磁力计，帮助找不到北的无人机和机器人

物联网与传感器时间：2025-11-24来源：

1、地磁场和航向角的背景知识

地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gaus（1Tesla=10000Gauss）。随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。

地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图2所示。

实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候，航向角在0°~ 360°之间变化。

2、各向异性磁致电阻材料

磁力计的工作原理基于各向异性磁致电阻材料。这种材料具有独特的晶体结构，对外部磁场非常敏感，其电阻值会随着磁场的强弱变化而发生显著变化。例如，在设备靠近某些区域时，数据出现急剧变化，这往往意味着该处可能存在监听设备。

在制造过程中，磁力计采用强磁场对AMR材料进行磁化，从而在某一方向上建立起主磁域。与主磁域垂直的轴被定义为AMR的敏感轴。为了确保测量结果呈线性变化，金属导线在AMR材料上以45º角倾斜排列，电流流经这些导线。

磁力计采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图所示。

AMR材料示意图

为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45º角倾斜排列，电流从这些导线上流过，如图4所示。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。

45º角排列的导线

3、集成磁力计工作原理

磁力计能提供装置在XYZ各轴所承受磁场的数据，接着相关数据会汇入微控制器的运算法，以提供磁北极相关的航向角，利用这些信息可侦测地理方位。

磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化，如图5所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系，如图6所示。

磁场方向和电流方向的夹角

θ-R特性曲线

当外部磁场作用于AMR材料时，主磁域的方向会发生变化，进而导致磁场方向与电流夹角的变化。这种夹角的变化会引起AMR自身阻值的变化，且变化呈线性关系。采用惠斯通电桥技术来检测这种阻值的变化。电桥中，R1/R2和R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但它们的磁化特性相反。在无外部磁场的情况下，电桥输出为零；而在有外部磁场时，电桥会输出一个微小的电压信号。

当R1=R2=R3=R4=R时，电桥的输出电压V与电阻变化R成正比。这就是磁力计的基本工作原理。

如图所示，R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V。

磁力计是用于测量磁场强弱的仪器，其主要功能是测量磁场的磁感应强度。作为测量工具，磁力计能够感知并量化磁感应强度这一矢量。在本篇中，我们将探讨HMC5883L磁力计，它特别之处在于能够同时测量三个轴向的磁场，为多方向磁场测量提供了有力支持。

在实际应用中，磁力计不仅被用于检测地球磁场方向，也被广泛应用于飞行器导航。例如，它可以在航模及四轴飞行器中修正偏航角，从而为飞行器的稳定控制提供关键支持。

4、干扰

干扰磁场的类型

干扰磁场的存在使得磁力计的测量结果不稳定。干扰磁场包括硬磁场和软磁场两种类型。硬磁场干扰主要来源于永磁体等强磁场源，而软磁场干扰则往往由电流、电磁波等引起。这些干扰源的存在会对磁力计的测量结果造成影响，因此需要进行校准以消除这些影响。

地磁场测量与干扰影响

两轴磁力计的测量原理

在无干扰环境下，地磁场的测量离不开两轴磁力计。这种设备通过水平面方向上布置的两个相互垂直的磁传感器，即X轴和Y轴传感器，各自测量其所处方向上的磁场强度和方向，从而构成了一个基本的磁场测量系统。当磁力计保持水平面并旋转360°后，通过磁传感器收集到的数据可以绘制出上述曲线图，它清晰地展示了各点的相对位置，进一步转换可得到实际的方位。

硬磁干扰的影响

硬磁干扰主要由磁力计周围的磁偶极子引起，例如，汽车后视镜中的磁传感器可能受到车内磁偶极子的影响。这些偶极子产生的附加磁场（类似于地磁场）与地磁场叠加，会导致实际测量结果发生偏移，类似于原图中的各点都进行了相同的向量运算。

软磁干扰的影响

软磁干扰则是由可磁化物质对当地磁场的扭曲所引起。这类物质包括镍、铁及其他具有干扰性的磁性材料。它们能够改变地磁场的分布，改变测量结果的方向和精度，进而影响数据的准确性。

综合硬软磁干扰效应

在多数实际应用场景中，硬磁干扰与软磁干扰往往是并存的。这使得本地磁场的测量曲线呈现出一定程度的偏移椭圆，其中心偏离了相对坐标系的中心。值得注意的是，本地的实际磁场强度可能显著高于地球磁场，因此，罗盘中的磁传感器必须具备足够的测量范围和校准精度。

5、校准

电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯，而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场，这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。

磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在，使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。如图11所示，在磁传感器的XYZ 坐标系中，绿色的圆表示地球磁场矢量绕z轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹，再没有外界任何磁场干扰的情况下，此轨迹将会是一个标准的以O(0,0)为中心的圆。当存在外界磁场干扰的情况时，测量得到的磁场强度矢量α将为该点地球磁场β与干扰磁场γ的矢量和。记作：α=β+γ

磁传感器XY坐标以及磁力线投影轨迹

一般可以认为，干扰磁场γ在该点可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁场的干扰，如摆放在电路板上的马达和喇叭，还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩，螺丝，电阻， LCD背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场。

为了校准这些来自电路板的磁场干扰，主要的工作就是通过计算将γ求出。

在磁力计校准过程中，我们可以在校准前用如下方法判断磁力计当前状态是否正确：

磁力计的X轴指向正北时，磁力计的寄存器X轴此时输出最大值

磁力计的X轴指向正南时，X轴应该有最小值。

磁力计的Y轴指向正北时，磁力计的寄存器Y轴此时应该输出最小值；

磁力计的X轴指向正南时，Y轴应该有最大值。

平面校准方法

针对XY轴的校准，将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转，，等价于将地球磁场矢量绕着过点O(γx,γy)垂直于XY平面的法线旋转，而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。这可以找到圆心的位置为((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆，这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx, γy, γz)。