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電子羅盤
閱讀�15194�(shí)間:2010-09-25 16:38:18

  電子羅盤,也叫數(shù)字指南針,是利用�磁場(chǎng)�(lái)定北極的一種方�。古代稱為羅�(jīng),現(xiàn)代利用先�(jìn)加工工藝生產(chǎn)�磁阻傳感�為羅盤的�(shù)字化提供了有力的幫助?,F(xiàn)在一般有用磁�傳感�和磁通門加工而成的電子羅盤。雖�GPS在導(dǎo)�、定�、測(cè)速、定向方面有著廣泛的�(yīng)�,但由于其信�(hào)常被地形、地物遮�,導(dǎo)致精度大大降低,甚至不能使用。尤其在高樓林立城區(qū)和植被茂密的林區(qū),GPS信號(hào)的有效性僅�60[%]。并且在靜止的情況下,GPS也無(wú)法給出航向信�。為彌補(bǔ)這一不足,可以采用組合導(dǎo)航定向的方法。電子羅盤產(chǎn)品正是為滿足用戶的此類需求而設(shè)�(jì)�。它可以�(duì)GPS信號(hào)�(jìn)行有效補(bǔ)�,保證導(dǎo)航定向信�100[%]有效,即使是在GPS信號(hào)失鎖后也能正常工作,做到“丟星不丟向��

特點(diǎn)

  典型的數(shù)字羅盤具有以下特�(diǎn)�

  1.三軸磁阻傳感器�(cè)量平面地磁場(chǎng),雙軸傾角補(bǔ)��

  2.高速高精度A/D�(zhuǎn)��

  3.內(nèi)置溫度補(bǔ)償,限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移�

  4.內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾��

  5.具有簡(jiǎn)單有效的用戶�(biāo)校指令�

  6.具有指向零�(diǎn)修正功能�

  7.外殼結(jié)�(gòu)防水,無(wú)�。電子羅盤的原理是測(cè)量地球磁�(chǎng),如果在使用的環(huán)境中還有除了地球以外的磁�(chǎng)且這些磁場(chǎng)�(wú)法有效的屏蔽�(shí),那么電子羅盤的使用就有很大的問(wèn)�,這時(shí)只能考慮使用陀螺來(lái)�(cè)定航向了�

分辨�

  電子羅盤分辨率的大小是指電子羅盤最小能分辨出多少度的角的誤差。現(xiàn)在的電子羅盤一般是±0.1°�(dāng)每秒響應(yīng)速度�4次時(shí),每秒響�(yīng)速度�20次時(shí)則大致為±0.2°�

原理

  電子羅盤由三維磁阻傳感器、兩�(gè)傾角傳感器和MCU�(gòu)�。三維磁阻傳感器用來(lái)�(cè)量地球磁�(chǎng),傾角傳感器是在磁力儀非水平狀�(tài)�(shí)�(jìn)行補(bǔ)�;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信�(hào)以及�(shù)�(jù)輸出和軟�、硬鐵補(bǔ)�。該磁力儀是采用三�(gè)互相垂直的磁阻傳感器,每�(gè)軸向上的傳感器檢�(cè)在該方向上的地磁�(chǎng)�(qiáng)�。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測(cè)地磁�(chǎng)在x方向的矢量�;向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁�(chǎng)在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁�(chǎng)在Z方向的矢量�。每�(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量�(diào)整到�(diǎn),并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器�(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)�(jìn)行放大后送入MCU�(jìn)行處�。磁�(chǎng)�(cè)量范圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D�(zhuǎn)換器,磁力儀能夠分辨出小�1mGauss的磁�(chǎng)變化�,我們便可通過(guò)該高分辨力來(lái)�(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁�(chǎng)�(qiáng)�,不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位��

  僅用地磁�(chǎng)在X和Y的兩�(gè)分矢量值便可確定方位�:

  Azimuth=arcTan(Y/X)

  該關(guān)系式是在檢測(cè)儀器與地表面平行時(shí)才成�。當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時(shí),方位值的�(zhǔn)確性將要受到很大的影響,該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響,AOSI采用兩�(gè)線性傾角傳感器�(lái)�(cè)量俯仰和�(cè)傾角,這�(gè)俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化;而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變�。EZ-compass-3電子羅盤將俯仰和�(cè)傾角的數(shù)�(jù)�(jīng)�(guò)�(zhuǎn)換計(jì)算,將磁力儀在三�(gè)軸向上的矢量在原�(lái)的位� “拉� 回到水平的位��

  �(biāo)�(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算式如下:

  Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

  Yr=Xcosβ+Zsinβ

  這里 Xr和Yr為要�(zhuǎn)換到水平位置的�

  α為俯仰角

  β為側(cè)傾角

  從以上這三�(gè)�(jì)算公式可以看�,在整�(gè)�(bǔ)償技�(shù)中Z軸向的矢量扮演一�(gè)非常重要的角�.要正�

  �(yùn)用這些�,俯仰和�(cè)傾角的數(shù)字必須時(shí)刻更�.AOSI采用兩�(gè)量程范圍�(dá)±80°、分辨率�(yōu)�

  0.005°的陶瓷基體電解質(zhì)傳感器SX-070D-LIN�(lái)�(cè)量俯仰角和側(cè)傾角,SX-070D-LIN的線性是�

  程為±70°,溫漂系�(shù)�-0.08[%]/℃。每�(gè)傾角�(shù)值都是經(jīng)�(guò)電路板上的溫度傳感器�(bǔ)償后得出�。補(bǔ)�?shù)臏囟然鶞?zhǔn)為室�25�.

  手機(jī)和車用電子羅盤因未內(nèi)置傾角補(bǔ)償功�,所�,起�(cè)量精度相�(duì)較低�

  多年以來(lái),研究人員花�(fèi)極大的代�(jià),使GPS在航空與航海的應(yīng)用中成功地實(shí)�(xiàn)了慣性導(dǎo)航與GPS一體化的解決方�。面�(duì)�(fā)展前景廣闊的車輛定位(AVL)市�(chǎng),生�(chǎn)可靠的低成本的陀螺儀和GPS接收�(jī)在目前仍然是�(gè)挑戰(zhàn)�

  在某些特定的城市�(huán)境下,GPS接收�(jī)的定位不精確限制了它的廣泛使�,產(chǎn)生不精確定位的原因包括:①多路徑效應(yīng):建筑物�(duì)GPS信號(hào)的反� ②陰影:城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被�,信�(hào)接收效果較差 ③在隧道、地下停車廠造成的信�(hào)失鎖 ④在接收信號(hào)差的地區(qū)延長(zhǎng)了初始化�(shí)� ⑤一些動(dòng)�(tài)影響,如汽車大幅度增速與減速等。以上原因都�(huì)�(chǎn)生兩種可能的�(jié)�,即GPS接收�(jī)�(wú)法提供任何位置或者定位精度陡然下降,誤差甚至大于500�。于是,人們開�(fā)了一種用羅盤定位的位置增�(qiáng)系統(tǒng)�(lái)糾正和補(bǔ)償以上原因造成的不良影��

  �(xiàn)在讓我們�(jìn)行一�(gè)試驗(yàn):裝備GPS接收�(jī)的汽車在中心商業(yè)區(qū)行駛,產(chǎn)生了如圖1所示不可靠和不精確的位��12信道的GPS接收�(jī)顯示了幾百米的誤�,當(dāng)汽車使入兩�(gè)多層建筑物之間的小巷�(nèi),顯示的位置任意跳動(dòng),由此可�(jiàn),多路徑效應(yīng)引起�500 多米的誤�。可以想�,在香港、紐約和東京這些具有城市“峽谷�,且多數(shù)�(shí)間衛(wèi)星處在被遮擋的情況下,GPS接收�(jī)的顯示將是怎樣的結(jié)��

  GPS接收�(jī)制造廠商考慮到城市中信號(hào)的不�(wěn)定�,采用了許多幾何算法企圖在接收衛(wèi)星數(shù)目剛好滿足精確定位所需的數(shù)量下繼續(xù)定位。如,假�(shè)緯度保持常數(shù)或者車輛始終保持在同一方向行駛。有�(shí)這種假設(shè)是合理的,但�(jīng)常是不合理的�

  2� GPS增強(qiáng)系統(tǒng)

  �(dāng)GPS精度不能滿足�(yīng)用要求時(shí),必須采用GPS接收�(jī)增強(qiáng)系統(tǒng)。如車輛�(dǎo)航系�(tǒng)的電子地圖儲(chǔ)存在車輛傳感器的CD-ROM�,�(jìn)行粗略定�、導(dǎo)�、轉(zhuǎn)彎等,系�(tǒng)必須與儲(chǔ)存的地理信息�(shù)�(jù)匹配,從而確定車輛的位置。這種通過(guò)系統(tǒng)屏幕顯示和語(yǔ)音引�(dǎo)為駕駛員指明方向的自主導(dǎo)航系�(tǒng)�(yùn)行比較穩(wěn)�,并且在日本、歐洲、美�(guó)得到了廣泛應(yīng)�,但成本較高�

  2�1 羅盤定位

  船員使用的羅盤定位儀是由指南針和�(cè)速儀組成,從起始�(diǎn)起確定船體的行蹤。同樣,汽車也可使用這套系統(tǒng),只要能確定方向和速度。解決速度�(cè)量比較容易實(shí)�(xiàn),因?yàn)楝F(xiàn)在的汽車都有一�(gè)電子速度傳感�,經(jīng)處理的輸出信�(hào)給出行駛速度和距離�。但是解決精確的、低成本的方向測(cè)量更困難,電磁指南針在地球磁�(chǎng)中能�(cè)量車輛的方向,而磁�(chǎng)從一地到另一地隨�(shí)變化,需要隨�(shí)�(jìn)行指南針校正。而且象汽車空�(diào)和音響系�(tǒng)的電流在�(jīng)�(guò)橋梁、隧道、建筑物�(shí)受到外部影響,也改變磁場(chǎng)。坡度的變化也影響方向的�(cè)�。航空飛行用陀螺儀解決了方向測(cè)量問(wèn)題,但是高質(zhì)量的陀螺儀�(jià)格昂��

  2�2 車輛定位中的�(yīng)用固�(tài)陀螺儀的成本較適合于汽車導(dǎo)航系�(tǒng),由于它的條件限�,必須額外小心使�。于�,人們專門開發(fā)了一種汽車用羅盤定位系統(tǒng),用速度傳感器測(cè)量速度,當(dāng)后退�(shí)用轉(zhuǎn)彎燈指示。小型的擺動(dòng)光柱或陀螺儀�(cè)量轉(zhuǎn)彎率,這種陀螺儀只需5V的直流電便可�(yùn)行,有大�22mV/�/秒的敏感��0�/秒(陀螺儀偏差電壓)相�(dāng)于約2.5V ,為了確定行車的前�(jìn)方向,從陀螺儀的輸出結(jié)果減去陀螺儀偏差電壓,將�(jié)果代入,相對(duì)于初始行駛方向產(chǎn)生一�(gè)方向變化。由于現(xiàn)代微處理器技�(shù)的發(fā)展,以上�(jì)算很容易,但是必須克服幾�(gè)�(wèn)題:系統(tǒng)必須精確�(cè)量陀螺儀偏差電壓以確保通過(guò)算法處理�(méi)有轉(zhuǎn)譯成大的�(dǎo)航誤�。陀螺儀偏差隨著周圍的溫度而變化,同時(shí)電子和機(jī)械產(chǎn)生的噪音也影響輸出信�(hào)。另外,車輛速度傳感器本身也有誤差源。羅盤定位系�(tǒng)就是要在�(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮作�,即�(dāng)GPS不能提供正確服務(wù)�(shí),它必須能處理傳感器誤差�

  2. 3. 誤差�(lái)源事�(shí)上,我們需要首先解釋影響定位的所有誤�,用于車輛定位的低成本的GPS接收�(jī)任意誤差�15-25米(2-D根方差),上面提到過(guò),在某些情況下誤差達(dá)到幾百米。DOP能解釋由�(wèi)星幾何位置不好和陰影造成的誤差,而無(wú)法解釋多路徑效應(yīng)造成的誤差。有些接收機(jī)考慮了多種誤差源就可獲得所需的測(cè)量�,而普通接收機(jī)�(wú)法獲取高�(zhì)量的�(cè)量�。羅盤定位系�(tǒng)則通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄔ谟性S多誤差存在的情況下能提供很好的測(cè)量結(jié)果,不管怎樣,羅盤定位系�(tǒng)也有局限性,�?yàn)檐囕v速度傳感器對(duì)速度和方向也�(huì)帶來(lái)誤差�。在軸、驅(qū)�(dòng)輪和地面距離的關(guān)系上,隨輪胎磨損、輪胎溫度及輪胎打滑的變化而變�,它�(dǎo)致每輪旋�(zhuǎn)10[%]的距離變��

  3�1 陀螺儀偏差陀螺儀最重要的誤差就是陀螺儀偏差的不確定�。通常陀螺儀輸出的測(cè)量值包括角度誤差,這�(gè)誤差與真�(shí)信號(hào)混合在一�。為便于理解�(duì)方向�(jì)算產(chǎn)生的影響,考慮到系�(tǒng)�10bit模擬/�(shù)字轉(zhuǎn)換器�(cè)量陀螺儀的輸出結(jié)�。假�(shè)一�(gè)�(wú)噪聲陀螺儀偏差電壓,其誤差值等于定量誤差且大于0.5bit,約2.5mv ,相�(dāng)于陀螺儀�0.1�/秒� 陀螺儀輸出的偏差在方向上產(chǎn)生一�(gè)誤差0.1�/秒�300� = 30�,這是一�(gè)讓人�(wú)法接受的累積誤差�    3�2 陀螺儀的另外一種誤差陀螺儀的另外一種誤差呈非線性和其它不定�,與陀螺儀偏差誤差相比,這種誤差很小且對(duì)大多�(shù)車輛定位�(yīng)用并不重�。地形的�(fù)雜性給陀螺儀系統(tǒng)帶來(lái)另一種誤差。陀螺儀有一�(gè)垂直于參考坐�(biāo)平面的靈敏性高的轉(zhuǎn)�(dòng)�,如果軸不垂�,刻度因素的敏感性被傾斜角的余旋減少�10度的傾角(對(duì)于汽車是�(gè)很陡的坡�,結(jié)果將增加1.5[%]的誤�。精確地�(cè)量地面距離很重要,由于直接從GPS�(jì)算出的距離并不可�,如果GPS�10秒間隔采�,當(dāng)汽車在間隔時(shí)間沿360度環(huán)島行�,計(jì)算結(jié)果將�0。在GPS信號(hào)弱的地區(qū)或信�(hào)失鎖地區(qū),GPS�(cè)量誤差達(dá)幾百��

  4. GPS慣性羅盤定位系�(tǒng)通過(guò)仔細(xì)的信�(hào)處理和傳感器管理,我們可以獲得車輛行駛的地面距離,利用這些�(cè)量值和�(biāo)�(zhǔn)�(dǎo)航等�,羅盤定位系�(tǒng)可計(jì)算出一�(gè)慣性位�。不管傳感器多貴,信�(hào)處理算法多好,無(wú)法解釋的殘余誤差將累�,導(dǎo)致慣性導(dǎo)航不起作�。圖2提出了了兩種解決方案混合的策略,使慣性位�、行駛方向、陀螺儀偏差和速度傳感器刻度估值等得到正確的處理結(jié)��

  下面幾�(gè)原因�(huì)造成精度不準(zhǔn)或失效:

  新更換電��

  電池電量��

  電子羅盤附近有電力線,金屬結(jié)�(gòu)建筑或其它對(duì)磁場(chǎng)有影響的干擾源�

  羅盤校正步驟�(méi)有正確完��

  重新�(biāo)定羅盤,如果仍然得不到準(zhǔn)確讀�(shù),更換電池重新標(biāo)��

�(yīng)用場(chǎng)�

  水平孔和垂直孔測(cè)�

  水下勘探

  飛行器導(dǎo)�

  科學(xué)研究

  教育培訓(xùn)

  建筑物定�

  �(shè)備維�(hù)

  �(dǎo)航系�(tǒng)

  仿真系統(tǒng)

  GPS備份

  汽車指南�

  虛擬�(xiàn)�(shí)

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