專(zhuān)利名稱(chēng)：一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元。
背景技術(shù)：
一般地，三維空間地磁傳感器，主要用于感知被嵌入的機(jī)械設(shè)備，或者用于測(cè)量物體在地球表面任何一個(gè)地方的當(dāng)前方位角，以及用于測(cè)量物體相對(duì)于地球表面某一點(diǎn)切面的俯仰角等。例如，美國(guó)Holleywell公司(單純傳感器生產(chǎn)商)的HMC傳感器系列，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)，導(dǎo)彈姿態(tài)方向感知控制系統(tǒng)，航海中輪船的姿態(tài)感知系統(tǒng)，以及飛機(jī)航行中俯仰角、方位角與傾斜度等；傳感器嵌入到電路板模塊里面，通過(guò)內(nèi)部通訊總線輸出3個(gè)數(shù)據(jù)，即當(dāng)前俯仰角(pitch)、方位角(yaw)與轉(zhuǎn)動(dòng)角(roll)。在現(xiàn)有技術(shù)中，將單個(gè)傳感器嵌入到電路板模塊中，雖然可以通過(guò)通訊總線獲得這三個(gè)測(cè) 量角度數(shù)據(jù)；但是，首先，在自然環(huán)境中，地磁傳感器會(huì)受到各種各樣干擾，在實(shí)際試驗(yàn)中，單純?cè)嫉膫鞲衅鲾?shù)據(jù)具有明顯的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性；此外，排除自然環(huán)境干擾， 在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，傳感器本身所嵌入的電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的干擾，會(huì)輸出完全錯(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù)，因?yàn)榻饘俦旧韺?duì)磁場(chǎng)的影響或者電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)都會(huì)干擾到傳感器本身的測(cè)量結(jié)果。并且，在高精度的工業(yè)航空航海軍事應(yīng)用領(lǐng)域，這種干擾是完全不允許發(fā)生的，絕對(duì)的魯棒性也是應(yīng)用的一個(gè)必須要求之一。綜上所述，在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在穩(wěn)定性差、測(cè)量精度低、可靠性差等以下缺陷⑴穩(wěn)定性差在完全自然的環(huán)境中，地磁傳感器會(huì)受到各種各樣的干擾，在實(shí)際試驗(yàn)中，單純?cè)嫉膫鞲衅鲾?shù)據(jù)具有明顯的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性；傳感器本身所嵌入的電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的干擾；(2)可靠性低金屬對(duì)磁場(chǎng)的影響或者電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)都會(huì)干擾到傳感器本身的測(cè)量結(jié)果，甚至?xí)敵鐾耆e(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù)；⑶實(shí)用性差在高精度的工業(yè)航空航海軍事應(yīng)用領(lǐng)域，要求傳感器具有絕對(duì)的魯棒性，不允許發(fā)生自然環(huán)境和金屬本身的干擾。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、可靠性高與實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號(hào)連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口。進(jìn)一步地，所述微處理單元包括卡爾曼濾波器、存儲(chǔ)模塊與主控模塊，所述地磁傳感器、卡爾曼濾波器、陀螺儀傳感器與存儲(chǔ)模塊依次信號(hào)連接，所述主控模塊分別與存儲(chǔ)模塊及工業(yè)通訊接口信號(hào)連接。進(jìn)一步地，以上所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，還包括用于為電設(shè)備供電的電源模塊，所述電源模塊分別與地磁傳感器、微處理器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口電連接。進(jìn)一步地,所述地磁傳感器至少包括Holleywell公司的型號(hào)為HMC5843的地磁傳感器。進(jìn)一步地，所述微處理器至少包括Ateml公司的型號(hào)為MEGA328P的微處理器。進(jìn)一步地，所述陀螺儀傳感器至少包括MEMS公司的型號(hào)為ITG-3200的陀螺儀傳感器。進(jìn)一步地,所述工業(yè)通訊接口至少包括RS485接口，相應(yīng)的通訊協(xié)議包括ModBus RTU。 同時(shí)，本實(shí)用新型采用的另一技術(shù)方案是一種根據(jù)以上所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實(shí)現(xiàn)方法，包括采用地磁傳感器，對(duì)待測(cè)對(duì)象的初始狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，獲取原始測(cè)量數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)，對(duì)所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，得到相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量值；基于所得相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量值，對(duì)陀螺儀傳感器的相對(duì)三維歐拉坐標(biāo)進(jìn)行初始化，得到初始的基準(zhǔn)測(cè)量值；基于初始的基準(zhǔn)測(cè)量值，采用初始化的陀螺儀傳感器，對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 獲取實(shí)時(shí)測(cè)量值。進(jìn)一步地，以上所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實(shí)現(xiàn)方法，所述獲取實(shí)時(shí)測(cè)量值之后的操作還包括通過(guò)工業(yè)通訊接口和相應(yīng)的通信協(xié)議，將所得實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行輸出。進(jìn)一步地，所述對(duì)所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理的操作具體包括采用卡爾曼濾波器，濾除所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)中的高斯噪聲和白噪聲。本實(shí)用新型各實(shí)施例的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元實(shí)用新型，由于該單元包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號(hào)連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口，可以結(jié)合微處理器對(duì)地磁傳感器的原始測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、以及之后與陀螺儀傳感器的配合使用，得到抗電磁干擾和具有魯棒性的高精度地磁測(cè)量輸出；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、可靠性低與實(shí)用性差的缺陷，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、可靠性高與實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本實(shí)用新型而了解。本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本實(shí)用新型的實(shí)施例一起用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制。在附圖中圖I為根據(jù)本實(shí)用新型抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的工作原理示意圖；[0027]圖2為根據(jù)本實(shí)用新型抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實(shí)現(xiàn)方法的流程示意圖。結(jié)合附圖，本實(shí)用新型實(shí)施例中附圖標(biāo)記如下I-地磁傳感器；2_微處理器；21_卡爾曼濾波器；22_存儲(chǔ)模塊；23_主控模塊； 3-陀螺儀傳感器；4_工業(yè)通訊接口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行 說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。實(shí)施例一根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元。如圖 I所示，本實(shí)施例包括微處理器(即Microprocessor with Kalman Filter,帶有卡爾曼濾波器的微處理器)2，分別與微處理器2信號(hào)連接的地磁傳感器(Magnet sensor) I、陀螺儀傳感器(gyroscope sensor) 3 及工業(yè)通訊接口( Industry Communication Port,如 I2C 轉(zhuǎn)換到RS485)4，用于為電設(shè)備供電的電源模塊；電源模塊，分別與地磁傳感器I、微處理器2、陀螺儀傳感器3及工業(yè)通訊接口 4電連接。在上述實(shí)施例中，微處理單元包括卡爾曼濾波器21、存儲(chǔ)模塊22與主控模塊23， 地磁傳感器I、卡爾曼濾波器21、陀螺儀傳感器3與存儲(chǔ)模塊22依次信號(hào)連接(如通過(guò)I2C 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接)，主控模塊23分別與存儲(chǔ)模塊22及工業(yè)通訊接口 4信號(hào)連接(如通過(guò) I2C內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接)。在上述實(shí)施例中，地磁傳感器I至少包括Holleywell公司的型號(hào)為HMC5843的地磁傳感器，微處理器2至少包括Ateml公司的型號(hào)為MEGA328P的微處理器，陀螺儀傳感器 3至少包括MEMS的型號(hào)為ITG-3200的陀螺儀傳感器；工業(yè)通訊接口 4至少包括RS485接口，相應(yīng)的通訊協(xié)議包括ModBus RTU0上述實(shí)施例的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，為了解決干擾的問(wèn)題，結(jié)合卡爾曼濾波器21對(duì)地磁傳感器I原始數(shù)據(jù)的處理、以及與陀螺儀傳感器3的配合使用，可以得到抗電磁干擾和具有魯棒性的高精度地磁測(cè)量輸出；其中，卡爾曼濾波器21可以保證初始化信號(hào)穩(wěn)定、且接近真實(shí)值，陀螺儀傳感器3可以保證抗電磁干擾。具體包括首先，從信號(hào)處理的角度，用卡爾曼濾波器21對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，通過(guò)卡爾曼濾波器21對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)濾，可以將在測(cè)量時(shí)無(wú)法避免的高斯噪聲、白噪聲等自然噪聲的干擾過(guò)濾掉，得到一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定和優(yōu)化的最接近真實(shí)狀態(tài)的估計(jì)測(cè)量值；其次，在硬件電路板中嵌入陀螺儀傳感器3，由于陀螺儀傳感器3具有以下特點(diǎn) ①它輸出相對(duì)三維歐拉坐標(biāo)系里面的3個(gè)角度(B卩，當(dāng)前俯仰角、方位角與轉(zhuǎn)動(dòng)角)，②它需要3個(gè)角度的初始值(offset)來(lái)初始化這個(gè)傳感器的相對(duì)坐標(biāo)，③在實(shí)時(shí)的測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，陀螺儀傳感器3具有不受任何外界任何強(qiáng)磁場(chǎng)或者金屬物質(zhì)變化干擾的特性；基于以上3個(gè)特性，該具有穩(wěn)定的抗電磁干擾性能、并且具有魯棒性的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，需要卡爾曼濾波器21和陀螺儀傳感器3的嵌入，并且配合工作，可以得到穩(wěn)定的不受任何外界環(huán)境干擾的最接近真實(shí)狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)施例二[0040]根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實(shí)現(xiàn)方法。如圖2所示,本實(shí)施例包括步驟100 :啟動(dòng)電源模塊，采用地磁傳感器，對(duì)待測(cè)對(duì)象的初始狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，獲取原始測(cè)量數(shù)據(jù)；步驟101 :根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)(如I秒左右)，對(duì)步驟100所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，得到相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量值；在步驟101中，對(duì)所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理的操作具體包括采用卡爾曼濾波器，濾除所得原始測(cè)量數(shù)據(jù)中的高斯噪聲和白噪聲；步驟102 :基于步驟101所得相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量值，對(duì)陀螺儀傳感器的相對(duì)三維歐拉坐標(biāo)進(jìn)行初始化，得到初始的基準(zhǔn)測(cè)量值；步驟103 :基于步驟102所得初始的基準(zhǔn)測(cè)量值，采用初始化的陀螺儀傳感器，對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，獲取實(shí)時(shí)測(cè)量值，并傳輸至微處理器；步驟104 :通過(guò)工業(yè)通訊接口和相應(yīng)的通信協(xié)議，微處理器將步驟103所得實(shí)時(shí)測(cè)
量值進(jìn)行輸出。 在上述步驟100-步驟104顯示的實(shí)施例中，具體的方案包括在電源模塊通電啟動(dòng)后，通過(guò)地磁傳感器，得到初始狀態(tài)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)；之后， 該原始測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部通訊總線(如I2C)，傳送到微處理器；在微處理器中對(duì)實(shí)時(shí)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，被濾波實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度大概在I秒左右，以求得到相對(duì)穩(wěn)定的最接近真實(shí)初始狀態(tài)的測(cè)量值，即過(guò)濾掉高斯噪聲和白噪聲的信號(hào)值；之后，用上述所得相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量值，來(lái)初始化陀螺儀傳感器的相對(duì)三維歐拉坐標(biāo)的三個(gè)角度(即，當(dāng)前俯仰角、方位角與轉(zhuǎn)動(dòng)角)，得到初始的測(cè)量基準(zhǔn)(measurement reference );然后,基于該初始的測(cè)量基準(zhǔn)，將陀螺儀傳感器的測(cè)量值通過(guò)內(nèi)部通訊總線輸出到微處理器里面存儲(chǔ)模塊中，并通過(guò)外部工業(yè)通訊接口和一定的通訊協(xié)議輸出到實(shí)際應(yīng)用的電子系統(tǒng)當(dāng)中。在上述實(shí)施例中，初始化陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的最接近真實(shí)測(cè)量值的數(shù)據(jù)，這樣就用真實(shí)的被測(cè)量設(shè)備的在自然環(huán)境中的方位角(東西南北)，相對(duì)地平面的俯仰角與轉(zhuǎn)動(dòng)角，為陀螺儀傳感器建立了一個(gè)實(shí)際相對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)；又因?yàn)橥勇輧x傳感器具有抗電磁干擾、信號(hào)穩(wěn)定不需要再次過(guò)濾的特性，整個(gè)抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的輸出信號(hào)在初始化以后就以陀螺儀傳感器的測(cè)量值為最終地磁傳感器模塊的最終輸出信號(hào)。這里，抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的具體結(jié)構(gòu)及性能參見(jiàn)圖I的相關(guān)說(shuō)明，在此不再贅述。最后應(yīng)說(shuō)明的是以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號(hào)連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，所述微處理單元包括卡爾曼濾波器、存儲(chǔ)模塊與主控模塊，所述地磁傳感器、卡爾曼濾波器、陀螺儀傳感器與存儲(chǔ)模塊依次信號(hào)連接，所述主控模塊分別與存儲(chǔ)模塊及工業(yè)通訊接口信號(hào)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，還包括用于為電設(shè)備供電的電源模塊，所述電源模塊分別與地磁傳感器、微處理器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，所述地磁傳感器至少包括Holleywell公司的型號(hào)為HMC5843的地磁傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，所述微處理器至少包括Ateml公司的型號(hào)為MEGA328P的微處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，所述陀螺儀傳感器至少包括MEMS公司的型號(hào)為ITG-3200的陀螺儀傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特征在于，所述工業(yè)通訊接口至少包括RS485接口，相應(yīng)的通訊協(xié)議包括ModBus RTU0
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，該單元包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號(hào)連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業(yè)通訊接口。本實(shí)用新型所述抗干擾魯棒性三維空間地磁傳感單元實(shí)用新型，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)定性差、可靠性低與實(shí)用性差等缺陷，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好、可靠性高與實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01V3/40GK202471990SQ20122004552
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者宋啟明, 李睿 申請(qǐng)人:無(wú)錫泰克塞斯新能源科技有限公司