关于移动机器人中定向磁电子罗盘的探究与设计.doc
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1、关于移动机器人中定向磁电子罗盘的探究与设计磁电子罗盘是一种利用地磁场实现定向功能的装置,在移动机器人导航方面有着重要的应用价值。与传统的自主惯性导航设备相比,磁电子罗盘具有体积小、成本低、无累计误差、能够自动寻北等特点。与常规的指针型罗盘相比,磁电子罗盘在抗冲击性、抗震性等方面性能良好。并且能够对杂散磁场进行补偿,输出电信号可方便地与其他电子设备组成应用系统。本罗盘设计采用Philips公司的KMZ52磁阻传感器和Microchip公司的PIC16F818单片机。并对罗盘进行详细介绍。1地磁场由于地球本身具有磁性。在地球和近地空间之间存在磁场,称为地磁场。地磁场的强度为0.3高斯至0.6高斯,
2、其大小和方向随地点(甚至随时间)而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近,彼此并不重合,而且两者间的偏差随时间缓慢变化。本文设计的二维磁电子罗盘用于测量、计算磁场的方位角,并将其转换为电信号传输给移动机器人的控制器。此磁电子罗盘采用磁电阻传感器,移动机器人的控制器接收来自磁电阻传感器信号,此信号均为0 V5 V模拟量,电压值的变化表现为航向角的不同,并且要求高可靠性和一定精度。2各向异性磁阻传感器的测量原理各向异性磁电阻效应是指对于强磁性金属(铁、钴、镍等及其合金),当外加磁场平行于磁场内部磁化方向时,阻值不变;若外界磁场方向偏离时,则其阻值减小;如果把这类金属做成薄膜带状导线,当电流
3、通过时,其阻值大小随内外两磁场的合成磁化方向与电流流向的相对关系变化,趋于同向时阻值增大,背向时阻值减小。由于坡莫(NiFe)合金在弱磁场下的电阻变化率较大,因此适用于弱磁场中。KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器,是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈,使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测。 该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金,在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下,电子改变运动方向,使
4、得磁敏电阻的阻值发生变化。同时KMZ52的斑马条电阻成45放置,这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场,KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同,更加线性化。KMZ52磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥,是由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下,磁阻的变化引起输出电压的变化。如图1所示,KMZ52磁阻传感器的等效电路,其中,R1R4的阻值均为R,供电电源为U。在外加偏置磁场H的作用下,R1和R4的磁化方向背向电流方向转动引起阻值减小。而R2和R3的磁化方向朝向电流方向转动,阻值增大R。计算得:3磁电子罗盘的硬件设计磁电子
5、罗盘的硬件系统包括信号采集、信号处理、消磁电路、基准电压源和单片机等部分。其中信号处理包括一级放大、二级放大电位提升、滤波等3部分。采集到的信号经过放大滤波后送至单片机的AD转换端口。经过单片机计算方向角后,传送至上位机,机器人的控制器对其处理。磁电子罗盘设计总体结构如图2所示。3.1翻转线圈磁阻传感器在使用一段时间后或受到外界瞬时高强磁场影响时,其信噪比降低,输出信号幅度减弱。为消除这种影响,必须在电路设计时考虑使用翻转线圈。与其他需要外部线圈的磁阻传感器不同,KMZ52是通过内部的置位复位电流带实现的。该电流带是一个线绕式线圈,当线圈上有电流通过时,产生的磁场耦合到电桥上。除了提高信噪比外
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