В современных системах навигации и позиционирования для определения курса на Север используются, как правило, fluxgate-магнитометры и магни-торезистивные магнитометры. Производственная линейка компасов и магнитометров Honeywell включает множество моделей с различными электрическими и эксплуатационными характеристиками. Остановимся на них подробнее.
История изобретения магнитного компаса уходит далеко вглубь веков. Еще две тысячи лет назад древние китайцы использовали свойства магнитной руды для определения направления передвижения в горизонтальной плоскости, а средиземноморские мореплаватели уже в XII столетии применяли магнитный компас для навигации. Сегодня же эта сбалансированная магнитная стрелка является лишь самой простейшей вариацией древнего изобретения, а современный магнитный компас - это уже сложное электронное устройство, не имеющее подвижных частей и основанное на совокупности высокочувствительных датчиков магнитного поля и МЭМС-акселерометров, находящихся под управлением микропроцессорной системы.
Принцип действия любого магнитного компаса основан на взаимодействии с горизонтальными составляющими магнитного поля Земли, величина которых 0,5...0,6 Гс. Поле Земли имеет компоненты, параллельные земной поверхности и в любой точке ориентированные к направлению Северного магнитного полюса. Ключевыми словами здесь являются "Северный магнитный полюс" и "параллельность земной поверхности".
Рис. 1. Структура магнитного поля Земли и географический Север
Магнитное поле Земли может быть аппроксимировано дипольной моделью, изображенной на рис. 1. Из него видно, что линии магнитного поля ориентированы практически вертикально в центрах северного и южного полушарий, и практически горизонтальны на экваторе. Причем во всех случаях они указывают на Северный магнитный полюс. И именно компоненты поля, что параллельны земной поверхности, используются в навигации для определения курса (азимута).
Угол наклона магнитного поля к поверхности Земли называется углом магнитного склонения, это угол 0 показан на рис. 2. В Северном магнитном полюсе этот угол достигает 70° и не влияет на измерение, поскольку для определения азимута необходимы лишь две составляющие поля X и Y. Вертикальная составляющая поля при анализе игнорируется.
Рис. 2. Составляющие магнитного поля Земли и угол склонения
Северный магнитный полюс в действительности не совпадает с истинным, географическим Севером на 1 1,5°. Истинный (географический) Север - это ось вращения Земли, то, что мы видим на картах в виде меридианов. В различных точках планеты эта разница, называемая деклинацией, может достигать ±25° (рис. 3). Деклинация зависит от географического расположения и определяется из специальных таблиц.
Рис. 3. Деклинация в различных точках Земли
Из вышесказанного видно, что ключом к точному определению компасного курса на Север (азимута) является выполнение двух итераций:
На практике в современных системах навигации и позиционирования для определения курса на Север используется, как правило, fluxgate-магнитометры и магниторезистивные магнитометры. Основой fluxgate-магнитометра является набор катушек, расположенных вокруг сердечника и возбуждаемых циклически. Магнитометр характеризуется, с одной стороны, низкой стоимостью и высокой чувствительностью и способен измерять магнитные поля с разрешением 1 мГс (поле Земли - 600 мГс). С другой - fluxgate-магнитометрам присущи сравнительно большие массо-габаритные параметры, хрупкость и низкое время отклика, достигающее в некоторых моделях 2-3 с на цикл измерения. Такая задержка совершенно неприемлема, например, в навигационных системах, скоростных транспортных средствах и беспилотных летательных аппаратах.
Магниторезистивные магнитометры, на производстве которых сфокусировалась фирма Honeywell, строятся на основе тонкопленочных пермаллоевых магниторезистивных сенсоров, устройство и принцип действия которых были описаны в статье А. Маргелова "Магниторезистивные датчики положения компании Honeywell" (CHIP News. № 3. 2005. с. 60).
Эти компасы имеют ряд преимуществ в сравнении с fluxgate-магнитометрами. Во-первых, это очень компактный дизайн, низкое потребление энергии и стрессо-устойчивость. Во-вторых, высокая чувствительность, достигающая величины ниже 0,1 мГс. И, наконец, высокое быстродействие, позволяющее производить до 1000 измерений в секунду, будучи смонтированным на движущемся транспортном средстве.
Производственная линейка компасов и магнитометров производства Honeywell включает множество моделей с различными электрическими и эксплуатационными характеристиками. Рассмотрим в порядке увеличения степени интеграции несколько интересных приборов.
Этот набор (рис. 4) включает одно-осевой магниторезистивный датчик HMC1051Z, двухосевой магниторезистивный датчик НМС1052 и двухосевой акселерометр MXS3334UL Набор предназначен для OEM-производителей, занятых разработкой и производством электронных компасов. Наличие акселерометра дает возможность ввести в систему компенсацию крена объекта, на котором будет расположен прибор. В документации на набор даны электрические и эксплуатационные характеристики всех входящих в него компонентов, вариант готового схемотехнического решения и рекомендации по стыковке устройства с другими платформами.
Рис. 4. Компасный набор HMC1055
НМС6052 - ядро для построения компасных систем и градиентометров. Изделие (рис. 5) интегрирует на кристалле двухосевой магниторезистивный датчик НМС1052 и схему усиления и нормализации выходного сигнала. Датчик выполнен в сверхминиатюрном 14-выводном корпусе LCC размером 3,5 х 3,5 мм. Два канала усиления сигнала с функцией переключения позволяют разработчику компасных систем иметь компактное и простое в использовании решение, требующее только два внешних конденсатора. В технической документации приведено схемотехническое решение для сопряжения датчика с ми кроконтроллером.
Рис. 5. Аналоговый интегральный компас HMC6052
Основные технические характеристики:
НМС6352 - это законченная компасная ИМС (рис. 6), включающая двухосевой магниторезистивный датчик со всеми необходимыми аналоговыми и цифровыми схемами обработки сигнала. Объединение чувствительного элемента и схемы обработки сигнала в миниатюрном корпусе LCC размером 6,5 х 6,5 х 1,5 мм, позволяет разработчикам быстро проектировать конкурентоспособные приборы для потребительской электроники, автомобильной навигации и устройств позиционирования антенн.
Рис. 6. Цифровой интегральный компас НМС6052
Основные технические характеристики:
HMR3100 - недорогой двухосевой компасный датчик (рис. 7), измеряющий значение азимута, и передающий данные в бинарном и ASCII форматах по последовательному каналу USART со скоростями 2400, 4800, 9600 , 19200 бод. Данное изделие характеризуется компактностью (19 х 19 х 4,5 мм), надежностью и простотой интеграции в систему. Точность измерения азимута составляет 5° при разрешении 0,5°. Для устранения влияния паразитных полей и ферромагнитных объектов устройство имеет специальный алгоритм калибровки. HMR3100 предназначен для автомобильных компасов, навигационных систем, позиционирования антенн и портативной электроники.
Рис. 7. Цифровая компасная плата HMR3100
HMR3000 - законченный электронный компасный модуль (рис. 8), предназначенный для измерения как азимута, так и бокового и поперечного кренов объекта. Компас обеспечивает высокую производительность (до 20 выборок за секунду) при точности курса 0,5° и разрешении 0,1°. Диапазон измерения бокового и поперечного крена составляет ±40°. Датчик имеет встроенную схему калибровки для компенсации искажений характеристики, вызванных окружающими ферромагнитными предметами. Информация передается по интерфейсам RS-232/485 в ASCII формате. Удобный набор команд позволяет пользователю конфигурировать скорость передачи данных, выходной формат, единицы измерения, углы девиации, сигналы тревоги и предупреждения с сохранением всех изменений в энергонезависимой EEPROM. HMR3000 предназначен для корабельных навигационных систем, определения положения бакенов и подводных сооружений, бурового оборудования, определения курса в беспилотных ЛА, навигационных счислителей и позиционирования спутниковых антенн.
Рис. 8. Цифровой компасный модуль HMR3000 c компенсацией бокового и поперечного крена
HMR3600 - миниатюрный цифровой гиростабилизированный прецизионный компас (рис. 9), предназначенный для определения азимута и допускающий произвольную ориентацию в пространстве. Привязанный к Z-оси МЭМС-гироскоп обеспечивает дополнительную инерциальную стабилизацию от паразитных магнитных возмущений. Основа компаса - три магнитометра и три МЭМС-акселерометра. В процессе работы данные со всех шести датчиков комбинируются, и в результате на выходе устройства формируются три величины: азимут,продольный и поперечный крен объекта. Данные передаются по интерфейсу RS-232 со скоростью до 38400 бод. Точность определения азимута составляет 0,5° при разрешении 0,1°. Диапазон измерения крена составляет ±80°. HMR3600 применяется в сухопутной и морской навигации, лазерных дальномерах, транспортных роботах и блоках управления видеокамерами.
Рис. 9. Цифровой компасный модуль HMR3600 c компенсацией крена и гиростабилизацией
HMR2300 - высокочувствительный интеллектуальный цифровой трехо-севой датчик магнитного поля (рис. 10), предназначенный для измерения величины и направления магнитного поля. Основа датчика - три магниторезистивных сенсора, ориентированных ортогонально, чтобы измерять три компоненты (X, Y, Z) вектора магнитной индукции. Выход датчиков конвертируется в 16-битные значения при помощи встроенного АЦП, запоминается в EEPROM и передается по интерфейсу RS-232/485 со скоростью 9600 или 19200 бод. Магнитометр HMR2300 имеет широкую область применения. Это опорные системы ориентации, навигационные системы и электронные компасы, детекторы транспортных потоков, детекторы аномалий, лабораторное оборудование и системы безопасности.
Рис. 10. Универсальный магнитометр HMR2300
В рамках данной статьи мы ограничились кратким представлением наиболее интересных магнитометров производства Honeywell. Более подробную информацию о датчиках компании Honeywell можно найти по адресу: http://www.ssec.honeywell.com/ magnetic или запросить у официального дистрибьютора компании КОМПЭЛ (www.compel.ru)
Автор: Александр Маргелов