CN101806595B - 一种两维电子指南针校准方法 - Google Patents

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本发明公开了一种两维指南针校准方法，其包括有以下步骤。首先是建立一个特殊的椭圆—单位圆。持续获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据，更新磁物理量数据的最大值/最小值，并利用磁物理量数据的最大值/最小值动态计算椭圆的几何中心。将椭圆几何中心以及两次不同采样点带入椭圆标准方程，计算出椭圆方程的长半轴/短半轴参数，进而计算出因磁传感器自身误差造成的灵敏度误差和非正交度并补偿。本发明涉及的两维指南针校准方法，基于最小二乘法的椭圆拟合方法，实现了两维指南针新式的、数学层面的、简便的校准。

Description

一种两维电子指南针校准方法
技术领域
本发明涉及一种两维电子指南针校准方法。
背景技术
目前，业界对于两维电子指南针的应用很少，特别是在移动电话设备领域。
通常使用的两维电子指南针的方法，在做地磁校准时，需要用户让设备旋转超过两圈（两圈半左右）。其中先旋转半圈左右建立临时坐标系，用于监测旋转动作；其次转第一圈采集数据的最大值/最小值，进而求出几何中心；最后转第二圈求各个点到几何中心的距离，进而得出磁传感器正交轴的灵敏度误差。
上述校准方法具有以下缺陷：
1．校准过程较为复杂，需要沿着顺时针或逆时针一个方向水平旋转设备近三圈，并且无法屏蔽设备顺时针/逆时针交替较快旋转所造成的监测误差；
2．校准方法只关注几何中心以及各采样点到几何中心的距离，无法实现图形层面的最优匹配；
3．对一般磁传感器各轴上的灵敏度误差补偿精度较低，并且无法修正一般磁传感器各轴非正交造成的误差；
4．只能手动启动校准，无法实现自动校准；
5．使用磁传感器获得的原始数据而非真正的磁物理量数据进行计算，无法较好地兼容不同类型的磁传感器。
基于以上缺陷，业界确有必要开发一种新的两维电子指南针校准方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，现有电子指南针的地磁校准方法，不仅校准过程较为复杂、无法实现图形层面的最优匹配、无法对一般磁传感器各轴上的灵敏度误差进行精确补偿、无法修正一般磁传感器各轴非正交造成的误差、无法实现自动校准，而且不能较好地兼容不同类型的磁传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种两维电子指南针校准方法，其包括有以下步骤。
建立一个特殊的椭圆：单位圆，其圆点位于指南针的磁传感器坐标系原点，半径为1。持续获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据，更新磁物理量数据的最大值/最小值，并将新采集到的数据带入第一椭圆方程，计算出其平方的数值，并与预设的阀值做比较，如果数据超出阀值，则计算椭圆参数。采集磁传感器数据，获得当前周围磁场磁感强度的最大值/最小值坐标并保存。利用已采集到的磁物理量数据的最大值/最小值动态计算椭圆的几何中心。将椭圆几何中心以及两次不同采样点带入第二椭圆方程，计算出第二椭圆方程的长半轴/短半轴参数，进而计算出因磁传感器自身误差造成的灵敏度误差和非正交度并补偿。将计算结果保存到校准参数存储空间中。
进一步的，在不同实施方式中，其中涉及使用的第一椭圆方程为F(x,y)=b2*x2 + a2*y2 - a2*b2。
进一步的，在不同实施方式中，其中在获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据时，对采集到的数据进行数据处理，并将数据投影到嵌入式处理器能够容纳的数值范围内。
进一步的，在不同实施方式中，其中对磁传感器采集到的数据涉及使用的数据处理公式为：
A=A*(Rmax-Rmin)/(Amax-Amin)
其中：A表示待映射的数据，Rmax/Rmin表示映射后的数据最大值和最小值，Amax/Amin表示待映射的数据最大值和最小值。
进一步的，在不同实施方式中，其中其为当连续若干数据都超出阀值时，计算椭圆参数。这是因为，当连续若干数据都超出阀值时，则说明当前参数构成的椭圆图形与已有采样点轨迹所构成的图形在图形层面不匹配，需要进入计算椭圆参数的过程，也就是进行后续步骤；否则，则说明目前图形匹配较好，不需进行后续步骤，下次采样时再继续执行采样值与预设阀值的比较步骤。
进一步的，在不同实施方式中，其中动态计算椭圆的几何中心的方式为：取磁物理量数据最大值/最小值采样点线段的中点作为采样点轨迹的几何中心，并建立新的坐标系。
进一步的，在不同实施方式中，其中建立新坐标系涉及使用的公式为：
Xoriginal=(Xmax+Xmin)/2
Yoriginal=(Ymax+Ymin)/2
其中：Xoriginal、Yoriginal表示新建立的坐标系原点在原坐标系中的坐标，Xmax/Ymax表示X/Y两维坐标数值的最大值，Xmin/Ymin表示X/Y两维坐标数值的最小值。
进一步的，在不同实施方式中，其中涉及使用的第二椭圆方程为标准椭圆方程x2/a2+y2/b2=1。计算方式为：
x0 2/a2+y0 2/b2=1
x1 2/a2+y1 2/b2=1
              a2=(y1 2*x0 2-y0 2*x1 2)/(y1 2-y0 2)
              b2=(a2*y1 2)/(a2-x1 2)
相对于现有技术，本发明采用基于最小二乘法的椭圆拟合来实现两维电子指南针的校准方法，其具有以下优点：
1．解决了传统的两维指南针只能手动校准的局限以及校准过程需要用户较为复杂的操作的问题：只能在水平面上沿着顺时针或逆时针一个方向旋转将近三圈，并且无法屏蔽设备顺时针/逆时针交替较快旋转所造成的监测误差。本发明涉及的校准方法理论上只需要水平随意旋转设备达到一周即可，而实际的测试表明通常只需要水平旋转设备200度左右就可以计算出最终校准结果了。
2．校准结果的精确度比传统的两维指南针校准结果有较大提高，由于采用了椭圆拟合的方法，实现了动态逼近的数学逼近法，校准结果所组成的数学图形与真实磁传感器采样轨迹最接近，即以图形最优匹配为最高目标，真实轨迹与数学拟合结果的图形误差最大不超过1%。
3．高准确度自动补偿磁传感器误差。相比传统的两维指南针简单使用坐标最值估算采样轨迹的几何中心而忽略实际轨迹图形的方法，本发明涉及的方法更关注于几何图形级别的最优匹配，不仅仅可以更准确计算出一般磁传感器各个感应阵列的灵敏度误差，还可以计算出一般磁传感器各感应阵列的非正交度并修正，最终实现比传统的两维指南针更高准确度的误差补偿。
4．本校准方法不但可以手动校准，还可以进行自动校准。
5．相比传统的两维指南针校准方法使用磁传感器的原始转换数据，本发明涉及的方法使用磁传感器转换的真正的磁物理量数据，更好的兼容了不同的磁传感器，方便方法的整机移植。
具体实施方式
本发明涉及的两维电子指南针校准方法，是基于最小二乘法的椭圆拟合方法来实现两维电子指南针新式的、数学层面的、简便的校准的方法，用户只需在水平面让设备划一个“8”的轨迹或者水平旋转一圈即可。且在计算过程中，使用数值映射方法，将采集到的数据投影到嵌入式处理器的数据长度能够容纳的范围之内进行计算。
由于磁传感器自身的装配误差和灵敏度误差、以及设备硬磁干扰等因素的存在，使两维磁传感器在水平面采集到的数据形成的轨迹近似为一个几何中心偏离磁传感器坐标系原点一定数值的椭圆，因此，求出最接近该轨迹的椭圆即可实现精确指向。
本发明涉及的两维指南针校准方法，首先是建立一个特殊的椭圆：单位圆，其圆点位于磁传感器坐标系原点，半径为1；持续获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据，更新磁物理量数据的最大值/最小值，并利用磁物理量数据的最大值/最小值动态计算椭圆的几何中心；将椭圆几何中心以及两次不同采样点带入椭圆标准方程，计算出椭圆方程的长半轴/短半轴参数，进而计算出因磁传感器自身误差造成的灵敏度误差和非正交度并补偿。将新采集到的数据带入更新参数后的椭圆方程F(x,y)，计算出其平方的数值F2(x,y)，并与预设的阀值做比较，如果连续若干数据都超出阀值，则说明当前参数构成的椭圆图形与已有采样点轨迹所构成的图形在图形层面不匹配，需要重复上面计算椭圆参数的过程。否则，说明目前图形匹配较好，继续计算新的磁物理量数据采样。
具体实施方式包括有以下步骤：
1. 建立一个特殊的椭圆——单位圆，圆心位于磁传感器X/Y坐标系原点，半径为1。
2. 采集磁传感器数据，获得当前周围磁场磁感强度的最大值/最小值坐标并保存；同时对数据进行数值映射，将数据投影到嵌入式处理器能够容纳的数值范围内；其中涉及使用的公式为：
A=A*(Rmax-Rmin)/(Amax-Amin)
其中：A表示待映射的数据，Rmax/Rmin表示映射后的数据最大值和最小
值，Amax/Amin表示待映射的数据最大值和最小值。
3. 判断该采样点对当前椭圆的质量分数，如果超过预设的阀值，则进入步骤4；否则计算指针指向后推出，下次采样仍然进入步骤2；其中涉及使用的公式为：
Quality = F(x,y)=b2*x2+a2*y2-a2*b2。
4. 取最大值/最小值采样点线段的中点作为采样点轨迹的几何中心并建立坐标系；
Xoriginal=(Xmax+Xmin)/2
Yoriginal=(Ymax+Ymin)/2
其中：Xoriginal、Yoriginal表示新建立的坐标系原点在原坐标系中的坐标，Xmax/Ymax表示X/Y两轴坐标数值的最大值，Xmin/Ymin表示X/Y两轴坐标数值的最小值。
5. 通过两组采样数据求出最接近当前已有采样点轨迹的椭圆，并将计算结果反映射回到原有的数值范围；其采用椭圆标准方程公式x2/a2+y2/b2=1进行计算：
x0 2/a2+y0 2/b2=1
x1 2/a2+y1 2/b2=1
                a2=(y1 2*x0 2-y0 2*x1 2)/(y1 2-y0 2)
                b2=(a2*y1 2)/(a2-x1 2)
6. 返回步骤2继续执行。
本发明涉及的校准方法的流程如上述步骤1～6所述，当用户将设备在水平面扭动出一个“8”字之后(或水平旋转超过半圈即可)，根据本发明涉及的校准方法计算出的椭圆已经基本最接近已有的采样点轨迹和未采集到的数据点所组成的轨迹了，此时设备即可实现精确指向。
本发明采用新的校准原理，大大简化了校准过程，并且更关注于校准结果所构成的几何图形与采样点轨迹图形，在图形层面的匹配，实现最优匹配。如此还可以高准确度的计算出一般磁传感器的各轴灵敏度误差以及各轴的非正交度误差，并高精度的补偿。同时完全实时自动校准，也可以配合手动校准。另外，使用磁物理量数据进行计算，方便磁传感器更新替换。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种两维指南针校准方法，其特征在于：包括有以下步骤：
建立一个特殊的椭圆：单位圆，其圆点位于指南针的磁传感器坐标系原点，半径为1；
持续获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据，更新磁物理量数据的最大值/最小值，并将新采集到的数据带入第一椭圆方程，计算出其平方的数值，并与预设的阀值做比较，如果数据超出阀值，则进入到计算椭圆参数的步骤；
采集磁传感器数据，获得当前周围磁场磁感强度的最大值/最小值坐标并保存，利用已采集到的磁物理量数据的最大值/最小值动态计算椭圆的几何中心；
将椭圆几何中心以及两次不同采样点带入第二椭圆方程，计算出第二椭圆方程的长半轴/短半轴参数，进而计算出因磁传感器自身误差造成的灵敏度误差和非正交度并补偿；
将计算结果保存到校准参数存储空间中。
2.根据权利要求1所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中涉及使用的第一椭圆方程为F(x,y)=b2*x2+ a2*y2-a2*b2。
3、根据权利要求1所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中在获取磁传感器采集到的物理量级别磁数据时，对采集到的数据进行数据处理，并将数据投影到嵌入式处理器能够容纳的数值范围内。
4、根据权利要求3所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中对磁传感器采集到的数据涉及使用的数据处理公式为：
A=A*(Rmax-Rmin)/(Amax-Amin)
其中：A表示待映射的数据，Rmax/Rmin表示映射后的数据最大值和最小值，Amax/Amin表示待映射的数据最大值和最小值。
5、根据权利要求1所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中其为当连续若干数据都超出阀值时，则进入到计算椭圆参数的步骤。
6、根据权利要求1所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中动态计算椭圆的几何中心的方式为：取磁物理量数据最大值/最小值采样点线段的中点作为采样点轨迹的几何中心，并建立新的坐标系。
7、根据权利要求6所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中建立新坐标系涉及使用的公式为：
Xoriginal=(Xmax+Xmin)/2
Yoriginal=(Ymax+Ymin)/2
其中：Xoriginal、Yoriginal表示新建立的坐标系原点在原坐标系中的坐标，Xmax/Ymax表示X/Y两维坐标数值的最大值，Xmin/Ymin表示X/Y两维坐标数值的最小值。
8、根据权利要求1所述的两维指南针校准方法,其特征在于：其中涉及使用的第二椭圆方程为标准椭圆方程x2/a2+y2/b2=1，计算方式为：
x0 2/a2+y0 2/b2=1
x1 2/a2+y1 2/b2=1
           a2=(y1 2*x0 2-y0 2*x1 2)/(y1 2-y0 2)
           b2=(a2*y1 2)/(a2-x1 2)
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