關于移動機器人中定向磁電子羅盤的探究與設計

磁電子羅盤是一種利用地磁場實現(xiàn)定向功能的裝置，在移動機器人導航方面有著重要的應用價值。與傳統(tǒng)的自主慣性導航設備相比，磁電子羅盤具有體積小、成本低、無累計誤差、能夠自動尋北等特點。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散磁場進行補償，輸出電信號．可方便地與其他電子設備組成應用系統(tǒng)。

本羅盤設計采用Philips公司的KMZ52磁阻傳感器和Microchip公司的PIC16F818單片機。并對羅盤進行詳細介紹。

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。地磁場的強度為0.3高斯至0.6高斯，其大小和方向隨地點（甚至隨時間）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間緩慢變化。

本文設計的二維磁電子羅盤用于測量、計算磁場的方位角，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給移動機器人的控制器。此磁電子羅盤采用磁電阻傳感器，移動機器人的控制器接收來自磁電阻傳感器信號，此信號均為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是指對于強磁性金屬（鐵、鈷、鎳等及其合金），當外加磁場平行于磁場內(nèi)部磁化方向時，阻值不變；若外界磁場方向偏離時，則其阻值減?。蝗绻堰@類金屬做成薄膜帶狀導線，當電流通過時，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關系變化，趨于同向時阻值增大，背向時阻值減小。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)置兩個正交磁敏電阻橋、完整的補償線圈和設置／復位線圈。補償線圈的輸出與當前測量結(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用于導航、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率的坡莫合金，在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場兩個力的作用下，電子改變運動方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時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)動引起阻值減小。而R2和R3的磁化方向朝向電流方向轉(zhuǎn)動，阻值增大△R。計算得：

3磁電子羅盤的硬件設計

磁電子羅盤的硬件系統(tǒng)包括信號采集、信號處理、消磁電路、基準電壓源和單片機等部分。其中信號處理包括一級放大、二級放大電位提升、濾波等3部分。采集到的信號經(jīng)過放大濾波后送至單片機的A／D轉(zhuǎn)換端口。經(jīng)過單片機計算方向角后，傳送至上位機，機器人的控制器對其處理。磁電子羅盤設計總體結(jié)構如圖2所示。

3.1翻轉(zhuǎn)線圈

磁阻傳感器在使用一段時間后或受到外界瞬時高強磁場影響時，其信噪比降低，輸出信號幅度減弱。為消除這種影響，必須在電路設計時考慮使用翻轉(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／復位電流帶實現(xiàn)的。該電流帶是一個線繞式線圈，當線圈上有電流通過時，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／復位電流帶需要施加置位／復位脈沖，簡稱S／R脈沖。需要注意的是，S脈沖與R脈沖對傳感器的影響相同，唯一不同的是傳感器輸出信號的改變。這是因為磁阻傳感器有兩種工作方式。其中，工作方式1輸出電壓與磁場強度成正比，而工作方式2輸出電壓與磁場強度成反比。對于置位／復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，設地磁場磁感應強度為G，傳感器輸出為Vn，則傳感器工作在方式1時，V1=G+A；工作在方式2時，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)線圈達到消除偏差的目的。加以1 A的脈沖電流即可重新校準或反置傳感內(nèi)的磁敏組件，該脈沖寬度可短至3μs。本設計在每次上電后，由單片機發(fā)送去磁復位指令，經(jīng)過去磁驅(qū)動電路，發(fā)送脈沖電流至翻轉(zhuǎn)線圈，完成復位。去磁電路是由簡單的三極管驅(qū)動電路構成。

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?？紤]到地磁場水平方向的磁場強度約為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。而通用運算放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，不能直接放大微弱信號。因此，一級放大電路采用儀表放大器AD620。

一般信號放大應用中，采用差動放大電路即可滿足需求，但精度低，且變更放大增益時，必須調(diào)整兩只電阻，影響整個信號放大精度。而儀表放大電路則無上述缺點。圖3所示儀表放大器是由3個放大器組成，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。其關系式如式（3）所示，須注意避免每個放大器產(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。二級放大電路采用LM324運放，構成同向加法器。經(jīng)過二級運放后，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A／D轉(zhuǎn)換要求。而電位提升電路所需2.5 V基準電壓是由TL431三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管提供。

3.3數(shù)字信號處理器

磁電子羅盤的數(shù)字信號處理器采用Microchip公司的8位PIC16F818單片機，對經(jīng)過信號調(diào)理的磁電阻傳感器輸出信號進行采樣、轉(zhuǎn)換、處理、存儲，并通過SPI串行通信模塊響應來自PC機的命令及向PC機傳輸磁場、方位角數(shù)據(jù)。另外，單片機還為去磁電路提供控制信號。PIC16F818單片機的指令處理速度能夠達到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，非常適用于那些需要實時信號處理的機器人傳感器信號處理。另外，單片機內(nèi)部的SPI串行通信模塊實現(xiàn)傳感器與機器人上位機的同步通信，將方位角的實時信息傳送至上位機進行處理。

4磁電子羅盤的軟件設計

電子羅盤的軟件設計程序包括：初始化子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、區(qū)域判斷子程序、角度計算子程序以及PWM信號發(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為軟件設計主程序流程。

其中，方位角計算是軟件設計的關鍵。采用一般反三角函數(shù)逼近的計算方法則涉及匯編語言浮點除法，編程占用大量空間，并且不易調(diào)試。而且反三角一般的計算范圍是180°。對于360°還要進行額外判斷。本系統(tǒng)設計采用壓縮映射算法計算方位角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軸上測得的磁場強度Hex、Hey。根據(jù)三角函數(shù)的軸對稱性，先將0°～365°的情況壓縮在0°～45°內(nèi)進行查表，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運算，提高計算速度，降低程序的復雜性。

結(jié)束語

本文采用KMZ52磁阻傳感器設計一種用于移動機器人定向用的電子羅盤。介紹了該電子羅盤的硬件系統(tǒng)，在信號調(diào)理電路中，采用內(nèi)部線圈翻轉(zhuǎn)和兩級放大及電位提升電路，使傳感器信號能夠被PIC16F818經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送到上位機處理。