带倾角补偿的车载电子海拔罗盘仪的设计与实现

本文设计并实现了一种低成本车载海拔罗盘仪的方案，能够在行车过程中对温度、航向角、海拔、车身姿态等外部环境参数进行实时监控。行驶时车载设备受振动和电磁干扰较大，导致现有车载电子罗盘读数的偏差较大。针对这个问题设计了一种带倾角补偿和磁场矫正的车载电子罗盘的计算方法，实现了车辆运动的情况下的自标定和倾角的自动矫正，有效的提高了车载电子罗盘的精度。文章对方案中重要技术如海拔、航向和姿态的测量原理做了详细介绍，同时对使用的关键器件和接口电路进行了描述和说明。

【关键词】电子罗盘 倾角补偿 海拔仪

1 电子罗盘的实现

地球磁场的强度大概是0.5高斯左右，其并行于地表的分量指向地球的北极，在北半球，磁场的方向是水平向下的，在赤道上，磁场方向是水平的，在南半球，磁场方向是水平向上的。磁场方向和水平面的夹角被定义为倾角；地球磁场的北极方向和地球地理的北极方向的夹角被成为地磁角，地磁角的大小一般在20度以内，且随着地理位置的不同而变化。一个带倾角补偿的电子罗盘系统需要一个3轴磁场传感器和一个3轴加速度传感器。加速度传感器用来测量翻转角和滚动角的大小以计算倾角补偿。磁传感器用来测量地球的磁场，然后通过磁场的北极方向确定磁场的方位角。

车身姿态的计算通常采用体坐标系，三个坐标轴Xb、Yb、Zb的定义满足右手规则分别指向前方，右侧，下方。三个姿态角分别为绕Zb旋转的方位角ψ（Heading），绕Yb旋转的俯仰角θ（Pitch），绕Xb旋转的翻转角φ（Roll）。

一种较简单的确定硬磁误差的方法是让Vz忽略为0，将电子罗盘摆平旋转360度同时记录x，y轴磁传感器读数，Vx为x轴读数均值，Vy为y轴读数均值。

在硬件实现上，我们选用LSM303DLHC，这是一款高集成高性能的3D加速度和3D磁场探测的集成电子罗盘芯片，具有如下特性：模拟电源电压2.5-3.3V；数字电源电压IOs 1.8V；掉电模式；三轴加速度感应和三轴磁场感应；±1.3到±8.1高斯，满刻度磁场；满刻度线性加速度为可选择的±2g/±4g/±8g；16bit数据输出；I2C总线接口；具有用于自由落体和运动检测的2个独立的可编程的中断产生器；嵌入式自我检测 ；加速度计工作/睡眠功能；六向检测；ECOPACK? RoHS 和 “Green”认证。

2 海拔高度的计算

海拔高度的测量方法，一般常用的有2种方式，一是通过GPS全球定位系统，二是通过测出大气压，然后根据气压值计算出海拔高度。由于受到技术和其它方面原因的限制，GPS计算海拔高度一般误差都会有十米左右，而如果在树林里或者是在悬崖下面时，有时候甚至接收不到GPS卫星信号。而气压的方式可选择的范围会广些，而且可以把成本可以控制在比较低的水平。

BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以捕捉到温度来对结果进行修正，以增加测量结果的精度。BMP180的测量流程，先启动温度测量读取温度，然后启动压力测量再读取压力。BMP180的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA，采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载（LCC）超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。

3 车外温度的计算和功能集成

车外温度计算比较简单，用AD读取热敏电阻的分压变化，就可以估算出当前的车外温度。集成的多功能海拔罗盘仪显示界面及外观形状，能够在行车过程中对温度、方位角、海拔、车身姿态等外部环境参数进行实时监控。

4 总结

本文设计并实现了一种低成本车载海拔罗盘仪的方案，能够在行车过程中对温度、航向角、海拔、车身姿态等外部环境参数进行实时监控。文章对此方案中重要技术如海拔、航向和姿态的测量原理做了详细介绍，同时对使用的关键器件和接口电路进行了描述和说明。随后的对系统整体的功能和显示做了总结说明。

作者单位

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088