電子羅盤的工作原理及校準(zhǔn)

電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來。

要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個(gè)檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究出了方便用戶在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出成本低、性能高的電子羅盤。本文以智騰微電子研發(fā)的電子羅盤為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。

1.??? 地磁場和航向角的背景知識(shí)

如圖1所示，地球的磁場像一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。

圖1 地磁場分布圖

地磁場是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如何根據(jù)矢量調(diào)調(diào)整精度如圖2所示。

實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0?- 360?之間變化。lw