一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的製作方法

2023-05-30 02:20:31 1

專利名稱：一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳感技術領域，具體地，涉及一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元。
背景技術：
一般地，三維空間地磁傳感器，主要用於感知被嵌入的機械設備，或者用於測量物體在地球表面任何一個地方的當前方位角，以及用於測量物體相對於地球表面某一點切面的俯仰角等。例如，美國Holleywell公司(單純傳感器生產商)的HMC傳感器系列，這項技術應用範圍有機器人運動姿態控制系統，飛彈姿態方向感知控制系統，航海中輪船的姿態感知系統，以及飛機航行中俯仰角、方位角與傾斜度等；傳感器嵌入到電路板模塊裡面，通過內部通訊總線輸出3個數據，即當前俯仰角(pitch)、方位角(yaw)與轉動角(roll)。在現有技術中，將單個傳感器嵌入到電路板模塊中，雖然可以通過通訊總線獲得這三個測 量角度數據；但是，首先，在自然環境中，地磁傳感器會受到各種各樣幹擾，在實際試驗中，單純原始的傳感器數據具有明顯的不穩定性和波動性；此外，排除自然環境幹擾， 在實際應用領域，傳感器本身所嵌入的電子系統和機械系統的金屬結構，也會對數據有很強的幹擾，會輸出完全錯誤的測量數據，因為金屬本身對磁場的影響或者電流產生的磁場都會干擾到傳感器本身的測量結果。並且，在高精度的工業航空航海軍事應用領域，這種幹擾是完全不允許發生的，絕對的魯棒性也是應用的一個必須要求之一。綜上所述，在實現本實用新型的過程中，發明人發現現有技術中至少存在穩定性差、測量精度低、可靠性差等以下缺陷⑴穩定性差在完全自然的環境中，地磁傳感器會受到各種各樣的幹擾，在實際試驗中，單純原始的傳感器數據具有明顯的不穩定性和波動性；傳感器本身所嵌入的電子系統和機械系統的金屬結構，也會對數據有很強的幹擾；(2)可靠性低金屬對磁場的影響或者電流產生的磁場都會干擾到傳感器本身的測量結果，甚至會輸出完全錯誤的測量數據；⑶實用性差在高精度的工業航空航海軍事應用領域，要求傳感器具有絕對的魯棒性，不允許發生自然環境和金屬本身的幹擾。

實用新型內容本實用新型的目的在於，針對上述問題，提出一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，以實現穩定性好、可靠性高與實用性好的優點。為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是一種抗幹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連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業通訊接口。進一步地，所述微處理單元包括卡爾曼濾波器、存儲模塊與主控模塊，所述地磁傳感器、卡爾曼濾波器、陀螺儀傳感器與存儲模塊依次信號連接，所述主控模塊分別與存儲模塊及工業通訊接口信號連接。進一步地，以上所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，還包括用於為電設備供電的電源模塊，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通訊接口電連接。進一步地,所述地磁傳感器至少包括Holleywell公司的型號為HMC5843的地磁傳感器。進一步地，所述微處理器至少包括Ateml公司的型號為MEGA328P的微處理器。進一步地，所述陀螺儀傳感器至少包括MEMS公司的型號為ITG-3200的陀螺儀傳感器。進一步地,所述工業通訊接口至少包括RS485接口，相應的通訊協議包括ModBus RTU。 同時，本實用新型採用的另一技術方案是一種根據以上所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實現方法，包括採用地磁傳感器，對待測對象的初始狀態進行實時採集，獲取原始測量數據；根據預設時長，對所得原始測量數據進行卡爾曼濾波處理，得到相對穩定的測量值；基於所得相對穩定的測量值，對陀螺儀傳感器的相對三維歐拉坐標進行初始化，得到初始的基準測量值；基於初始的基準測量值，採用初始化的陀螺儀傳感器，對待測對象進行實時測量， 獲取實時測量值。進一步地，以上所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實現方法，所述獲取實時測量值之後的操作還包括通過工業通訊接口和相應的通信協議，將所得實時測量值進行輸出。進一步地，所述對所得原始測量數據進行卡爾曼濾波處理的操作具體包括採用卡爾曼濾波器，濾除所得原始測量數據中的高斯噪聲和白噪聲。本實用新型各實施例的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元實用新型，由於該單元包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業通訊接口，可以結合微處理器對地磁傳感器的原始測量數據的處理、以及之後與陀螺儀傳感器的配合使用，得到抗電磁幹擾和具有魯棒性的高精度地磁測量輸出；從而可以克服現有技術中穩定性差、可靠性低與實用性差的缺陷，以實現穩定性好、可靠性高與實用性好的優點。本實用新型的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在本申請說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的限制。在附圖中圖I為根據本實用新型抗幹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為根據本實用新型抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實現方法的流程示意圖。結合附圖，本實用新型實施例中附圖標記如下I-地磁傳感器；2_微處理器；21_卡爾曼濾波器；22_存儲模塊；23_主控模塊； 3-陀螺儀傳感器；4_工業通訊接口。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行 說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。實施例一根據本實用新型實施例，提供了一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元。如圖 I所示，本實施例包括微處理器(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信號連接的地磁傳感器(Magnet sensor) I、陀螺儀傳感器(gyroscope sensor) 3 及工業通訊接口( Industry Communication Port,如 I2C 轉換到RS485)4，用於為電設備供電的電源模塊；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及工業通訊接口 4電連接。在上述實施例中，微處理單元包括卡爾曼濾波器21、存儲模塊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與存儲模塊22依次信號連接(如通過I2C 內部數據總線連接)，主控模塊23分別與存儲模塊22及工業通訊接口 4信號連接(如通過 I2C內部數據總線連接)。在上述實施例中，地磁傳感器I至少包括Holleywell公司的型號為HMC5843的地磁傳感器，微處理器2至少包括Ateml公司的型號為MEGA328P的微處理器，陀螺儀傳感器 3至少包括MEMS的型號為ITG-3200的陀螺儀傳感器；工業通訊接口 4至少包括RS485接口，相應的通訊協議包括ModBus RTU0上述實施例的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，為了解決幹擾的問題，結合卡爾曼濾波器21對地磁傳感器I原始數據的處理、以及與陀螺儀傳感器3的配合使用，可以得到抗電磁幹擾和具有魯棒性的高精度地磁測量輸出；其中，卡爾曼濾波器21可以保證初始化信號穩定、且接近真實值，陀螺儀傳感器3可以保證抗電磁幹擾。具體包括首先，從信號處理的角度，用卡爾曼濾波器21對原始測量數據進行濾波處理，通過卡爾曼濾波器21對實時測量數據的過濾，可以將在測量時無法避免的高斯噪聲、白噪聲等自然噪聲的幹擾過濾掉，得到一個相當穩定和優化的最接近真實狀態的估計測量值；其次，在硬體電路板中嵌入陀螺儀傳感器3，由於陀螺儀傳感器3具有以下特點 ①它輸出相對三維歐拉坐標系裡面的3個角度(B卩，當前俯仰角、方位角與轉動角)，②它需要3個角度的初始值(offset)來初始化這個傳感器的相對坐標，③在實時的測量過程當中，陀螺儀傳感器3具有不受任何外界任何強磁場或者金屬物質變化幹擾的特性；基於以上3個特性，該具有穩定的抗電磁幹擾性能、並且具有魯棒性的抗幹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，並且配合工作，可以得到穩定的不受任何外界環境幹擾的最接近真實狀態的測量數據。實施例二[0040]根據本實用新型實施例，提供了一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的實現方法。如圖2所示,本實施例包括步驟100 :啟動電源模塊，採用地磁傳感器，對待測對象的初始狀態進行實時採集，獲取原始測量數據；步驟101 :根據預設時長(如I秒左右)，對步驟100所得原始測量數據進行卡爾曼濾波處理，得到相對穩定的測量值；在步驟101中，對所得原始測量數據進行卡爾曼濾波處理的操作具體包括採用卡爾曼濾波器，濾除所得原始測量數據中的高斯噪聲和白噪聲；步驟102 :基於步驟101所得相對穩定的測量值，對陀螺儀傳感器的相對三維歐拉坐標進行初始化，得到初始的基準測量值；步驟103 :基於步驟102所得初始的基準測量值，採用初始化的陀螺儀傳感器，對待測對象進行實時測量，獲取實時測量值，並傳輸至微處理器；步驟104 :通過工業通訊接口和相應的通信協議，微處理器將步驟103所得實時測
量值進行輸出。 在上述步驟100-步驟104顯示的實施例中，具體的方案包括在電源模塊通電啟動後，通過地磁傳感器，得到初始狀態的原始測量數據；之後， 該原始測量數據通過內部通訊總線(如I2C)，傳送到微處理器；在微處理器中對實時的原始測量數據進行卡爾曼濾波處理，被濾波實時數據時間長度大概在I秒左右，以求得到相對穩定的最接近真實初始狀態的測量值，即過濾掉高斯噪聲和白噪聲的信號值；之後，用上述所得相對穩定的測量值，來初始化陀螺儀傳感器的相對三維歐拉坐標的三個角度(即，當前俯仰角、方位角與轉動角)，得到初始的測量基準(measurement reference );然後,基於該初始的測量基準，將陀螺儀傳感器的測量值通過內部通訊總線輸出到微處理器裡面存儲模塊中，並通過外部工業通訊接口和一定的通訊協議輸出到實際應用的電子系統當中。在上述實施例中，初始化陀螺儀傳感器的數據是穩定的最接近真實測量值的數據，這樣就用真實的被測量設備的在自然環境中的方位角(東西南北)，相對地平面的俯仰角與轉動角，為陀螺儀傳感器建立了一個實際相對測量基準；又因為陀螺儀傳感器具有抗電磁幹擾、信號穩定不需要再次過濾的特性，整個抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的輸出信號在初始化以後就以陀螺儀傳感器的測量值為最終地磁傳感器模塊的最終輸出信號。這裡，抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元的具體結構及性能參見圖I的相關說明，在此不再贅述。最後應說明的是以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，包括微處理器，以及分別與所述微處理器信號連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業通訊接口。
2.根據權利要求I所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，所述微處理單元包括卡爾曼濾波器、存儲模塊與主控模塊，所述地磁傳感器、卡爾曼濾波器、陀螺儀傳感器與存儲模塊依次信號連接，所述主控模塊分別與存儲模塊及工業通訊接口信號連接。
3.根據權利要求I或2所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，還包括用於為電設備供電的電源模塊，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通訊接口電連接。
4.根據權利要求I或2所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，所述地磁傳感器至少包括Holleywell公司的型號為HMC5843的地磁傳感器。
5.根據權利要求I或2所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，所述微處理器至少包括Ateml公司的型號為MEGA328P的微處理器。
6.根據權利要求I或2所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，所述陀螺儀傳感器至少包括MEMS公司的型號為ITG-3200的陀螺儀傳感器。
7.根據權利要求I或2所述的抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元，其特徵在於，所述工業通訊接口至少包括RS485接口，相應的通訊協議包括ModBus RTU0
專利摘要本實用新型公開了一種抗幹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連接的地磁傳感器、陀螺儀傳感器及工業通訊接口。本實用新型所述抗幹擾魯棒性三維空間地磁傳感單元實用新型，可以克服現有技術中穩定性差、可靠性低與實用性差等缺陷，以實現穩定性好、可靠性高與實用性好的優點。
文檔編號G01V3/40GK202471990SQ20122004552
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者宋啟明, 李睿 申請人:無錫泰克塞斯新能源科技有限公司