地磁傳感器飛行器轉速測量法研究

顧浩卿，陳 志，孟光韋（上海機電工程研究所，201109）

地磁傳感器飛行器轉速測量法研究

顧浩卿，陳 志，孟光韋
（上海機電工程研究所，201109）

本文對地磁傳感器飛行器轉速測量方法進行了分析和研究，并給出了結論及今后的展望、應用。

地磁傳感器；轉速；測量法

0 引言

現階段對于飛行器的轉速測量，主要的方法有：光電傳感器測量法及硅微機械陀螺傳感器（簡稱“MEMS”）測量法，但是光電傳感器測量法主要受天氣因素限制（在陰天或雨雪天無法感受光強變化且在晴好天氣時也宜受到地面反射太陽光源的干擾），而MEMS傳感器每個器件的特性均不一致，需在地面進行大量的參數標定后，方可投入使用，且受溫度變化影響較大，存在溫漂現象。故本文研究了一種新型的對于飛行器轉速的測量方法，即地磁傳感器測量法。

1 地磁傳感器測量原理

地磁傳感器可以將各種磁場及其變化的量轉變成電信號輸出，其由在硅圓片上電積的一個薄層鎳鐵（或稱坡莫合金，或鎳鐵導磁合金）薄膜制成，并布置成一個惠斯通橋式電阻帶，當存在磁場時，薄層鎳鐵感受到薄膜側的外部磁場產生變化，致使磁力線產生旋轉，并改變其角度，這又使電阻值發生變化（△R/R）并造成惠斯通電橋的電壓輸出相應的變化。這種鎳鐵電阻的變化被稱作磁阻效應，它直接與電流的方向和磁化矢量有關。

2 地磁傳感器在各個領域的測量應用

隨著地磁傳感器技術的成熟及制造業的精密生產，地磁傳感器相對于其他傳統的傳感器測量技術而言，其尺寸更小，最大不超過幾個毫米，最小的甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加的微小，在汽車、生物醫學、環境監測、電子通信等人們所接觸到的各個領域均有著廣泛的應用前景：

a.智能手機中的電子指南針利用地磁場與手機內置的地磁傳感器，實現了地理方向定位功能。當指南針的指針方向有變化時，說明手機內置地磁傳感器感受到了地磁場的變化。相對于傳統的GPS定位功能來說，其信號不受地形、地物遮擋影響，尤其在高樓林立區域和植被茂密的林地，GPS定位信息的準確性僅為60%，而地磁傳感器則保證了定位信息100%的準確性。

b.現今的汽車電子行業，已開始大量使用設有地磁傳感器裝置的路側停車場及地下停車場，用于監測車輛停放信息。其工作原理也相當的通俗易懂，就像蝙蝠的回聲定位功能一樣，當發送的信號被彈回就意味著前方有障礙物，發送的信號暢通就意味著前方空閑。

現今，地磁傳感器在航空、航天、軍事等高科技前沿領域，也逐漸開始了其設計應用。

3 地磁傳感器在飛行器中的轉速測量應用研究

3.1 HMC2003三軸型地磁傳感器技術特性

飛行器在空中飛行中主要感受不同飛行地域、不同飛行高度的地磁場變化，地球的地磁場變化范圍為±（0.5～0.6）Gs，故可選用覆蓋地球磁場量程范圍的一款三軸地磁傳感器，本文中選用了霍尼韋爾公司的HMC2003三軸型地磁傳感器測量模塊為應用研究對象。（測量參數見表1所示。）

表1 HMC2003三軸型地磁傳感器測量參數表

單獨對HMC2003三軸型地磁傳感器進行參數及零位噪聲測試，測試數據見表2及表3所示。

注：表中輸出幅值量之差即表示地球磁場的變化量，例：2.52-2.08=0.44V=0.44高斯。

表3 HMC2003三軸型地磁傳感器零位噪聲測試數據表

由上述數據可知，HMC2003三軸型地磁傳感器對X軸、Y軸、Z軸各個方向旋轉性能測試靈敏度高且零位噪聲小，輸出穩定。

3.2 HMC2003三軸型地磁傳感器在飛行器中的轉速測量應用方案

飛行器中的程序指令艙或制導艙功能是通過各類傳感器探測、識別飛行器在空中的運動特性（高低、方位、俯仰、轉速等），采集信息形成控制指令，操縱飛行器穩定飛行。

以某小型飛行器程序指令艙為例，將HMC2003三軸型地磁傳感器固定于艙體頭部（用以敏感飛行器飛行過程中的地磁場變化量），通過程序指令艙中部電路組合的DC-DC電源模塊LSA28D1505為其提供+15V供電電源，并將地磁傳感器X軸、Y軸、Z軸三路輸出信號以屏蔽導線形式引至電路組合中的信號轉換電路及CPU芯片C8051F045（見圖2所示）進行信號處理后，發出控制指令至后級執行機構控制飛行器穩定飛行。

4 地面仿真試驗驗證

將安裝有地磁傳感器的飛行器艙體固定于地面用的三軸半實物仿真轉臺回轉中心內，見圖3所示。

圖2 傳感器測量電路框圖

圖3 飛行器轉速測量連接示意圖

設置仿真轉臺回轉中心轉速，分別在5轉、10轉、15轉、20轉、15轉+平面擺（3°+2Hz）、15轉+平面擺（3°+5Hz）、15轉+圓錐擺（3°+2Hz）、15轉+圓錐擺（3°+5Hz）的條件下，對地磁傳感器的輸出信號進行監測，其輸出性能見圖4所示。

圖4 a-地磁傳感器輸出信號圖（5轉）

圖4 b-地磁傳感器輸出信號圖（20轉

表2 HMC2003三軸型地磁傳感器參數測試數據表

圖4 c-輸出信號圖（15轉+平面擺3°、2Hz）

圖4 d-輸出信號圖（15轉+圓錐擺3°、5Hz）

5 研究結論及展望

由仿真結果可知，在轉速為0～20轉及轉臺擺動0～5Hz的條件下，地磁傳感器的三軸信號旋轉輸出與基準信號保持一致，能準確測量飛行器的轉速，并且通過對三軸信號的解算，其電壓波動量也與轉臺擺動角度保持一致。

故可將此套測量方法用于導航控制，既能準確測量飛行器的旋轉頻率，也能得知飛行器的方位、俯仰、高低方向的角度值。且地磁傳感器可全天候的對飛行器轉速及姿態進行測量，不受環境因素干擾，穩定可靠，在無人機迅速發展的領域，應可大為廣泛的進行實際應用。

［1］傳感器原理與檢測技術，錢愛玲、錢顯毅，機械工業出版社2015年08月01日。

［2］現代傳感器原理及應用，張志勇，電子工業出版社2014年01月01日。

［3］地磁導航原理，楊曉東、王煒，國防工業出版社2009年09 月01日。

Geomagnetism Sensor's air rotating frequency testing method research

Gu Haoqing，Chen Zhi，Meng Guangwei
（Shanghai Electromechanical Engineering Institute，201109）

This article analyzes and researches Geomagnetism Sensor 's air rotating frequency testing method and gives the conclusion，expectation，application for the future.

Geomagnetism Sensor；rotation；testing method