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1、第39卷增刊中国海洋大学学报39(Sup.):459~4622009年9月PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINASep.,2009X自主式水下机器人中数字电子罗盘的误差分析及校正冉红格,何波,刘贵杰(中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100)摘要:为提高电子罗盘在各类导航和精确定位系统中的定向精度,根据HMR3000电子罗盘的性能特点及应用特性,分析该数字电子罗盘在实际工作过程中可能存在的误差及其来源。通过电子罗盘在自主式水下机器人导航中的应用,本文对周围铁磁环境引起的航向误差使用硬件和软件校正技术。分析实验数据可知:该误差补偿算
2、法使数字罗盘的定向精度得到很大改善,表明HMR3000型数字罗盘在水下机器人导航领域应用有良好前景。关键词:HMR3000数字罗盘;自主式水下机器人;误差分析;补偿算法中图法分类号:P732.6文献标识码:A文章编号:167225174(2009)03Ò2459205电子罗盘是一种重要的导航定位工具,当前大多过这些命令直接操作HMR3000。它提供6种NMEA数的导航系统都使用电子罗盘来指示方向。电子罗盘标准数据输出信息格式(HDG、HDT、XDR和HPR、[3]通过对地球磁场等信息的读取、计算,能够实时提供运RCD、CCD)及4种操作模式(连续模式、选通模式、行物体的航
3、向、俯仰角和横滚角等参数。数字电子罗休眠模式和标定模式)。用户可以根据自己实际的需盘由于其成本低、体积小、精度高、环境适应性能好、具要设置数字罗盘的信息输出。通常工作状态下,微处有数字化接口等特点,在民用、国防、通信等领域均获理器进行7次测量,4次倾斜和3次磁场,然后产生航[1]得了广泛的应用。由于电子罗盘是根据地磁原理计向、横滚和俯仰数据。罗盘的指向是由5个经过滤波算磁航向角,所以,在使用过程中周围磁场环境的影的测量结果以每秒13.75次的频率计算出来的。响,会使罗盘系统的精度和稳定性大大下降。如何降2误差分析低或消除外界干扰磁场对其输出精度的影响是在导航应用中必须解决
4、的问题。2.1误差来源本文在分析了电子罗盘可能存在的误差来源的基电子罗盘是利用磁传感应器感应地球磁场来实现础上,提出了软、硬件相结合的误差校正技术,经过补测向定位的,众所周知地球相当于一个巨大的磁体,磁偿后的电子罗盘系统精度大大提高,实验表明,该系统力线由南极到达北极,但磁轴和真正的地轴并不重合,可以应用于水下机器人导航领域。而是存在有一定的夹角。地球上某点的磁场矢量分[4][2]析见图1:1HMR3000性能介绍HMR3000数字罗盘使用磁阻传感器和两轴倾斜[2]传感器来提供航向信息。带有电子平衡架的数字罗盘即使在倾斜达到40(b)时也可以给出精确的航向,其航向角度上的
5、精确度可以达到?0.5(b),俯仰和横滚方向的精度可以达到?0.4(b),分辨率达到0.1(b)。HMR3000内部全部采用表面贴片元件,不含任何移动图1地球某点磁场矢量分析图Fig.1Earthmagneticvectoranalysisinacertainpoint元件,所以非常可靠和坚固。这个功耗低、体积小的装置带有非磁性金属外壳,便于安装固定在任何一个平磁北方向就是地磁场Hearth在水平面的分量Hnorth台上。的方向,则磁北与X轴之间的夹角就是方位角A。两HMR3000是由单片机控制测量时序,所有控制传个磁阻传感器芯片分别感测载体坐标系下地球磁场[5]感器操作
6、的参数均存储在EEPROM中。HMR3000与X、Y、Z轴的分量Hx、Hy、Hz,根据理论公式:外部的主机通过ASCII命令字符串行通信。主机可通X收稿日期:2008206210;修订日期:2008212202作者简介:冉红格(19812),女,硕士。E2mail:gege8217@163.com460中国海洋大学学报2009年hx推进器的转速也会使航向产生误差。固定罗盘与推进HxcosDsinHsinD-cosHsinD=hy(1)器之间的距离为0.5m,无干扰时Heading为16.8(b),Hy0cosHsinHhzPitch为0.7(b),Roll为1.4(b)。
7、当推进器转动时,将其中:hx、hy、hz分别为磁阻传感器3个轴上的磁分量其改变到不同的方向,可以得到的实验数据如下:数据,Hx、Hy为在当地水平面上的地球水平磁场分表1推进器对航向的影响结果量,H为横滚角,D为俯仰角。则航向角:Table1ThepropellerproducingtheimpactonheadingHx航向Heading/(b)转速RotationrateA=arctan(2)Hy5V20V由上面罗盘的原理框图可知,两路磁传感器的幅推进器朝向Propellerdirection0.65A0.78A度和相位响应
