Compass介面

1、Compass 原理

Compass係利用感應磁場(地磁北極)大小與方向，進而推算出角度變 化，如下 圖 2-10 為本文所使用之二維電子羅盤，方位主要是倚靠正交線 圈(X、Y-sensor)上的電磁效應所產生的磁通密度(Tesla，T)而定。

圖 2-10 二維的電子羅盤 [23]

由 於 感 應 來 源 為 地 磁 場 ， 所 以 在 不 同 地 方 的 磁 偏 角(Magnetic Declination)、地磁密度均有所差異，電子羅盤必須經過校正(calibration)程 序之後才能正確使用。圖 2-11 為compass旋轉一圈所偵測到的磁通密度，

座標軸單位為一計數值(counts)，並與取樣週期有二的乘冪關係 [23]，本文 之計數值與磁通密度換算關係為：

4 counts

μT = ( 2-10 )

未校正時(圖 2-11(a))，因為地磁與compass感應磁場的分量會引起磁通 密度改變，故呈現橢圓形且圓心偏移(offset)。

(a) without calibration (b) with calibration

value value range range

range

Y Y X when X Y

= ⋅ Y > ( 2-17 )

range

value value range range

range

X_value Y_value Heading

+ + Angle 加上磁偏角即可，各地磁偏角可藉由 NGDC (National Geophysical Data Center)網站查詢。

圖 2-12 compass 校正流程圖

校正之後，會如 圖 2-11(b)呈現圓形且圓心位於座標原點，稱為磁圓

完成初始化校正之後，藉由標準差(standard deviation，^σ )測試所使用 的 compass 特性，^σ 為描述一組數據自平均分散開的變異性(variability)，

分析結果將做為絕對方位定向之參考。標準差計算方式如(2-20)、(2-21)所

圖 2-13 compass 之靜態分析

(2)Compass 動態分析

藉由平台直線行走與原地旋轉兩種路徑測試compass之動態情形，第一 種路徑量測角度的一致性，圖 2-14 為平台直線行走 100 cm、15 cm/s等速 度運動下的角度回授，首先以一秒時間量測其靜態誤差，在動態起步時，

由 於 採 步 階 式 運 動 ， 導 致 瞬 間 角 度 陡 變 。 其 動 態 時 平 均 角 度μmean 為 182.2482^D、σ 為0.7387^D。

圖 2-14 平台直線行走之 compass 回授情形

第二種測試路徑為原地旋轉 360 度、20 deg/s等角速度運動，圖 2-15 為各個角度的動態回授誤差，經過校正後的compass同心圓對稱於理想

(ideal)值，如 表 2-1，整體的角度平均誤差μmean為−0.00493^D、σ 為1.6098^D。

圖 2-15 平台原地旋轉之 compass 回授誤差情形

表 2-1 平台原地旋轉之 compass 平均誤差與標準差

No. Turns 1 2 3 4 5 Ave.

μmean -0.00453° -0.00757° 0.000419° -0.00651° -0.00649° -0.00493°

σ 1.7114° 1.7073° 1.5628° 1.5653° 1.5023° 1.6098°

3、Compass 應用方式

綜合特性分析之結果，使用compass訊號於平台運動時，若經濾波器或 感測融合等處理方式，其回授資訊將有更可靠的參考價值。如 圖 2-16 為 平台動態特性的頻譜分析結果，首先設計一截止頻率於 0.3Hz之低通濾波 器(Low-Pass Filter，LPF)，如 圖 2-17 改善其穩定性(因靜態時可靠性極

高，故低通濾波器初始值將直接引用靜態量測值)，但其與encoder訊號相比 (圖 2-18)仍有其缺失，故再利用動態調整的方式(詳見 4.1 節)融合encoder 與compass之資訊，提高回授準確性。

圖 2-16 電子羅盤頻譜圖

圖 2-17 比較 compass 有無 LPF

圖 2-18 改善後 compass 穩定性與 encoder 比較

4、Compass 介面電路

本論文所使用之compass 為 PNI 公司出產的 V2Xe，主要特色如下：

¾ 0.01^D的高解析度。

¾ 2^DRMS 的高精確度。

¾ 多重感測功能(方向與磁場大小)。

¾ 大範圍的磁場量測能力(±^{1100 T}μ )。

¾ 採非揮發記憶(可儲存校正值與功能設定)。

¾ SPI 傳輸介面。

由於V2Xe與F2812 均有SPI傳輸介面，如 圖 2-19 可透過簡單的連接方 式即可完成資料的傳遞。

圖 2-19 V2Xe 與 F2812 介面電路

SPI是一種全雙工(full duplex)同步(synchronous)串列資料的傳輸協定，

裝置間為主僕式(master-slave)關係，通常會有兩條資料傳輸線，兩條訊號 控 制 線 ； 資 料 傳 輸 線 包 含MOSI(Master data Out / Slave data In) 、 MISO(Master data In / Slave data Out)，而訊號控制線包含由Master發出的同 步時脈(CLK)、slave選擇線(SS)。如 圖 2-20 為少了SS的SPI連接圖，主僕 雙方各自有一移位暫存器，會依序從最高有效位元(MSB)送出位元訊號，

同時從最低有效位元(LSB)接收位元訊號，master端負責發送同步訊號，故 還須一個時脈產生裝置(SPI clock generator)。

圖 2-20 SPI master-slave 連接圖

通訊協定只須連接完成，並保證主僕雙方的時脈取樣(sample)時機相同即 可，取樣時機的選擇如 表 2-2 所示，V2Xe採用Rising edge with delay格式，

實際與F2812 通訊之時序如 圖 2-21 所示。

表 2-2 SPI 時脈規劃選擇

圖 2-21 V2Xe 與 F2812 通訊時序圖