Простой электронный компас. Цифровой компас - наследник компаса магнитного Принципы определения направления вектора МПЗ

На сегодняшний день мировая промышленность электронной техники обладает широчайшим спектром и разнообразием различных датчиков. Сегодня предлагаю рассмотреть такой датчик как HMC5883L. Он представляет собой трех осевой магнитометр (оси x, y и z). Как гласит документация на данный датчик, он изготовлен по анизотропной магниторезистивной технологии (Anisotropic Magnetoresistive (AMR) technology). Также согласно документации (даташиту), датчик имеет интерфейс I 2 C и такие настройки как чувствительность к магнитному полю, настройка скорости записи данных в регистры, количество измерений перед записью в регистры данных, режимы ожидания, единичного и непрерывного преобразования. Помимо этих основных настроек (есть и другие не столь важные для нас, возможно, которые использовать и не придется, например идентификационные регистры), датчик имеет отдельный вывод, на который выводится сигнал по завершению преобразования и записи данных в регистр, то есть по обновлению данных - как только датчик закончил измерения и записал данные для считывания в регистры, на выводе DRDY (видимо, это data ready) появляется сигнал. Для удобства этот вывод можно использовать для внешних прерываний микроконтроллера или чего-то подобного. Однако это не всегда нужно и в этом устройстве было решено не задействовать эту функцию.

Вкратце разобрались что это за датчик HMC5883L. Чтобы не мучиться с пайкой мелкого корпуса микросхемы датчика, в продаже имеются модули и в зависимости от модели имеют на себе следующие составляющие - обязательно подтягивающие резисторы для линий I 2 C, конденсаторы по питанию и необходимые в обвязке самой микросхемы датчика и стабилизатор напряжения на 3,3 вольта, в некоторых еще есть обвязка согласования уровней для I 2 C на 3,3 - 5 вольт. Данный датчик может входить в состав модулей, где он является одним из датчиков (в китайских магазинах это девяти осевые модули датчиков гироскопа, акселерометра и магнитометра, а до кучи еще и барометр, данный шедевр обычно могут применять при разработке квадрокоптеров для стабилизации полета).

Модуль HMC5883L (по названию самого датчика магнитометра) на фото ниже:

Основной задачей при разработке схемы было разобраться с работой и особенностями датчика магнитометра HMC5883L для дальнейшего применения в каких-либо проектах, разработка прошивки для экспериментов с этим датчиком, поэтому, возможно, большой функциональности на данном этапе в устройстве не будет - просто индикация угла относительно севера - схема устройства:

По традиции схема построена на микроконтроллере Atmega8. Данный микроконтроллер можно использовать как в корпусе DIP-28, так и в СМД исполнении в корпусе TQFP-32. Резистор R3 необходим для предотвращения самопроизвольного перезапускания микроконтроллера в случае появления случайных помех на выводе PC6. Резистор R3 подтягивает плюс питания к этому выводу, надежно создавая потенциал на нем. Для индикации используется жидко кристаллический (ЖК или LCD) дисплей SC1602. Он имеет 2 строки символов по шестнадцать штук в каждой из них. ЖК дисплей подключается к микроконтроллеру по четырех битной системе. Переменный резистор R2 необходим для регулировки контраста символов на дисплее. Вращением движка этого резистора добиваемся наиболее четких для нас показаний на экране. Подсветка ЖК дисплея организована через вывод "А" и "К" на плате дисплея. Подсветка включается через резистор, ограничивающий ток - R1. Чем больше номинал, тем более тускло будет подсвечиваться дисплей. Однако пренебрегать этим резистором не стоит во избежание порчи подсветки. Датчик питается от напряжения 3,3 вольта, а микроконтроллер от 5 вольт, поэтому при передачи данных по интерфейсу I2C используется микросхема согласования уровней PCA9517. При покупке модуля с датчиком магнитометром необходимо обратить внимание на наличие уже имеющейся схемы согласования уровней, при ее наличии PCA9517 можно убрать. Заменить PCA9517 можно на любой другой аналог или каскад, выполняющий такие же функции. Резисторы R4 - R7 подтягивают плюс питания к линиям данных интерфейса I2C. Это необходимо для корректной работы протокола. Мощность всех резисторов постоянного сопротивления составляет 0,25 Вт.

Питается вся схема от простого модуля питания на силовом трансформаторе. Переменное напряжение выпрямляется четырьмя диодами VD1 - VD4 марки 1N4007, пульсации сглаживаются конденсаторами C1 и C2. Номинал конденсатора C2 можно увеличить до 1000 - 4700 мкФ. Четыре выпрямительных диода можно заменить одним диодным мостом. Трансформатор применен марки BV EI 382 1189 - преобразует 220 вольт переменного тока в 9 вольт переменного тока. Мощность трансформатора составляет 4,5 Вт, этого вполне достаточно и еще с запасом. Такой трансформатор можно заменить любым другим силовым трансформатором, подходящим для Вас. Либо данный питающий модуль схемы заменить на импульсный источник напряжения, можно собрать схему обратноходового преобразователя либо применить иже готовый блок питания от телефона, например - все это дело вкусов и потребностей. Выпрямленное напряжение с трансформатора стабилизируется на микросхеме линейного стабилизатора L7805 , ее можно заменить на отечественный аналог пяти вольтового линейного стабилизатора КР142ЕН5А, либо применить другу микросхему стабилизатора напряжения в соответствии с подключением ее в схеме (например LM317 или импульсные стабилизаторы LM2576 , LM2596, MC34063 и так далее). Далее переняв тенденции китайских инженеров был опробован стабилизатор напряжения на 3,3 вольта на микросхеме xc6206p332mr. Такой стабилизатор изготавливается на заводе в корпусе SOT-23 - то есть уже миниатюрный размер, это один из плюсов. Падение напряжения на таком стабилизаторе составляет 0,25 вольта, а собственное потребление всего 1 мкА. Весьма неплохо. Но пригоден стабилизатор напряжения только для низковольтных схем, его максимальное входное напряжение составляет 6 вольт. Не так уж и много, а нам много и не нужно по большому счету. Такой стабилизатор напряжение китайские разработчики применяют много где в различных схемах, узнать его можно по маркировка на корпусе - 662к. Напряжение 3,3 вольта используется для питания датчика магнитометра HMC5883L в соответствии с даташитом.

По традиции схема собиралась на макетной плате:

В первой строке выводятся данные об угле относительно севера. Снизу по порядку координаты x, y, z. Знак "q" означает, что число отрицательное. Датчик выдает именно координаты осей, а по их значениям можно уже высчитать угол или градус.

Карта регистров датчика HMC5883L имеет следующий вид и состав:

Разберем все необходимое нам для работы с ним. В первую очередь это конфигурационные регистры, в которых будут храниться необходимые настройки для работы датчика. В первом регистре задается число измерений перед записью в регистры данных, частота или скорость записи данных в регистры, предназначенные для считывания. Во втором регистре можно настроить чувствительность датчика к магнитному полю. Третий регистр (mode) настраивает скорость работы протокола I2C, а также режим работы датчика - режим непрерывного измерения, режим единичного измерения, погружает датчик в режим ожидания. Подробнее о том какой бит за что отвечает в регистре смотреть в даташите.

// инициализация, конфигурация void Init_5883 (void) { i2c_start_cond(); // запуск i2c i2c_send_byte(HMC5883_W); // передача адреса устройства, режим записи i2c_send_byte(0x00); // передача адреса памяти i2c_send_byte(0b00010000); // Configuration Register A, 1 сэмпл, 15 Гц i2c_send_byte(0b00100000); // Configuration Register B, +-0,88 Ga - 00000000 (по умолчанию 00100000 +-1,3 Ga) i2c_send_byte(0b00000000); // Mode Register, режим постоянного измерения i2c_stop_cond(); // остановка i2c }

// прочитать регистры данных и получить значения void Read_5883 () { i2c_start_cond(); // запуск i2c i2c_send_byte(HMC5883_W); // передача адреса устройства, режим записи i2c_send_byte(0x03); // передача адреса памяти i2c_stop_cond(); // остановка i2c i2c_start_cond(); // запуск i2c i2c_send_byte(HMC5883_R); // передача адреса устройства, режим чтения xh = i2c_get_byte(0); // читаем данные xl = i2c_get_byte(0); zh = i2c_get_byte(0); zl = i2c_get_byte(0); yh = i2c_get_byte(0); yl = i2c_get_byte(1); i2c_stop_cond(); // остановка i2c } if (xh< 0) {xh=-(xh+1); xl=-(xl+1);} if (yh< 0) {yh=-(yh+1); yl=-(yl+1);} if (zh< 0) {zh=-(zh+1); xl=-(zl+1);} x = (xh << 8) + xl; // склеиваем старший и младший байты y = (yh << 8) + yl; z = (zh << 8) + zl;

Остальные регистры за ненадобностью использоваться не будут.

Чтобы получить угол исходя из полученных данных о координатах положения осей датчика необходимо воспользоваться формулой (получение угла на языке Си):

Float Angle = atan2((double)yy,(double)xx)* 180 / 3.14159265 + 180; /* или так Angle = 1000*atan2(y , x); // вычисление угла в радианах Angle = Angle*572957795; // перевод радиан в градусы (град=рад*180/3,14) Angle = Angle/10000000000; Angle = Angle+180; // */

Однако мало просто читать данные из датчика и переводить значения в необходимые для нас пр помощи математики. Данные могут искажаться многими причинами - наличие электромагнитных полей от сети, наличие рядом металлов или магнитов и прочее. В программе прошивки реализована калибровка по самой распространенной погрешности, смещающий значения всех осей (или не всех иногда) - Hard iron. Такая погрешность может не присутствовать в каком-нибудь лесу и то не факт. Калибровка по такой погрешности устраняется просто - нужно вычислить смещение по осям и отнять его. В результате получим ровные значения угла (из-за такой погрешности показания угла также смещаются и соответственно при вращении истинность значений под вопросом). Для получения значения смещения необходимо взять средне арифметическое значение от минимума и максимума по осям (минимальное значение всегда отрицательное, при сложении получим, например так: -500 + 400 = -100, делим на 2 и получаем значение смещения). Дело в том, что точки на координатах при вращении датчика вокруг оси должны в идеале образовывать ровный круг с центром в точке схождения всех осей, то есть нуле.

В итоге получилось такое устройство: индикация угла относительно севера и значения координат трех осей на ЖК дисплее, а также калибровка показаний угла. Никаких рюшечек на дисплее не предусматривалось. Чтобы запустить калибровку, необходимо нажать на кнопку S2, и, удерживая ее, не спеша по вращать датчик на 360 градусов, можно несколько раз. Отпустить кнопку. Теперь показания будут компенсироваться по данным, полученным во время калибровки. При повторном нажатии на кнопку S2 калибровка запустится заново, затерев нулями значения минимумов и максимумов, полученных ранее. Просто сбросить калибровку можно нажатием кнопки сброса - S1.

Для программирования микроконтроллера Atmega8 необходимо знать конфигурацию фьюз битов (скриншот сделан в программе ):

К статье прилагается прошивка для микроконтроллера Atmega8, исходный код прошивки в AVR Studio (может быть немного сумбурно, но в обилии комментариев), документация на стабилизатор напряжения x c6206 и датчик HMC5883L, а также небольшое видео, демонстрирующее работоспособность схемы (демонстрация изменения показаний при вращении датчика).

Список радиоэлементов

До недавнего времени в геодезии в основном использовались компасы и буссоли, где чувствительным элементом является намагниченная игла, вращающаяся на стержне и используемая в разных модификациях этих приборов уже несколько тысячелетий. При ориентировании игла принимает такое положение, что ее плоскость становится параллельна линиям магнитного поля, проходящим в данном месте. Если игла имеет две степени свободы, т. е. может вращаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то направление, в котором указывает игла, будет показывать и склонение, и уклон локального геомагнитного поля. Во многих приборах, для того чтобы игла точно показывала направление на северный магнитный полюс, ее обычно уравновешивают специально под особенности магнитного поля того региона, в котором компас будет эксплуатироваться.

Иногда используют компасы с глобальным балансированием, которые могут использоваться по всему миру. Для демпфирования колебаний иглы во время движения компас заполняется жидкостью (смесь воды с алкоголем или очищенным маслом). Показания таких приборов отягощены ошибками из-за влияния внешних воздействий, таких как вибрация, наклон, ускорение, а также внешние магнитные поля. Традиционные компасы и буссоли сложно приспособить к цифровому считыванию, а следовательно, сложно использовать в комплексе с новейшими геодезическими приборами .

В современных электронных компасах в качестве чувствительного элемента используются магнитометры , которые являются, как и компас, аналоговыми приборами и измеряют интенсивность одной или нескольких составляющих магнитного поля Земли в той точке, где он находится. Сигналы с выхода магнитометра преобразуются в цифровую форму и могут быть использованы для дальнейшей обработки микропроцессором. В современных приборах в основном используются магнитометры, в которых используются магниторезистивные и магнитоиндуктивные датчики, датчики на основе эффекта Холла, а также датчики, изготовленные по технологии «fluxgate». Для ориентирования обычно используется электронный компас, который имеет два магнитометра, установленных в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу, чтобы измерять одну из компонент магнитного поля В х или В y , соответственно по оси х или по оси у. Угол между осью х и магнитным меридианом будет равен:

ψ = arctg(B y / Bx). (7.1)

Современные магнетометры имеют небольшие размеры и встраиваются в интегральные микросхемы.

В некоторые геодезические приборы встраиваются анизотропные магниторезистивные (AMP) датчики, представляющие собой специальные резисторы, сделанные из тонкой пермаллоевой пленки, вектор намагничивания которой при попадании во внешнее магнитное поле начинает вращаться или изменять угол, меняя сопротивление пленки. При измерениях такую пленку помещают в мост Уитсона и оценивают изменение напряжения, вызванное изменением сопротивления пленки, по которому оценивают силу воздействия магнитного поля. Магниторезистивные датчики обеспечивают точность, превышающую один градус, и могут иметь одну, две или три оси, и их встраивают в электронные компасы.

Необходимо отметить, что многие спутниковые приемники имеют аналогичные встроенные электронные компасы. В спутниковых приемниках обычно используют двухосевой компас, а в некоторых случаях - трехосевые датчики направлений, которые позволяют получать достаточно точные направления даже в случае небольшого наклона. В том случае, когда спутниковый приемник движется со скоростью свыше 10 км/час, он по спутниковым наблюдениям может определять направление своего движения с ошибкой менее одного градуса. При меньших скоростях движения GPS-приемник в комплекте с одной антенной не способен определить направление движения. Поэтому приемник настраивают так, чтобы при достижении им определенной скорости (например, 5 или 10 км в час), он переключался бы с функции направления по компасу на функцию направления, полученного из спутниковых наблюдений, выполненных самим GPS-приемником, а при уменьшении скорости движения приемник возвращался к направлению компаса.

Чтобы спутниковый приемник мог вычислять как географический (истинный), так и магнитный азимуты движения, в приемник встраивают программное обеспечение, которое содержит параметры модели основного геомагнитного поля Земли. Приемник непрерывно обновляет информацию о направлении на объект по мере того, как пользователь двигается произвольным путем до объекта.

Магнитоиндуктивные датчики направления появились сравнительно недавно - первый патент на них был выдан в 1989 году. Принцип его работы основан на том, что в генераторе колебаний используется катушка, индуктивность которой меняется под воздействием изменения окружающего магнитного поля. Изменение индуктивности катушки вызывает изменение частоты генератора. Таким образом, магнитометр такого типа измеряет магнитное поле по его влиянию на индуктивность катушки проволоки или соленоида.

Для определения направления на северный магнитный полюс (в горизонтальной плоскости) два таких датчика, установленных перпендикулярно друг другу, закрепляют на карданном подвесе, чтобы они располагались в горизонтальной плоскости, а в трехосевом используется еще и креномер. Многие современные автомобильные компасы производятся на основе магнитоиндуктивных датчиков.

На сегодняшний день человечество придумало множество различных моделей компасов. Они отличаются не только по устройству, но и по принципу работы. То, как работает, например, магнитный компас, сильно отличается от принципа действия компаса в смартфоне и телефоне, хотя в общем конечный результат их действия - показания - будут сходными.

Механические компасы — все они работают по одному принципу.

Каждая модель имеет свои достоинства и недостатки, благодаря чему под каждую конкретную ситуацию можно подобрать наиболее подходящий прибор.

Для примера рассмотрим принцип действия некоторых видов компасов.

Магнитный компас

В магнитном компасе основной элемент - магнитная стрелка - располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли - естественного гигантского магнита - и указывает на ее полюса.

Стрелка такого компаса выравнивается по направлению магнитных линий Земли.

Благодаря тому, что магнитные полюса находятся вблизи географических полюсов, на большей части поверхности Земного шара можно использовать магнитный компас для нахождения приблизительного направления на истинный север или юг, а по ним определять и все остальные стороны света.

Электронный (цифровой) компас

В этом виде компаса показания также определяются направлением магнитного поля Земли, однако в данном случае работает не стрелка, а специальное электронное устройство (магнитный датчик).

Такой компас не зависит от спутников и их видимости.

В отличии от магнитного компаса, это устройство потребляет электроэнергию от переносного аккумулятора или батареек.

Здесь стоит отметить, что цифровым компасом также иногда называют спутниковым, что не совсем верно. О спутниковом расскажем чуть позже.

Электромагнитный компас

Этот прибор также ориентируется на магнитное поле Земли, однако для того, чтобы он начал работу, необходимо движение его в пространстве. Ведь именно перемещение в магнитном поле рамки с обмоткой - основной детали электромагнитного компаса - генерирует электрический ток, который, в свою очередь, отражается в виде показаний на приборах, по которым и происходит сверка направления движения транспорта с заданным курсом.

Благодаря этой конструкции, данный прибор нечувствителен к магнитным девиациям, связанным с деталями транспорта, на котором он установлен. Однако для ориентирования по электромагнитному компасу обязательно нужно находиться в движении, ведь стоя на одном месте, электрические токи в катушках возникать не будут, а значит и замерять приборам будет нечего.

Радиокомпас

В радиокомпасе направление определяется не по магнитному полю, а по сигналу от радиостанции, местоположение которой известно заранее. На фото показан пример такого компаса, снятого с панели самолета:

Радиокомпасы нашли широкое применение в авиации, однако обладают рядом недостатков, связанных с возникновением больших ошибок в измерениях (более десятка градусов) из-за искажения радиосигнала. Сегодня их все чаще заменяют другими приборами для навигации, например, GPS-навигаторами.

Спутниковый компас

Спутниковый компас работает, получая сигналы от спутников. Такой прибор показывает направление на истинные полюса, то есть на географический север и географический юг.

Такой компас не будет работать в помещении или под землей, что ограничивает область его применения.

Показания этого компаса не зависят от магнитной аномалии и девиаций, однако он не будет работать, если сигнал спутника пропадет, либо закончится заряд источника электропитания. Именно такие устройства встроены в современные телефоны и смартфоны, и на том же Айфоне компас работает, принимая сигнал от спутников и указывая направления на разные стороны света. В большинство смартфонов изначально вшит GPS-приемник для расширения его функционала, а получая данные о местоположении телефона очень просто указать направления по сторонам света.

Гирокомпас

Работа гирокомпаса основана на способности гироскопа удерживать одно и то же положение в пространстве, независимо от поворота рамки, в которой он закреплен.

Гирокомпас, как и спутниковый компас, показывает географический север и независим от магнитных полей, создаваемых деталями транспорта, в котором он установлен.

Лучший компас для туризма

Для туризма наиболее подходящими можно считать три варианта - магнитные, электронные и спутниковые компасы - из-за их компактности. Однако, давайте разберемся, какой же вариант наиболее подходит для многодневного пребывания в дикой природе в экстремальных условиях.

Электронные и спутниковые компасы используются в новейших средствах связи - мобильных телефонах, смартфонах, айфонах, планшетах, а также в часах, что делает их постоянными спутниками современного человека. А это значит, что с большой долей вероятности такой прибор окажется при владельце, если тот попадет в аварийную ситуацию вдали от цивилизации. В этом большой плюс таких устройств.

Из всех приборов, которые всегда под рукой у человека, первый — телефон, и зачастую на нем имеется и GPS с функцией компаса.

Однако электронный компас проигрывает обычному магнитному, ведь для определения тех же магнитных полюсов в электронном варианте нужен источник электроэнергии, а в случае поломки электрический компас вряд ли удастся починить в условиях дикой природы. В то же время простой магнитный компас не нуждается в питании электрическим током и его можно быстро сделать из подручных средств.

Ну, а спутниковый компас в современном средстве связи - хоть вещь и нужная, но все же менее удобная, чем навигатор. Лучше установить на телефон не компас, а навигатор, который не только сориентирует владельца по сторонам света, но и сможет указать точное местоположение его на карте.

Раз уж такое функциональное устройство есть под рукой, ограничиваться только функцией компаса на нем не рационально.

Тем не менее, и в этом случае такое средство навигации будет обладать тем же недостатком, что и электронный компас, - зависимостью от электроэнергии и невозможностью ремонта в случае поломки. А ведь поломка может наступить в том числе и от падения или намокания телефона, если только он не оснащен специальной защитой, которой на большинстве телефонов нет.

Плюс такого цифрового компаса заключается также в его миниатюрных размерах и устойчивости к магнитным девиациям.

Кроме того, сигнал от спутника в некоторых случаях попросту не дойдет до устройства-приемника, что может привести к возникновению чрезвычайной ситуации. Например, в пещерах или катакомбах, где можно легко потеряться, использовать спутниковый компас не получится: не будет сигнала от спутника.Поэтому из всего разнообразия компасов на первое место все же нужно вынести магнитный, благодаря простоте его устройства и независимости от электропитания.

Далее разберемся в работе магнитного компаса - наиболее универсального и популярного устройства навигации в среде туристов, охотников и других людей, чья деятельность связана с пребыванием в дикой природной среде.

Работа с магнитным компасом

Магнитный компас помогает определить направление на магнитные север и юг, а также направление на выбранный объект относительно направления на север - азимут.

Поскольку магнитный компас реагирует на любое магнитное поле, то в большинстве случаев его стрелка указывает не на магнитные полюса Земли, о которых мы говорили здесь, а в сторону от них.

Это в первую очередь связано с магнитными девиациями, которые вызываются находящимися рядом намагниченными объектами.

Единственный способ снизить магнитные девиации в туристическом компасе - находиться на достаточном расстоянии от магнитных предметов (например, ножа, мобильного телефона или другого компаса), объектов (например, машины, самолета или судна) и источников электрического тока (например, линии электропередач). Хотя на морских судах магнитные девиации, связанные с деталями самого судна, устраняются с помощью специальных систем, оснащенных магнитами.

Также существуют области, в которых силовые линии магнитного поля Земли сильно отклоняются от подобных линий в соседних областях. Такие районы называются магнитными аномалиями. Стрелка компаса в этих областях также «врет».

Стоит заметить, что вблизи географических полюсов Земли, как в северном, так и в южном полушарии, в наше время компас может давать большие ошибки, вплоть до 180°, то есть самую большую ошибку из гипотетически возможных.

Я не зря сказал, что именно в наше время. Дело в том, что местоположение магнитного полюса (как южного, так и северного) непостоянно. Во-первых, на данный момент магнитные полюса не совпадают с местоположениями географических полюсов, а во-вторых, местоположение магнитных полюсов меняется со временем, причем движется непредсказуемо, изменяя как направление движения, так и скорость. Поэтому нельзя исключать возможности, что рано или поздно в какой-то момент времени оно совпадет с положением одного из географических полюсов Земли.

Магнитные полюса за всю историю Земли неоднократно диаметрально меняли свое местоположение, то есть вблизи северного географического полюса в разные времена был как северный магнитный, так и южный магнитный полюс.

Кроме того, из-за близости географических полюсов к магнитным полюсам в измерениях с помощью магнитного компаса могут возникнуть трудности по той же причине, по которой они возникают на самих магнитных полюсах.

В точках на земной поверхности, соответствующих магнитным полюсам Земли, магнитный компас не будет работать, поскольку силовые линии магнитного поля Земли в этих областях направлены строго вертикально. Точнее, работать-то он будет, но только, если его повернуть набок - магнитная стрелка в этом случае займет строго вертикальное положение, то есть как раз вдоль магнитных линий Земли.

Неисправность компаса

Давать неправильные показания может и неисправный компас, поэтому перед тем, как отправиться в путешествие каждый взятый с собой прибор нужно проверить на исправность.

Для этого к компасу сбоку подносится намагниченный предмет, например, нож, пока стрелка компаса не отклонится в сторону. После того, как объект, вызывающий магнитную девиацию, будет устранен, стрелка должна вернуться в прежнее положение. То же самое необходимо проделать, поднося намагниченный предмет с другой стороны.

Если стрелка после всех манипуляций вернулась на прежнее место, такой компас будет работать правильно. Если же не вернулась, то таким компасом пользоваться нельзя: он неисправен.

Работает ли магнитный компас за пределами Земли

Многие звезды, планеты и их спутники обладают магнитным полем, однако зачастую магнитное поле настолько слабо, что не способно повлиять на стрелку магнитного компаса. Более же чувствительные приборы улавливают даже столь незначительное проявление магнетизма, но сейчас речь не о них.

Так, например, на Луне скорее всего не удастся использовать магнитный компас для ориентирования, поскольку магнитное поле Луны очень слабо.

То же самое касается открытого космоса на большом удалении от небесных тел. Здесь магнитные поля, как правило, настолько малы, что не способны сдвинуть стрелку магнитного компаса с места.

Последнее утверждение справедливо только для магнитного компаса, находящегося вдали от бороздящего просторы космоса космического корабля. На МКС показания компаса целиком будут зависеть от магнитных девиаций, вызванных исключительно деталями самой космической станции.

С другой стороны, не стоит забывать, что даже на тех планетах, где магнитное поле не меньше, а то и больше, чем на Земле, магнитные полюса периодически меняются местами, и направление на магнитный полюс с большой вероятностью не совпадет с направлением на географический полюс. В принципе, как и говорилось ранее, у Земли та же «беда», и то, что мы имеем возможность сегодня использовать магнитный компас для приблизительного определения направления на географические полюса, можно сказать - просто счастливое совпадение.

Таким образом, говоря о магнитном компасе, как об основном средстве навигации для туриста, всегда нужно помнить об ограничениях в его работе, которых, к счастью не так много. В большинстве случаев магнитный компас при корректном его использовании поможет людям сориентироваться в пространстве, при наличии карты - определить свое местоположение, а также найти направление для дальнейшего движения, в том числе и для того, чтобы в аварийной ситуации наиболее быстро выйти к людям.

Если же в аварийной ситуации у человека не оказалось ни навигатора, ни компаса, ни металлических предметов, из которых можно было бы его изготовить, тогда остается ориентироваться по так называемому солнечному компасу — .

В последнее время в печати появились материалы об электронном компасе, как правило, эти материалы предполагают использование в таких приборах магниторезистивных датчиков магнитного поля .

Ниже предлагается рассмотреть отдельные вопросы создания электронного компаса с применением магниточувствительных интегральных схем, именуемых в зарубежной печати “схемами Холла”.Такие схемы сегодня доступны для радиолюбителей, проживающих в странах СНГ .

В настоящее время для определения координат относительно сторон света используются различные навигационные приборы и оборудование. К таким приборам относятся: магнитный и радиокомпас, радиополукомпас, гирокомпас и гирополукомпас, приемники системы GPS и др.

Каждому из этих приборов присущи как определенные преимущества, так и очевидные недостатки. Следует отметить, что ни один из известных навигационных приборов не может обеспечить точного определения азимута во всех районах Земли при любой погоде, различных состояниях магнитосферы и радиопомехах.

Точное определение положения объектов на поверхности Земли и в пространстве представляет собой достаточно сложную техническую задачу, которая решается при помощи магнитометрических систем контроля пространственного положения (МСКПП) с учетом многих факторов.

В связи с этим в морском деле, в авиации, в военном деле применяют совместно компасы различных типов, и на их основе созданы единые (комплексные) курсовые системы.

Однако, в "бытовых целях” наибольшее распространение получили устройства, предназначенных для регистрации магнитного поля Земли (МПЗ) и ориентирования различной аппаратуры на плоскости и в пространстве относительно направления МПЗ.

Наиболее распространенными и доступными (по стоимости) для “обычного пользователя" являются устройства, использующие принцип магнитного компаса.

Немного теории. Для понимания принципов ориентирования по магнитному полю Земли ниже приведем некоторые основные понятия и принципы.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли (часто называемое еще и геомагнитным - ГМП) в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной составляющей) в прямоугольной системе координат (рис. 1), или тремя элементами Земли: горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D (угол между Н и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (угол между Т и плоскостью горизонта).

Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля, измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на специальные карты (которые носят наименование магнитных карт Земли) и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами.

Линия (изоклина) I = 0, т.е. магнитный экватор, не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах. Полная напряженность Т от экватора к полюсу растет от 33,4 до 55,7 А/м (от 0,42 до 0,7 э или от 42 до 70 мкТл).

Ось центрального диполя не совпадает с осью вращения Земли. Северный магнитный полюс расположен в Гренландии близ города Туле (78° северной широты, 69° западной долготы), а южный магнитный полюс расположен в Антарктиде (78° северной широты, 249° западной долготы).

Таким образом, магнитная ось наклонена на 12° к оси вращения Земли. Следует отметить, что понятие “северный магнитный полюс" и "северный магнетизм", как и “южный магнитный полюс” и “южный магнетизм" не совпадают.

Северный магнитный полюс Земли включает понятие южного магнетизма, а южный магнитный полюс - северного. Материковое магнитное поле Земли имеет среднюю напряженность Н около 0,45 э.

Рис. 1. Составляющие магнитного поля Земли.

Однако на земном шаре существуют области магнитных аномалий, где напряженность магнитного поля может превышать среднюю в 2-3 раза. Обычно сильные магнитные аномалии связываются с залежами магнетитовых (FeO, Fe203) и гитаномагнетитовых (примеси ТiO2) руд, с залежами других пород, обогащенных магнетитом, с некоторыми пирроктиловыми (FeS) месторождениями.

Приметами таких аномалий являются Кривой Рог, Кольские аномалии, аномалии на Урале и т.п. Наиболее сильной аномалией на земном шаре является аномалия в районе г. Курска и г. Белгорода, получившая наименование Курской магнитной аномалии (КМА).

Напряженность поля КМА (вертикальная составляющая) достигает здесь 1,Б...1,91 э (150...190 мкТл), Эта аномалия объясняется наличием большого рудного тела под поверхностью Земли. Наиболее известным применением явления земного магнетизма является компас, изобретенный в Китае более 2000 лет тому назад, который начал использоваться примерно в XII веке.

Принцип действия компаса основан на взаимодействии магнитного поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Простейший компас представляет собой круглую коробку из немагнитного материала, в центре которой располагается магнитная стрелка, установленная на остром основании (например, на игле).

Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, стрелка всегда указывает одним из концов в направлении Северного магнитного полюса.

Для определения азимута компас должен находиться в строго горизонтальном положении. Точность определения направления (или азимута) простым компасом составляет З...5п.

Точность современных судовых магнитных компасов в средних широтах и при отсутствии качки достигает 0,3...0,5°. К недостаткам магнитного компаса относится необходимость внесения поправки в его показания на несовпадение магнитного и географического меридианов (поправка на магнитное склонение) и поправки на девиацию (вращение Земли).

Вблизи магнитных полюсов Земли и крупных магнитных аномалий точность показаний магнитного компаса резко снижается, в этих районах приходится пользоваться навигационными приборами других типов .

В связи с бурным развитием микромагнитоэлектроники в последнее время широкое распространение получили т.н. электронные компасы. Электронные компасы имеют массу преимуществ перед традиционными (стрелочными).

Они вибро- и удароустойчивы, к тому же конструкции современных компасов предусматривают: возможность введения местоположения пользователя, установку магнитного склонения, автоматическую компенсацию при воздействии внешних полей, установку маршрута и его запись, прямой интерфейс с электронной системой навигации и т.д.

Рис. 2. Разложение вектора магнитного поля Земли на составляющие.

Точность определения азимута электронным компасом может достигать 0,1°. В таких приборах роль “магнитной стрелки” выполняет преобразователь магнитного поля.

Принципы определения направления вектора МПЗ

На практике определение направления вектора магнитного поля Земли (Н) сводится к измерению напряженности двух его составляющих Нx и Нy (рис. 2) с дальнейшим вычислением угла. Угол ф, в общем случае, определяется по формуле:

Следует отметить, что значения напряженности магнитного поля, определенные преобразователем (датчиком) МП, могут колебаться как по амплитуде (дельта Н), так и по постоянной составляющей (Hy0 и Hx0). С учетом этого уравнение (1) принимает следующий вид (2) (см. врезку).

Так как абсолютные значения синуса и косинуса угла равны при 45 градусах, то вычисления производят только в этой области. Если предположить, что погрешность измерения H составляет 1 %, то при угле 45 градусов получают максимальное отклонение 1,1 градуса.

Для достижения необходимой точности при определении направления менее 1% в работе (2) были сформулированы следующие основные требования к Измерительной системе, предназначенной для определения вектора МПЗ (формула):

• Должны использоваться, как минимум, два датчика МПЗ. При этом их магниточувствительные элементы располагаются перпендикулярно друг к другу Один датчик МП регистрирует другой
• Диапазон измерений должен составлять от 20 до ЮОА/м {от 0,25 до 1,25 гс или от 25 до 125 мкТп).
• Отклонение амплитуды смещения не должно превышать 1% от максимального значения.

Структурная схема электронного компаса

В последние годы на отечественном рынке появилось достаточно много моделей электронных компасов, выпускаемых зарубежными производителями. Эти модели имеют различные характеристики, различный набор функций и различное конструктивное оформление. Стоимость таких устройств составляет от 20 до 1000 USD.

Рис. 3. Возможный вариант структурной схемы электронного компаса.

В зависимости от назначения структурные и электрические схемы электронных компасов могут быть весьма разнообразными. Однако все они содержат некоторые общие узлы уі блоки.

Возможный вариант структурной схемы электронного компаса приведен на рис, 3. Структурная схема электронного компаса содержит следующие основные узлы и блоки:

• Два канала для измерения напряженности МПЗ по осям X и Y
• Канал определения угла наклона устройства.
• Микропроцессор
• Блок ввода местоположения пользователя.
• Блок памяти.
• Интерфейс,
• Графический и (или) цифровой индикаторы.
• Стабилизированный источник питания.

Назначение основных узов и блоков

Каналы определения азимута. Представляют собой измерители напряженности магнитного поля Земли по осям X и Y. Выходной сигнал каждого канала выдается через АЦП в цифровой форме и поступает в микропроцессор. Конструктивно каналы могут быть реализованы в виде ИМС.

Канал определения угла наклона, Представляет собой устройство, определяющее угол наклона устройства относительно Земли. Задача данного канала заключается в вы работке специальной поправки в данные канала определения азимута, при углах наклона до ±45° относительно Земли.

Выходной сигнал данного канала выдается через АЦП в цифровой форме и поступает в микропроцессор. Конструктивно канал может быть реализован в виде ИМС.

Микропроцессор служит для обработки сигналов, поступающих с каналов определения азимута и угла наклона, выработки соответствующих поправок и передаче выходных данных, через интерфейс, на графический и цифровой индикаторы направления. Обычно реализуется в виде БИС. Блок ввода местоположения пользователя.

Предназначен для ручного ("клавиатурного”) ввода информации о местоположении (например, страны или города) пользователя. Сигнал с этого блока поступает в микропроцессор, где сравнивается с фиксированной информацией о местоположении стран и городов, хранящейся в блоке памяти.

Блок памяти. Энергонезависимое электронное устройство, предназначенное для хранения сведений о географических координатах стран и городов. Может хранить данные о 500 и более объектах. Интерфейс или блок сопряжения.

Представляет собой электронное устройство, преобразующее выходной сигнал микропроцессора в форму, необходимую для работы графического и цифрового индикаторов.

Основную проблему при разработке электронных компасов составляет оптимальный выбор типа датчика или преобразователя магнитного поля (ПМП).

В качестве датчиков МП в таких устройствах могут использоваться различные типы преобразователей магнитного поля: магниторезисторы, высокочувствительные элементы Холла, магнитодиоды и магнитотранзисторы, магниточувствительные интегральные схемы, миниатюрные индуктивные и феррозондовые датчики и т.п.

Выбор типа ПМП осуществляется с учетом требуемых параметров и характеристик разрабатываемой аппаратуры, условий ее эксплуатации и целого ряда экономических факторов.

Основное требование, предъявляемое к ПМП, предназначенных для этих целей, - это высокая и явно выраженная координатная магнитная чувствительность.

В настоящее время наиболее широкое применение в составе электронных компасов получили тонкопленочные магниторезисторы и миниатюрные индуктивные датчики МП.

Принцип действия таких устройств рассматривается в работах . Следует отметить, что разработка современного электронного компаса в “домашних условиях” представляет собой достаточно сложную задачу даже для квалифицированного радиолюбителя.

Однако, для понимания принципов работы и оценки возможностей подобных приборов, ниже рассматриваются два простейших варианта “электронного компаса", реализованных с применением магниточувствительной ИС, построенной с использованием элемента Холла.

М. Бараночников. г. Москва. E-mail: baranochnikov[a]mail.ru РМ-07-17.

Литература:

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 1. - ДМК Пресс, Москва, 2001 г., 544 с.
2. Wellhausen Н. Elecktronischer Kompab // Elektronic, 8/14, 4, 1987. - рр. 85 - 89.
3. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Том 1. Том 2. - Лазерный диск. ДМК Пресс, Москва, 2002 г.
4. Электронный компас, - Радиохобби, №2, 2002 г, с. 18.
5. Бузыканов С. Применение магниторезистивных датчиков в системах навигации. - Chip news, №5, 2004 г., с. 60 - 62.

Добрый день. В мобильные телефоны создатели довольно часто встраивают компас. Но, что это, и для чего он нужен, не все пользователи смартфонов имеют представление. Поэтому, в данной статье, мы постараемся подробнее рассмотреть эту программу телефона, и, если её в вашем устройстве нет, рассмотрим, как её скачать.

Какие бывают компасы

Что такое компас, мы все помним из курса школьной географии. Но, давайте более глубоко копнем этот вопрос. Люди придумали различные приборы, которые позволяют понять, где находятся полюса. Главное в этом деле понять, где находится север. Далее, зная расположение северного полюса, можно узнать, где находятся остальные направления света. Зачем нам это нужно? Чтобы не заблудиться на местности. К примеру, в лесу, в поле, или находясь на яхте в море.

Например, вы в курсе, как определить полюса в лесу, имея в подручных средствах обычную иголку? Нужно аккуратно положить маленькую иголочку на водную плёнку (на водной глади есть тончайшая плёнка, именно по ней бегают долгоножки), или можно просто положить её на маленький листик растения (или небольшой бумаги).

Сам же лист аккуратно положить на воду в фарфоровой (пластиковой) тарелке (или в луже, если вы в лесу). Итак, один из концов иголки примет направление на север, другой, на юг. Всё очень просто. К чему я это сказал? Данный метод очень может вам помочь, если вы находитесь в незнакомой местности и не знаете направления сторон. У вас нет компаса, но, есть небольшая лужа и обычная иголка! Вам останется только понять, какой именно из концов иголки показывает на север!

Виды компасов

Магнитный – всем знакомый компас из школьного курса. Суть его сводится к определению магнитного северного полюса по магнитному полю. Далее, исходя из шкалы прибора, без труда определяются остальные части света.

Есть очень красивые компасы, носить которые одно удовольствие. Например, купить красивый компас Eyeskey Professional

вы можете здесь . Доставка бесплатна, вариантов много. Тот, что на картинке, я подарил другу на день рождения. Он заядлый рыбак. От компаса он пришёл в восторг.

Электромагнитный

Суть его работы в создании поля из-за движения прибора в пространстве. Его устанавливают в различные транспортные средства, вроде кораблей, самолетов, и прочих механизмов. Тут есть одно условие, чтобы компас начал функционировать, необходимо движение этого механизма. Без движения, не появится электричество, и его величина не покажет нужных данных на приборе.

Цифровой компас

Его действие похоже на разновидность обычного классического. Различие в том, что в нем нет стрелки, но есть датчик, использующий магнитное поле. Данные с датчика идут на циферблат. В подобных компасах часто присутствуют прочие возможности. Довольно часто, такие приборы могут замерять шаги, давление. Работать он может как барометр, часы и прочее. Недостаток – окончание заряда батарейки.

Например, тот, что на скриншоте, является также и барометром. Подробнее о нём по ссылке…

Радиокомпас

Для этой разновидности компасов нет нужды в магнитном поле. В связи с тем, что данные поступают прямо со специальных вышек. Раньше, подобный механизм довольно часто применяли в самолётах. Но, в последнее время, от них всё чаще отказываются, так как довольно часты стали различия в информации из-за искажения радиоволн.

Спутниковый

Как понятно из названия, данные он получает со специальных спутников. Что интересно, этот вид компаса, показывает направление не на магнитные полюса, а на реальные, географические. Другими словами, он самый точный. Но, есть и недостатки. При плохой погоде, информация может искажаться. Также, информация может быть не точной, если человек находится под землёй.

Именно данный вид компасов, совместно с цифровыми, встраивают в телефоны и различные планшеты. Сигналы они принимают прямо со спутников. Сейчас в большинстве смартфонов, данный вид компаса встроен по умолчанию. Другими словами, скачивать его с различных сервисов нет нужды. Достаточно войти в настройки, и активировать данную функцию.

Также, этот компас часто неразрывно связан с навигатором в телефоне. Если у вас в сотовом присутствует навигатор, то, разумеется, есть и компас.

Если же в вашем телефоне отсутствует данная программа, скачать компас бесплатно, можно, с play.google.com . На снимке вы видите Compass Galaxy.

Если вас данная модель не устраивает, на этой же странице есть другие варианты телефонного компаса. Выбирайте тот, который вам больше приглянулся.

Важно: — Я не знаю, какая у вас модель телефона. Но, чтобы работал компас в телефоне, необходимо, чтобы в вашем гаджете была установлена функция магнитного датчика. Если её нет, то, необходимо подключится к геолокации GPS. Или, другими словами, подключить магнитный гироскоп. Разумеется, если это позволяет модель вашего телефона, о чем вы можете узнать из его инструкции. Успехов!