概述

本文將介紹如何使用 LIS2MDL 傳感器來讀取數(shù)據(jù)來轉(zhuǎn)化為指南針。 地磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍約為 23,000 至 66,000 nT ，并且可以建模為磁偶極子，其場(chǎng)線起源于地球地理南部附近的點(diǎn)，并終止于磁場(chǎng)附近的點(diǎn)。磁場(chǎng)具有七個(gè)分量，如圖 所示。x，y和z分別表示北分量，東分量和垂直分量的磁場(chǎng)強(qiáng)度。H代表總水平強(qiáng)度，F(xiàn)代表磁場(chǎng)的總強(qiáng)度，而D和I分別代表磁偏角和磁傾角。

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環(huán)境磁場(chǎng)建模

盡管可以選擇七個(gè)不同的元素來處理給定點(diǎn)的磁場(chǎng)，但并非所有元素都是進(jìn)行定位的理想選擇。X，Y 和 Z 的三個(gè)元素是從磁力計(jì)獲得的基本值，而其他四個(gè)元素是使用這些元素來計(jì)算的。前三個(gè)元素隨移動(dòng)設(shè)備方位角的改變而偏離，因此，對(duì)于許多基于磁場(chǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)通常假設(shè)以固定方位工作，行人可以更改方向，但不能更改設(shè)備方位。

在大地坐標(biāo)系的水平面上,假設(shè)磁北和x軸的夾角為a, x方向的磁分量是Mx,y方向的分量是My,則

ɑ=arctan(My/Mx)

這是電子羅盤定向的基本原理。實(shí)際應(yīng)用中,電子羅盤不能總是保持在水平面上，如下圖所示一樣存在俯仰角和橫滾角。將羅盤坐標(biāo)系下的 z軸向下, 3個(gè)軸的磁分量投影到水平面上可以得到Xh,Yh,相應(yīng)的磁感應(yīng)值:

Xh=Xcosф+Ysinфsinθ - Zsinфcosθ

Yh=Ycosθ + Zsinθ

相應(yīng)的

ɑ=arctan(Yh/Xh)

Angle_XY=atan2( (magnetic_mG[1]-Xoffset),(magnetic_mG[0]-Yoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度
                Angle_XZ=atan2( (magnetic_mG[2]-Zoffset),(magnetic_mG[0]-Yoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度
                Angle_YZ=atan2( (magnetic_mG[2]-Zoffset),(magnetic_mG[1]-Yoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度

消除硬鐵誤差

電子羅盤有兩種工作模式，一種是正常工作模式，另一種是出廠設(shè)置模式，這種出場(chǎng)設(shè)置模式就是為了消除硬鐵干擾。硬鐵干擾產(chǎn)生于永久磁鐵，和被磁化的金屬，或羅盤平臺(tái)上的鋼。這些干擾會(huì)保持大小恒定，與羅盤的相對(duì)位置固定，而與羅盤指向無關(guān)。所以當(dāng)羅盤安裝好后，它周圍的硬鐵干擾就幾乎不會(huì)改變了，只要對(duì)羅盤做一次準(zhǔn)確的標(biāo)定，就能很輕松的消除這項(xiàng)干擾。

硬鐵干擾在羅盤輸出的每個(gè)軸向加了一個(gè)定值，輸出曲線圖的圓心被移動(dòng)了，對(duì)于航向的影響則是一個(gè)周期性的誤差，如下圖所示在理想狀態(tài)時(shí)，在 360 度范圍內(nèi)，傳感器輸出極值分別為 ymax ymin xmax xmin 坐標(biāo)原點(diǎn)為O，受到硬鐵干擾后，極值變?yōu)?y'max ,y'min , x'max , x'max , 坐標(biāo)原點(diǎn)變?yōu)镺' 。要消除硬鐵干擾，可以將羅盤和平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，得 到圓上的足夠的點(diǎn)再得到圓心偏移。

具體操作過程如下：接通電源后，將羅盤勻速旋轉(zhuǎn)，使微控制器采集 360 °范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)值比較，找出 x 、 y 方向的極值，得出偏移坐標(biāo) O’, 即電橋的偏置電壓，并將此電壓值保存，每次羅盤讀數(shù)時(shí)都會(huì)減去此偏移。實(shí)際上，本設(shè)計(jì)在方位角的計(jì)算過程就是此過程，所以在計(jì)算方位角的同時(shí)已經(jīng)消除了硬鐵干擾。這種方法也可以消除由于溫度漂移產(chǎn)生的誤差。

軟鐵干擾

軟鐵干擾來源于地球磁場(chǎng)和羅盤附近的任何磁性材料之間的相互作用，同硬鐵材料一樣，軟金屬也干擾地球的磁力線，不同點(diǎn)是，軟磁的干擾程度，與羅盤的方向有關(guān)。對(duì)軟鐵干擾的校正，比較復(fù)雜，下面討論采用霍尼韋爾公司的 Michal.J.Caruso 提出橢圓假設(shè)的誤差補(bǔ)償原理進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?。

根據(jù) Michal.J.Caruso 的研究，羅盤在理想的沒有任何干擾的磁場(chǎng)水平面里作圓形旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁力計(jì)的顯示應(yīng)該呈現(xiàn)上圖的狀態(tài)，其中圓中心在 0,0 點(diǎn)處，每個(gè)計(jì)數(shù)代表 67微高斯，在 X 和 Y 平面中的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度值讀到 2800 個(gè)計(jì)數(shù)，約為 190 毫高斯，根據(jù)下面公式可以對(duì)每個(gè)讀數(shù)確定一個(gè)方位角。

如果將磁力計(jì)安裝在有發(fā)動(dòng)機(jī)或者其他鐵磁材料的環(huán)境中，圓形旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁力計(jì)的顯示應(yīng)該下圖的狀態(tài)。

這里的圖形不是一個(gè)圓 ( 有點(diǎn)橢圓 ) ，而它偏移 0,0 點(diǎn)為 -480 和 -795 個(gè)計(jì)數(shù)，這偏移和橢圓效應(yīng)是干擾磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)作用的結(jié)果。通過確定兩個(gè)定標(biāo)因數(shù) Xsf 和 Ysf 可以將橢圓改為圓。隨后計(jì)算偏移值 Xoff 和 Yoff, 將圓中心定在 0,0 原點(diǎn)，用下面公式來計(jì)算 Y,X 值。

X 值 =Xsf×X 讀數(shù) +Xoff

Y 值 =Ysf×Y 讀數(shù) +Yoff

這里的定標(biāo)因數(shù) Xsf 和 Ysf 可由下述方法獲得。

①將羅盤在水平面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

②找出 X 和 Y 讀數(shù)的最大值和最小值

③用這四個(gè)數(shù)值確定 X 和 Y 定標(biāo)因數(shù) (Xsf ， Ysf) ，以及零偏移值 (Xoff ， Yoff)

Xsf=1 或 (Y 最大 -Y 最小 )/2(X 最大 -Y 最小 )

以較大的數(shù)值為準(zhǔn)

Ysf=1 或 (X 最大 -Y 最小 )/2(Y 最大 -Y 最小 )

以較大的數(shù)值為準(zhǔn)

Xoff=[(X 最大 -X 最小 ) /2-X 最大 ]×Xsf

Yoff=[(Y 最大 -Y 最小 ) /2-Y 最大 ]×Ysf

主程序

在主程序中添加開機(jī)校準(zhǔn)。

/* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

    uint8_t reg;
    /* Read output only if new value is available */
    lis2mdl_mag_data_ready_get(&dev_ctx, ®);

    if (reg) {
      /* Read magnetic field data */
      memset(data_raw_magnetic, 0x00, 3 * sizeof(int16_t));
      lis2mdl_magnetic_raw_get(&dev_ctx, data_raw_magnetic);
      magnetic_mG[0] = lis2mdl_from_lsb_to_mgauss(data_raw_magnetic[0]);
      magnetic_mG[1] = lis2mdl_from_lsb_to_mgauss(data_raw_magnetic[1]);
      magnetic_mG[2] = lis2mdl_from_lsb_to_mgauss(data_raw_magnetic[2]);

      printf("i=%d,Magnetic field [mG]:%4.2ft%4.2ft%4.2frn",i,magnetic_mG[0], magnetic_mG[1], magnetic_mG[2]);
            if(i< 500)
            {
                i++;
                if(magnetic_mG[0]< Xmin)
                    Xmin=magnetic_mG[0];
                else if(magnetic_mG[0] >Xmax)
                    Xmax=magnetic_mG[0];


                if(magnetic_mG[1]< Ymin)
                    Ymin=magnetic_mG[1];
                else if(magnetic_mG[1] >Ymax)
                    Ymax=magnetic_mG[1];                

                    if(magnetic_mG[2]< Zmin)
                    Zmin=magnetic_mG[2];
                else if(magnetic_mG[2] >Zmax)
                    Zmax=magnetic_mG[2];            
            }
            else if(i==500)
            {
                i++;


                Xsf = (Ymax - Ymin) / (Xmax - Xmin);
                Ysf = (Xmax - Xmin) / (Ymax - Ymin);        
                if (Xsf < 1)
                        Xsf = 1;
                if (Ysf < 1)
                        Ysf = 1;        

                Xoffset=( (Xmax-Xmin)/2 - Xmax) *Xsf;
                Yoffset=( (Ymax-Ymin)/2    - Ymax)    *Ysf;
//                Zoffset=( (Zmax-Zmin)/2    - Zmax)    *Xsf;                

            }
            else
            {
                Angle_XY=atan2( (magnetic_mG[1]-Yoffset),(magnetic_mG[0]-Xoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度
                printf("Angle_XY=%3.2fn",Angle_XY);
//                Angle_XZ=atan2( (magnetic_mG[2]-Zoffset),(magnetic_mG[0]-Xoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度
//                Angle_YZ=atan2( (magnetic_mG[2]-Zoffset),(magnetic_mG[1]-Yoffset) ) * (180/3.14159265)+180;//計(jì)算角度        
//                printf("Angle_XY=%3.2f,Angle_XZ=%3.2f,Angle_YZ=%3.2fn",Angle_XY,Angle_XZ,Angle_YZ);                
            }
    }        
        HAL_Delay(10);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */

審核編輯：湯梓紅