电子罗盘的用法（电子罗盘是啥）

目前，导航系统已广泛应用于汽车、导航、航空等领域。电子罗盘是导航系统中不可缺少的重要组成部分。

GPS导航定位的缺陷

1、GPS虽然广泛应用于导航、定位、测速、定向，但其信号常常受到地形和物体的遮挡，导致精度大大降低。它的信号可用率只有60%，甚至无法使用。

造成定位不准确的原因有：

多径效应：GPS信号从建筑物的反射；

阴影：在城市高层建筑之间形成的“峡谷”、茂密植被下，信号接收效果较差；

隧道、地下停车场造成信号失锁；

信号接收不良地区初始化时间延长；

一些动态影响，如汽车大幅增长和减速等。

上述原因会导致GPS无法提供位置或定位精度突然下降。

2. 即使在静止状态下，GPS 也无法提供航向信息。

高精度电子罗盘可有效补偿GPS信号，确保导航定向信息100%有效。即使GPS信号丢失后也能正常工作，做到“失星不失方向”。

3、安全可靠性风险。

美国出于自身利益的考虑，从未承诺不实施SA干扰和区域封锁，这给GPS用户带来了很大的疑虑和担忧。因此，将GPS与电子罗盘结合起来，两者相辅相成，联合使用是导航领域的理想选择。例如：虽然美国对GPS卫星资源拥有完全独立的控制权，但为了让系统更加可靠，让导航信息100%有效，其M1坦克等一些重要装备仍然配备了C100电子罗盘。

与其他导航方式相比，地磁导航起步较晚。 20世纪60年代中期，美国E2systems公司提出了基于地磁异常场轮廓匹配的MAGCOM（Magnetic Contour Matching）系统。 20世纪70年代获得测量数据后，系统进行了离线实验。 20世纪80年代初，瑞典隆德研究所对船舶地磁导航进行了实验验证。实验中，通过人工将测量到的地磁强度数据与地磁图进行比较，从而确定船舶的位置。传感器的输出时间差决定了船只的速度。

地磁场模型和地磁图是研究地磁导航制导技术的基础。地磁场建模和地磁图的准确性是决定地磁导航技术是否可行的关键因素。

地磁场和航向角

地球本身具有磁性，因此地球与近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度为0。3到0。6高斯，其大小和方向因地点而异（甚至随时间而变化）。地球本身具有磁性，因此地球与近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度为0。3到0。6高斯，其大小和方向因地点而异（甚至随时间而变化）。

如图所示，地球磁场就像一个条形磁铁，从磁南极指向磁北极。在磁极处，磁场垂直于当地水平面，而在赤道处，磁场平行于当地水平面，因此在北半球，磁场向地面倾斜。用于测量磁感应强度的单位是特斯拉或高斯（1特斯拉=10000高斯）。根据地理位置的不同，地磁场的强度通常为0.4-0.6高斯。需要注意的是，地磁北极和地理北极并不重合。它们之间通常有大约11度的角度。

地磁场是一个矢量，对于固定位置，可以分解为两个平行于当地水平面的分量和一个垂直于当地水平面的分量。如果电子罗盘保持与当地水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就对应于这三个分量。

事实上，对于两个水平分量，它们的矢量和始终指向磁北。罗盘中的航向角（方位角）是当前方向与磁北之间的角度。由于罗盘保持水平，因此仅利用磁力计两个水平轴（通常是X轴和Y轴）的检测数据即可计算出航向角。当指南针水平旋转时，航向角在0 到360 度之间变化。

早期使用的是机械磁罗盘。机械磁罗盘主要由多根平行排列的磁针、刻度盘和磁误差修正装置组成。磁针固定在表盘背面。在地磁的影响下，磁针和表盘旋转以指示方向。随着适合地磁场测量的磁通门传感器和AMR传感器的出现，磁性电子罗盘也逐渐出现。这种电子磁罗盘比机械磁罗盘具有一些突出的优点，如抗冲击、抗震等。它可以补偿杂散磁场，输出电信号，并且可以很容易地与其他电子设备结合形成应用系统。

电子罗盘原理

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU组成。

三维磁阻传感器用于测量地球磁场。当磁力计不水平时，倾斜传感器会进行补偿。 MCU处理磁力计和倾角传感器的信号和数据输出，并对软铁和硬铁进行补偿。

三维磁阻传感器采用三个相互垂直的磁阻传感器。每个轴上的传感器检测该方向上的地磁场强度。前方的传感器，称为x方向，检测x方向的地磁场矢量值；左侧或Y方向的传感器检测Y方向地磁场的矢量值；传感器在向下或Z方向检测地磁场在Z方向的矢量值。传感器在每个方向上的灵敏度都根据该方向上地磁场的分量矢量调整到最佳点，并且具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号被放大并发送到MCU进行处理。

1、当仪器与地面平行时，仅利用地磁场在X、Y方向的两个分量矢量值即可确定方位值。

2、仪器倾斜时，方位值的精度会受到很大影响。误差的大小取决于仪器的位置和倾斜角度的大小。为了减少这种误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰角和横滚角。俯仰角定义为从前到后的角度变化；而滚动角是从左到右的角度变化。电子罗盘转换并计算出俯仰角和横滚角数据，并将磁力计在三个轴上的矢量从原来的位置“拉”回到水平位置。

标准换算计算公式如下：

Xr=Xcos+Ysinsin-Zcossin

Yr=Xcos+Zsin

其中，Xr和Yr是要转换为水平位置的值，X、Y、Z是三个方向的矢量值，是俯仰角，是横滚角。

电子罗盘主要特点

1、三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾斜补偿。

2、高速高精度A/D转换。

3. 内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

4. 内置微处理器计算传感器与磁北之间的角度。

5. 具有简单有效的用户校准说明。

6、具有指向零点校正功能。

电子罗盘的主要用途

1、电子罗盘主要用于辅助GPS导航，获取静止状态下的航向，包括加速度和方向定位、倾角测量等功能。

2.加速度和方向的定位。电子罗盘采用三轴磁阻传感器测量平面地磁场并进行双轴倾角补偿。可配合GPS进行盲区导航，配合GOOGLE地图进行导航，配合加速进行三维定位。还可以与基于阅读的电子罗盘配合使用，地图自动旋转到方便用户阅读的方向，使显示的地图方向始终根据您的行进方向自动变化，即可以用作专业指南针。简单来说，就是加速度和方向的定位。

3. 倾角测量。三维电子罗盘不仅具有指南针功能，还可以测量倾斜角度。类似于陀螺仪，站在斜坡上可以计算出斜坡的角度。但最重要的是，它可以在驾驶飞机时使用。不干扰飞机飞行。

电子罗盘的缺点

电子罗盘的原理是测量地球磁场。但如果环境中存在地球以外的磁场，而这些磁场又不能被有效屏蔽，那么电子罗盘的使用就会出现很大的问题。这种情况下，唯一的选择就是使用陀螺仪进行测量。为首。

电子罗盘分类

电子罗盘按是否有倾斜补偿可分为：

飞机电子罗盘

平板电子罗盘要求用户在使用时保持罗盘水平，否则当罗盘倾斜时，也会给出航向的变化，而实际上并没有改变航向。

虽然平板电子罗盘的使用要求较高，但如果能保证罗盘所附的载体始终保持水平，那么平板电子罗盘是一种性价比较高的选择。

三维电子罗盘

三维电子罗盘集成了三轴磁通门传感器，并在平面电子罗盘的基础上增加了倾角传感器。如果罗盘倾斜，它可以补偿倾斜，这样即使罗盘倾斜，航向数据仍然准确。中央处理器实时计算航向，并利用三轴加速度计对大范围倾斜角度进行补偿，确保指南针能够提供高达90倾斜角度的高精度航向数据。

电子罗盘按传感器不同分为：

磁阻效应传感器

根据磁性材料的磁阻效应而制成。磁阻传感器的灵敏度和线性度已经可以满足磁罗盘的要求，其各方面的性能明显得益于霍尔器件，使其在某些应用中能够与磁通门竞争。然而，其翻转效应的固有缺点使得磁阻效应传感器集成到微系统中时产生的强脉冲电流威胁着微处理器和系统中其他电路的可靠性。

霍尔效应传感器

根据半导体材料的霍尔效应制成。优点是体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、接口电路简单，特别适合强磁场的测量。缺点是灵敏度低、噪声大、温度性能差等，一般用于要求不高的场合。

磁通门传感器

基于磁饱和法原理制成，利用铁磁材料磁芯在交变磁场饱和激励下被测磁场中的磁感应强度与磁场强度之间的非线性关系来测量弱磁场。从三者的比较来看，目前基于磁阻传感器的电子罗盘具有体积小、响应速度快的优点。优点明显，是电子罗盘的发展方向。

电子罗盘的结构

传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴磁力计来测量磁场数据和一个三轴加速度计来测量罗盘倾角。三维空间中的重力分布和磁场数据通过信号层和数据采集部分传输到处理器。处理器根据磁场数据计算方位角，并根据重力数据执行倾斜补偿。经过此处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响。

以意法半导体的LSM303DLH为例，实现低成本、高性能的电子罗盘。上述加速度计、磁力计、A/D转换器和信号处理电路集成在一起，仍然通过I2C总线与处理器通信。这样，只需一颗芯片即可实现6轴数据检测和输出。

软件方面，我们也以意法半导体LSM303DLH电子罗盘为例。基于Android的电子罗盘功能软件结构如下图所示：

核心驱动层：Linux内核驱动（LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG），实现从IIC或串口读取数模转换和精度补偿计算出的航向角，完成对电子罗盘硬件设备的访问。

硬件无关层：sensors.default.so的HAL库（Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH），实现对电子罗盘设备的驱动封装访问。

框架层：通过Android系统中框架层的传感器管理模块实现对电子罗盘设备的管理。

应用层：经过库计算后，上层应用程序可以方便地使用Android定义的、库提供的偏航角信息来编写应用程序。基于电子罗盘的应用有Android的Skymap、IBMeye等。

电子罗盘的应用

电子罗盘应用广泛，与精密的航天、航空、航海密不可分。

电子罗盘（Compass）看似遥远，但其实就在我们身边。您的智能手机具有指南针功能，对吧？是的，它使用电子罗盘传感器。其实不仅如此，可以说它已经渗透到我们生活的方方面面。

那么它在我们的生活中有哪些与我们密切相关的用途呢？

手机导航

我们最熟悉的就是手机导航。拿着手机，地图就会跟随你的方向。这就是电子罗盘的贡献。

汽车导航

目前许多汽车导航系统都集成了GPS和电子罗盘。尤其是经常从事越野活动的车主需要选择带有电子罗盘或者多功能电子罗盘的导航仪。由于GPS导航信号在一些地形复杂的地区被遮挡，无法满足正常的导航功能。电子罗盘具有不需要接收信号、可以辅助导航的特点。

此外，还有多功能电子罗盘。这种指南针一般集成了GPS气压高度计和磁力线指南针。它可以在山区等特殊环境中及时反映气压和海拔高度的细微变化，还可以在屏蔽状态下显示运动方向。无需携带指南针、角度指南针、高度计等复杂物品，方便用户户外工作和出行。

车位检测

现在很多路边停车场和智能停车场都采用地磁的方法来检测车位上是否有车。当没有汽车或车辆静止时，车位磁场相对稳定；但当汽车驶入和离开停车位时，就会引起磁场的变化。

地磁探测器埋在车位内，探测结果通过射频报告给附近的中继器，最终信息汇总到车位管理系统中。整个系统的核心当然是地磁探测部分。罗盘传感器基本上决定了检测的可靠性。路边的自动付费停车位就靠它了！

无人机导航定位

电子罗盘作为无人机产品的重要组成部分，承载着引导无人机绝对方向的功能。在无人机中，电子罗盘提供关键的惯性导航和定向定位系统信息。

机器人导航定位

如今，机器人对于大家来说已经不再陌生。各种玩具机器人、家庭服务机器人、医疗服务机器人、点餐机器人等已经出现在大家的生活中。

一般来说，机器人使用加速度传感器和陀螺仪来基本描述设备的完整运动状态。但长期运动，也会产生累积偏差，无法准确描述运动姿势，例如控制屏倾斜。电子罗盘利用地球磁场的测量，通过绝对指向功能进行修正和补偿，可以有效解决累积偏差，从而修正设备的运动方向、姿态角度、运动强度和速度等。

六轴、九轴电子罗盘（陀螺仪|加速度计|磁力计）、倾角传感器、姿态传感器、惯性导航、数据采集盒、物联网远程智能监控等研发与销售。

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