磁传感器在导航系统中的应用
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臧爱云等： 磁传感器在导航系统中的应用
磁传感器在导航系统中的应用 !
臧爱云! 原 魁 严志刚 杜清秀
北京 !"""#"） （中国科学院自动化研究所高技术创新中心
摘
要
介绍了一种基于磁传感器和加速度计， 结构简单、 低成本、 高精度的方位传感器。
该传感器利用当地的地磁场矢量和重力加速度矢量确定传感器在空间的姿态信息。分析 了使传感器产生误差的各种因素， 如温度影响、 附近铁磁物体和噪声影响等， 并给出了消 除这些干扰因素影响的技术。实验研究表明， 此传感器能够为移动机器人导航提供可靠 的高精度姿态信息。 关键词 方位传感器，磁传感器，加速度计，温度补偿 线平行指向东， &$ 轴垂直水平面向下。传感器坐标 系是传感器自身所在的坐标系。机器人在空间的姿 态可由传感器坐标系相对参考坐标系的 $ 个角度确 定， 分别是方位角、 俯仰角和翻滚角。其中， 方位角为 坐标系绕 & 轴从 % # 到 % % 旋转的角度， 俯仰角为 坐标系绕 % 轴从 % # 到 & & 旋转的角度， 翻滚角为 坐标系绕 # 轴从 % % 到 % & 旋转的角度。当传感器 坐标系 !"#%& 各轴分别与参考坐标系 !"#$%$&$ 相 应轴平行时， 方位角、 俯仰角和翻滚角均为零。 方位传感器是通过感测地球地磁场和重力场所 获得的信息来确定方位的。其测量过程分为两步， 首 先由测得的重力加速度在传感器坐标系 # 和 % 轴上 的分量确定俯仰角和翻滚角， 然后结合测得的地磁场 在传感器坐标系三个轴上的分量确定方位角。
图!
方位传感器坐标系
!
方位传感器工作原理
设某时刻传感器的空间姿态如图 ! 所示。此 时， 在传感器坐标系 # ， % 轴上可分别测得重力加速 度 ’ 在其上的分量 () ， (* 。俯仰角和翻滚角由各参 量之间的关系可得： 俯仰角：+ , ’()*+, （ () - ! ’ ） 翻滚角： （ (* - ! ’ ） ! , ’()*+, （!）
"
引 言
导航和自定位能力对智能移动机器人非常重
要。机器人自导航和自定位常用的方法是基于视觉 系统。但在有些环境和情况下， 基于视觉的导航系 统不能很好地工作。例如， 当机器人在一个建筑物 楼道里移动时， 只用视觉导航系统的机器人很难找 到作为其中之一的目标房间， 因为建筑物里很多房 间和拐角非常类似， 没有太多的特征值可以用来自 定位。在室外也会遇到类似的问题， 使得机器人很 难导航和定位。在这些情况下， 方位传感器能够为 机器人提供准确的方位信息， 帮助机器人快捷而准 确地找到目标房间。 本文介绍新开发出的一种基于磁传感器和加速 度计， 结构简单、 低成本、 高精度的方位传感器。该 传感器可以很方便地安装在机器人上， 为移动机器 人导航提供可靠的高精度方向信息。根据机器人运 动的距离和各个时刻的方向信息即可确定机器人的 位置。通常情况下， 移动机器人不论在水平地面， 还 是在倾斜地面运行， 传感器都能够给出高可靠和高 精度的方向信息。
传感器， 将磁场或者磁感应强度等物理量转换成电 信号以最终获得磁场强度等信息。最常用来探测地 磁信号的磁传感器有： 磁通门， 磁阻传感器和磁感应 传感器等。在本系统中选用的是磁阻传感器， 它的 特点是体积小， 灵敏度高 （能够探测到 -* &"9)) 的磁 ! 场） 、 抗电磁噪声、 干扰的能力强、 可靠性高、 成本低 和易于线路板安装等。这种磁阻元件设计封装成一 维和二维磁敏感方式， 其中二维是封装在一起且相
图! ! " " 坐标系内方位角定义
互垂直的双轴磁传感器。实际应用中， 其输出信号 用仪表放大器进行放大， 同时要对磁传感器进行一 系列的操作， 例如置位复位等。 用微处理器对传感器进行控制。在微处理器控 制下， 磁耦合带可以在桥路上加一个偏置磁场， 以消 除不需要的外界磁场， 同时提供反馈信号电流， 在电 流带上形成闭环零磁场测量电路。微处理器还可对 磁场信号进行数字低通滤波， 以减少干扰产生的噪 声。另外利用 : ; < 转换通道进行模数转换， 可通过 过采样提高转换精度。
式中， %、 # 是磁传感器探测到地磁场 $ 在两个互相 !角为传感器坐标系 % 轴正向 垂直方向的分量。" 与磁场水平分量之间的夹角， 即 % 轴正向与磁北之 ! 间的夹角。 " 角减去或加上当地的磁偏角# 即得 % 轴正向与正北之间的夹角， 即方位角"。 当传感器不平行水平面时， 传感器坐标系 &’ %#( 与坐标系 &’%$#$($ 之间的关系如图 ’ 所示。 它们之间的关系用俯仰角 ! 和翻滚角! 表示， 其数 学模型为： %$ $() ! # * $ " ($ )+, ! * ’ * ) )+, ! ’ * * $() ! * * % $() ! )+, ! # ) )+, ! $() ! ( * （-） 则： %$ . % $() ! / # )+, !)+, ! 0 ( $() !)+, ! #$ . # $() ! / ( )+, ! 得： # ! （ $） " "#$%& " %$ # $() ! * ( )+, ! （ ） （2） " "#$%& % $() ! * # )+, !)+, ! ) ( $() !)+, ! 式中， %、 # 和 ( 是三维磁传感器探测得到地磁场 3 在传感器三个互相垂直方向上的分量。 可通过以下方法对方位角进行校正。若当地地 磁偏角为#， 方位角为"： ! ’4* ) " * # （ %$ 5* * （ %$ # （ %$ " " !6* * # ! （ %$ ) " *# ! -7* ) " * # （ %$
本文中定义的参考坐标系 !" #$%$&$ 和传感器坐标系 !"#%& 均 是笛卡儿坐标系。默认参考坐标系 为 #$ 轴指向地球北极， %$ 轴与纬
（1""!334111""） 资助项目。 " #0$ 计划 博士生； 研究方向： 虚拟现实技术； 联系人。 !./0 年生， ! 女， （收稿日期： 1""$2"#21-）
测得磁场信号 ./01； 然后复位， 再次测出磁场 信 号 磁传感器置位和复位输出转换曲线如图 3 所 .20/01， 示。从图 3 中可以看出， 传感器偏移约 4 ,5.。这 种偏移可通过如下简单的减法消除。
图"
置位和复位后传感器输出曲线
#$%& ’ ( ! )*++,-%. / #011$%& （6） #$%& 3 #2%$%& # ’ ’ ( ! )*++,-%. & 单位为 5. # 789//。用这 式中 ( 为磁传感器灵敏度， 种技术可以把温度影响减小到整个磁场读数变化范 围的 (:(’) # ; 。当温度变化范围为 3(; 时， 对方 位角的影响低于 ( % ,<。 & % & % & 附近铁磁材料影响补偿 要得到准确的方位角， 传感器探测到的磁信号 应是纯地磁信号， 如果包含其他磁场信号， 就会导致 方位角产生误差。实际应用中， 方位传感器附近的 铁磁材料， 如机器人本身使用了某些铁磁材料， 使方 位传感器探测到的磁场信号并不仅仅是地磁信号， 而是畸变的磁场信号， 如图 = 所示。铁磁材料分为 硬磁材料和软磁材料两种， 它们对地磁场 ) 影响的 #2%$%& ’ 3 ( ! )*++,-%. / #011$%&
万 方数据 — 21 —
（1）
图$
方位传感器结构框图
图%
姿态传感器结构框图
+ *） #$ + *） " *， #$ , *） （7） " *， #$ + *） , *， #$ , *） , *，
当方位传感器只工作在水平面上时， 其基本结 构框架可比较简单， 如图 - 所示。这种方位传感器 虽然设计简单， 精度高。但只能在水平面上工作， 不 能提供除方位角以外的姿态信息， 而且当方位传感 器不平行于水平面时， 随着倾斜角增加得出的方位
臧爱云等： 磁传感器在导航系统中的应用
角误差显著增加。为了弥补这种缺陷， 使方位传感 器能够反映出在空间的任何姿态， 对此方位传感器 进行改进， 结构如图 ! 所示。利用体积小、 精度高、 价格低的双轴加速度计作为倾角传感器， 通过重力 加速度在 ! 、 " 轴不同的分量来确定倾斜角度。用 一个一维和一个两维磁传感器组成三维磁传感器， 把探测到的三维互相垂直的磁场信号经过模拟电路 放大、 滤波， 送到 " # $ 转换。 !%! 算法实现 理想情况下， 方位传感器工作在水平位置或非 水平位置确定方位角都能达到很高的精度。由于空 间充满了电磁信号， 如计算机运行产生的电磁信号， 手机信号等， 这些信号多是交流的电磁信号， 为了降 低这些噪声信号的影响， 要对采样信号进行低通滤 波， 过滤掉交流的电磁信号得到直流的磁信号。除 了高频的电磁信号的干扰之外， 在实际应用中磁阻 传感器还受温度、 附近铁磁材料对地磁场的干扰、 磁 传感器误差、 倾斜角误差以及地磁场变化等因素的 影响， 这些因素都会导致方位传感器产生误差， 因此 还要对采样信号进行处理以减少干扰的影响。 & % & % ’ 温度补偿 采样信号滤波后， 因磁阻传感器受温度影响大， 其温度系数影响方位传感器的准确性， 所以还要考虑 补偿温度影响。补偿温度影响需要考虑两个方面： 温 度漂移和温度敏感系数。温度敏感系数表现为传感 器输出增益随温度的变化。磁阻传感器通常有相关 的温度敏感系数， 特别是两轴传感器封装在一起时。 这种相关性意味着 ! 、 " 两轴输出随温度的变化是相 对应的， 例如当 ! 轴读数因温度改变 ’() ， " 轴也会 相应改变 ’() 。用 （&） 式计算方位角时， 因为两轴相 除而抵消了温度敏感系数的影响， 所以只考虑因温度 变化导致的 " # $ 转换器的动态输入量程变化就可以 了， 而不用考虑温度敏感系数的其他影响。 磁传感器的温度漂移不是相关的， 而且在实际 中经常向相反的方向漂移。磁传感器的温度漂移使 方位角产生不可忽视的误差。用数字或者模拟电路 技术都可以补偿温度漂移的影响， 一种简单的方法 是使用磁传感器上一个用来置位或复位输出的极性 的 * # + 管脚。这种技术不但能够消除温度漂移、 直 流偏移电压， 而且能够消除放大器的偏移电压和温 度漂移。 置位和复位技术是用两个方向相反的窄脉冲电 流， 电流的大小为 , - !"， 通过磁传感器控制输出极 性的电流带， 使输出极性改变。磁传感器被置位后， 万方数据
磁传感器在导航系统中的应用 !
臧爱云! 原 魁 严志刚 杜清秀
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摘
要
介绍了一种基于磁传感器和加速度计， 结构简单、 低成本、 高精度的方位传感器。
该传感器利用当地的地磁场矢量和重力加速度矢量确定传感器在空间的姿态信息。分析 了使传感器产生误差的各种因素， 如温度影响、 附近铁磁物体和噪声影响等， 并给出了消 除这些干扰因素影响的技术。实验研究表明， 此传感器能够为移动机器人导航提供可靠 的高精度姿态信息。 关键词 方位传感器，磁传感器，加速度计，温度补偿 线平行指向东， &$ 轴垂直水平面向下。传感器坐标 系是传感器自身所在的坐标系。机器人在空间的姿 态可由传感器坐标系相对参考坐标系的 $ 个角度确 定， 分别是方位角、 俯仰角和翻滚角。其中， 方位角为 坐标系绕 & 轴从 % # 到 % % 旋转的角度， 俯仰角为 坐标系绕 % 轴从 % # 到 & & 旋转的角度， 翻滚角为 坐标系绕 # 轴从 % % 到 % & 旋转的角度。当传感器 坐标系 !"#%& 各轴分别与参考坐标系 !"#$%$&$ 相 应轴平行时， 方位角、 俯仰角和翻滚角均为零。 方位传感器是通过感测地球地磁场和重力场所 获得的信息来确定方位的。其测量过程分为两步， 首 先由测得的重力加速度在传感器坐标系 # 和 % 轴上 的分量确定俯仰角和翻滚角， 然后结合测得的地磁场 在传感器坐标系三个轴上的分量确定方位角。
图!
方位传感器坐标系
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方位传感器工作原理
设某时刻传感器的空间姿态如图 ! 所示。此 时， 在传感器坐标系 # ， % 轴上可分别测得重力加速 度 ’ 在其上的分量 () ， (* 。俯仰角和翻滚角由各参 量之间的关系可得： 俯仰角：+ , ’()*+, （ () - ! ’ ） 翻滚角： （ (* - ! ’ ） ! , ’()*+, （!）
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导航和自定位能力对智能移动机器人非常重
要。机器人自导航和自定位常用的方法是基于视觉 系统。但在有些环境和情况下， 基于视觉的导航系 统不能很好地工作。例如， 当机器人在一个建筑物 楼道里移动时， 只用视觉导航系统的机器人很难找 到作为其中之一的目标房间， 因为建筑物里很多房 间和拐角非常类似， 没有太多的特征值可以用来自 定位。在室外也会遇到类似的问题， 使得机器人很 难导航和定位。在这些情况下， 方位传感器能够为 机器人提供准确的方位信息， 帮助机器人快捷而准 确地找到目标房间。 本文介绍新开发出的一种基于磁传感器和加速 度计， 结构简单、 低成本、 高精度的方位传感器。该 传感器可以很方便地安装在机器人上， 为移动机器 人导航提供可靠的高精度方向信息。根据机器人运 动的距离和各个时刻的方向信息即可确定机器人的 位置。通常情况下， 移动机器人不论在水平地面， 还 是在倾斜地面运行， 传感器都能够给出高可靠和高 精度的方向信息。
传感器， 将磁场或者磁感应强度等物理量转换成电 信号以最终获得磁场强度等信息。最常用来探测地 磁信号的磁传感器有： 磁通门， 磁阻传感器和磁感应 传感器等。在本系统中选用的是磁阻传感器， 它的 特点是体积小， 灵敏度高 （能够探测到 -* &"9)) 的磁 ! 场） 、 抗电磁噪声、 干扰的能力强、 可靠性高、 成本低 和易于线路板安装等。这种磁阻元件设计封装成一 维和二维磁敏感方式， 其中二维是封装在一起且相
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互垂直的双轴磁传感器。实际应用中， 其输出信号 用仪表放大器进行放大， 同时要对磁传感器进行一 系列的操作， 例如置位复位等。 用微处理器对传感器进行控制。在微处理器控 制下， 磁耦合带可以在桥路上加一个偏置磁场， 以消 除不需要的外界磁场， 同时提供反馈信号电流， 在电 流带上形成闭环零磁场测量电路。微处理器还可对 磁场信号进行数字低通滤波， 以减少干扰产生的噪 声。另外利用 : ; < 转换通道进行模数转换， 可通过 过采样提高转换精度。
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测得磁场信号 ./01； 然后复位， 再次测出磁场 信 号 磁传感器置位和复位输出转换曲线如图 3 所 .20/01， 示。从图 3 中可以看出， 传感器偏移约 4 ,5.。这 种偏移可通过如下简单的减法消除。
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万 方数据 — 21 —
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图$
方位传感器结构框图
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姿态传感器结构框图
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当方位传感器只工作在水平面上时， 其基本结 构框架可比较简单， 如图 - 所示。这种方位传感器 虽然设计简单， 精度高。但只能在水平面上工作， 不 能提供除方位角以外的姿态信息， 而且当方位传感 器不平行于水平面时， 随着倾斜角增加得出的方位
臧爱云等： 磁传感器在导航系统中的应用
角误差显著增加。为了弥补这种缺陷， 使方位传感 器能够反映出在空间的任何姿态， 对此方位传感器 进行改进， 结构如图 ! 所示。利用体积小、 精度高、 价格低的双轴加速度计作为倾角传感器， 通过重力 加速度在 ! 、 " 轴不同的分量来确定倾斜角度。用 一个一维和一个两维磁传感器组成三维磁传感器， 把探测到的三维互相垂直的磁场信号经过模拟电路 放大、 滤波， 送到 " # $ 转换。 !%! 算法实现 理想情况下， 方位传感器工作在水平位置或非 水平位置确定方位角都能达到很高的精度。由于空 间充满了电磁信号， 如计算机运行产生的电磁信号， 手机信号等， 这些信号多是交流的电磁信号， 为了降 低这些噪声信号的影响， 要对采样信号进行低通滤 波， 过滤掉交流的电磁信号得到直流的磁信号。除 了高频的电磁信号的干扰之外， 在实际应用中磁阻 传感器还受温度、 附近铁磁材料对地磁场的干扰、 磁 传感器误差、 倾斜角误差以及地磁场变化等因素的 影响， 这些因素都会导致方位传感器产生误差， 因此 还要对采样信号进行处理以减少干扰的影响。 & % & % ’ 温度补偿 采样信号滤波后， 因磁阻传感器受温度影响大， 其温度系数影响方位传感器的准确性， 所以还要考虑 补偿温度影响。补偿温度影响需要考虑两个方面： 温 度漂移和温度敏感系数。温度敏感系数表现为传感 器输出增益随温度的变化。磁阻传感器通常有相关 的温度敏感系数， 特别是两轴传感器封装在一起时。 这种相关性意味着 ! 、 " 两轴输出随温度的变化是相 对应的， 例如当 ! 轴读数因温度改变 ’() ， " 轴也会 相应改变 ’() 。用 （&） 式计算方位角时， 因为两轴相 除而抵消了温度敏感系数的影响， 所以只考虑因温度 变化导致的 " # $ 转换器的动态输入量程变化就可以 了， 而不用考虑温度敏感系数的其他影响。 磁传感器的温度漂移不是相关的， 而且在实际 中经常向相反的方向漂移。磁传感器的温度漂移使 方位角产生不可忽视的误差。用数字或者模拟电路 技术都可以补偿温度漂移的影响， 一种简单的方法 是使用磁传感器上一个用来置位或复位输出的极性 的 * # + 管脚。这种技术不但能够消除温度漂移、 直 流偏移电压， 而且能够消除放大器的偏移电压和温 度漂移。 置位和复位技术是用两个方向相反的窄脉冲电 流， 电流的大小为 , - !"， 通过磁传感器控制输出极 性的电流带， 使输出极性改变。磁传感器被置位后， 万方数据
