测量俯仰角和滚动角。

在安装传感器时，传感器的X敏感轴与无人机纵向一致，Y敏感轴与X敏感轴垂直，并且与无人机在同一平面，Z敏感轴与X、Y敏感轴垂直。倾角测量原理示意图如图3所示。

Ax=-g sinϕ（4）

Ay=-g sinγ（5）

Az=g cosε（6）

其中，ϕ为无人机高低角（水平以上为正，水平以下为负），γ为无人机滚动角，Ax为加速度传感器X轴输出，Ay为加速度传感器Y轴输出。当无人机没有滚动角时，γ为0，X、Y轴和重力在同一平面上，由位置关系可以得到ϕ=ε。

图3　倾角测量原理示意图

所以可以通过X、Z轴相互补充的方法提高测量精度，同理可以测量无人机飞行时的滚动角。

3　磁航向传感器的组成

如图4所示，磁航向传感器由C8051F350单片机、三轴磁阻传感器HMC5883、复位电路、信号调理电路、三轴倾角传感器ADXL335和接口电路组成。利用ADXL335精确测量地球重力，HMC5883L感测地球磁场强度的三轴分量，通过C8051F350进行数据采集、姿态计算、坐标转换和误差补偿，最后得到补偿后的无人机航向角。

图4　磁航向传感器系统的组成

C8051F350单片机内部有模/数转换器，可以与磁阻传感器实现优势互补，能够简化设计电路。HMC5883传感器是霍尼韦尔公司研发的一种小型高分辨率三轴磁阻传感器，采用各向异性磁阻技术，内部集成有放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、12位模/数转换器和简易的I2C系列总线接口，灵敏度和可靠性较高，与C8051F350配合使用，能够达到优势互补。

ADXL335三轴倾角传感器是美国ADI公司推出的一款带有信号调理电路的高精度模拟三轴加速度传感器，具有超低功耗、高灵敏度、高分辨率、强抗干扰能力、高响应频率、零重力偏差和温度漂移较低等特点，该加速度计有较高的分辨率（13位），其高分辨率（3.9 mg/LSB）能够测量不足1.0°的倾斜角度变化，测量范围为±16g，可以直接与单片机连接，非常适合无人机飞行中俯仰角和滚动角的测量。

由于磁阻传感器的输出均为m V级的电压信号，所以必须经过信号调理后才可以送到模/数转换器。转换后的数字信号送入微控制器，进行实时的姿态矩阵计算，同时进行系统误差校正，最终得到稳定的姿态参数。

由于磁阻传感器灵敏度极高，当磁阻传感器接收到外界大于20 Gs，地磁场约为0.6 Gs的磁场干扰时，传感器薄膜磁化极性会受到破坏，传感器特性也会改变，因此在设计时加入了一个置位/复位电路，可以对敏感元件施加一个瞬态的强恢复磁场来恢复或保持传感器特性。每经过一定的采样时间，给磁阻传感器施加一个置位或复位脉冲，来恢复和保持传感器特性。

4　磁航向传感器的校正

4.1误差分析

磁阻传感器的输出误差主要可以分为两类：第一类是系统自身存在的误差；第二类是由磁阻传感器周围工作环境因素而造成的误差，主要指罗差。系统自身误差是固定的，较容易补偿，影响较小。罗差对磁阻电子罗盘的精度影响最大可达几十度，是磁阻传感器误差的主要部分。

磁阻传感器在没有铁磁材料的空间里，接受地磁场的方向不会受影响。当磁阻传感器周围存在铁磁材料时，铁磁材料将影响地磁场，改变输出。因为传感器较小，可以认为该磁场为在传感器周围均匀分布的一种加在地磁场的附加恒定磁场，它引起的误差大小相对于无人机方向随外界磁场的变化而变化。该磁场方向可分解为水平分量和垂直分量，垂直分量对方位角的影响不大，水平分量与地磁场水平分量形成合成磁场。合成磁场与地磁场水平分量之间的夹角就是罗差，其关系示意图如图5所示。

HG为地磁场水平分量；HP为外界干扰磁场水平分量；H为地磁场水平分量与外界干扰磁场水平分量的合成磁场。罗差的计算式为：

其中，ϕM为载体的实际磁航向，ϕO为罗盘指示的航向，ϕC为该磁航向的罗差。

由于地磁场沿地球表面平行的分量总是指向磁北极，在没有误差时，磁阻传感器X轴输出最大时，Y轴输出为零，而X轴输出为零时，Y轴输出最大。即在无任何金属材料干扰磁场的理想环境下，将磁阻传感器在水平面上缓慢旋转360°，以X轴为输出横轴，Y轴为输出纵轴，采集足够多的点，即可绘制出近似以（0，0）点为圆心的圆，如图6所示。

图5　罗差关系示意图

图6　无干扰条件下的输出

磁阻传感器在没有铁磁材料的空间里，接受地磁场的方向不会受影响。但一般情况下，外界环境不可避免存在铁磁材料，有些安装载体及电路磁场也会对传感器周围的地磁环境产生影响，这些铁磁材料将干扰地磁场，相当于在地磁场上又加上了一个磁场。这时将磁阻传感器在水平面上旋转一周，绘制出的曲线不再是一个圆，而是一个椭圆，同时圆心也偏离了原来位置，如图7所示。

图7　环境磁场干扰条件下的输出

4.2误差补偿

对罗差的补偿通常有基于椭圆假设补偿法、基于最小二乘24位置罗差补偿法等，但是基于椭圆假设法需要绘制椭圆曲线，而最小二乘24位置罗差补偿法需要大量的计算，不利于单片机处理，因此需要研究一种方便的、高精度的校正方法。

由于时间具有严格的线性特征，因此系统基于时间特性对磁航向传感器进行校正。方法是：到达指定地域后，将传感器放置在标定装置上，此时的方位角为β0，标定装置带动磁航向传感器匀速转动一周，记下时间T，由于时间具有严格的线性，所以在每一个时间单位内，标定装置转动的角度也是一定的，即每一时刻都非常严格地对应一个准确的转动角度，其时间—角度特性如图8所示。

图8　时间—角度特性曲线

则在t时刻的无人机方位角为：

其中，βi为对应i时刻精确方位角，t为转动时间，β0为转动的起始方位角。

在理想状态下（只有大地磁场，没有其他磁场干扰），传感器感应的角度变化量也应该是固定的，每转动一个时间单位，对应变换量应该为360°/T，在t时刻测得的方位角应该符合式（11）的计算结果。由于附加磁场的干扰，传感器会出现一定的误差，任何一个时刻的值可能都不等于计算结果，但是在每一个时间点，传感器的输出值与通过计算得到的角度值存在一一对应关系。

磁航向传感器测得的方位角为βc，其对应的时间i是非常严格的，代入式（11）便得到无人机自身的准确方位角βz。

结 语

本文分析了俯仰角和滚动角对磁阻传感器的影响，通过使用三轴倾角传感器ADXL335，提高了俯仰角和滚动角的测量精度，从而对三轴磁阻传感器HMC5883L进行误差补偿。最后基于时间的线性特性对传感器进行校正，减小误差。试验表明，该方位传感器精度高、可靠性好、适用广泛，已经成功应用于DF- 6等多种型号无人机的姿态测量中。

［1］王昌明.传感器测试技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

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孙继文（讲师），主要研究方向为防空兵技术装备作战运用；赵国豪（教授），主要研究方向为传感器技术及应用；王洪义（讲师），主要研究方向为智能控制技术。

Magnetism-oriented lntelligent Sensor for Pilotless Aircraft Based on HCM5883L

Sun Jiwen，Zhao Guohao，Wang Hongyi
（Air Defense Force Academy，Zhengzhou 450052，China）

In the paper，the working principle of magnetism sensor and obliquity sensor is introduced，and the influence of pitch and roll angle measurement accuracy of the UAV during the flight is analyzed.A new type of UAV magnetic orientation sensor is designed，which is based on tri-axial obliquity sensor ADXL335，tri-axial magnetism sensor HCM5883L and C8051F350.According to the linear feature of time，a new method for error revising is proposed，which improves the precision of azimuth-measure.The experimental results show that the azimuth sensor has high precision and good reliability，and can meet the requirement of UAV azimuth angle measurement.

obliquity sensor；magnetism sensor；azimuth；feature of time

TP368.1

A

��薛士然

2016-04-05）