CN102589537A - 一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，所述方法包括：磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的相对磁通量，滤波处理后进行椭球拟合校正，保存校正参数至第一存储装置；磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的磁通量的极值，进行椭圆拟合校正，保存校正参数至第二存储装置；惯性导航模块获取倾斜角数据并结合步骤S1与S2的校正参数，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h，从而完成对电子罗盘的磁干扰校正及倾斜角校正。该校正方法提高了电子罗盘的适应性，简化了校正步骤，并且无需在无磁环境下进行，因此对校正设备和校正环境要求低。

Description

一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法

技术领域

本发明涉及一种电子罗盘校正方法，尤其涉及一种有磁环境下并运用于无人机上的电子罗盘校正方法。

背景技术

电子罗盘是利用地球磁场固有的指向性，测量载体空间姿态角度的一种测量传感器。它可以测量载体三维姿态数据，并广泛地应用于需要获取载体姿态角度的场合，例如：载人机或无人机的飞行姿态控制、机器人控制、航海石油钻井等等。

电子罗盘具有体积小、航向精度高、倾斜范围宽、频响高、低功耗的优点，很适合用于既对航向精度有较高要求同时又对功耗、体积有限制的场合，例如：无人机或机器人。

电子罗盘作为无人机航向测量传感器之一，在飞行控制系统中起着重要的作用。电子罗盘通过测量地球磁场强度的微弱变化，计算出当前航向。电子罗盘对外界干扰的补偿程度是影响电子罗盘精度的关键因素。

电子罗盘的校正需要倾斜角、磁干扰以及温度等补偿后才能得到准确的航向角。就无人机的应用而言，倾斜角和磁干扰对其影响最大。目前的多数电子罗盘都通过两轴或三轴加速度计对电子罗盘做倾斜角补偿，其缺点是不适合用于带有俯仰角和滚动角动态变化的无人机。如果加入三轴角速度组成九轴，则需要复杂的算法，使整个系统变得非常复杂。

当电子罗盘装到无人机上后，为了能补偿无人机上的磁干扰，需要对电子罗盘进行校正。由于无人机的体积较大，旋转困难，因此将电子罗盘安装到无人机上后，再校正电子罗盘变得很复杂，而且建造大型的无磁转台和无磁干扰的环境的成本太高。

在现有技术中，在没有无磁转台的情况下，只能采用简单的方式校正。一般采用手动旋转电子罗盘来校正，粗略地估计电子罗盘在x、y轴的磁通量的最大值和最小值来近似椭球拟合校正。这种校正方法难以取到电子罗盘在各个轴向的磁通量的最大值和最小值。由于地球磁倾角的存在，电子罗盘测得的磁通量的最大值和最小值并不在水平面和竖直方向。电子罗盘水平安装在无人机轴向平面时，在z轴的校正，必须把无人机的机头或机尾朝地旋转来采集数据。随着无人机的重量和体积增加，可行性也会降低。

有鉴于此，有必要对在有磁环境下的无人机的电子罗盘校正方法予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有磁环境下的电子罗盘校正方法，其可提高电子罗盘的适应性，同时简化电子罗盘的校正步骤，校正过程无需在无磁环境下进行，降低对校正设备和校正环境的要求。

为实现上述发明目的，本发明的一种有磁环境下的电子罗盘校正方法，所述方法包括如下步骤：

S1、磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的相对磁通量，滤波处理后进行椭球拟合校正，保存校正参数至第一存储装置；

S2、磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的磁通量的极值，进行椭圆拟合校正，保存校正参数至第二存储装置；

S3、惯性导航模块获取倾斜角数据并结合步骤S1与S2的校正参数，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1具体为：

在无人机的机体外部，使用磁力计获取x、y、z三轴的相对磁通量X、Y、Z；

进行滤波处理后，将相对磁通量X、Y、Z送入极值获取单元，以获取磁力计在x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max、Y_max、Z_max和极小值X_min、Y_min、Z_min；

进行椭球拟合校正，得到校正参数H、K、B，其中

；

；；

保存校正参数H、K、B至电子罗盘的存储装置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体为：

在无人机的机体内部，使用磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max’、Y_max’、Z_max’和极小值X_min’、Y_min’、Z_min’；

进行椭圆拟合校正，得到校正参数H’、K’、B’，其中

；

；

；

保存校正参数H’、K’、B’至飞行控制计算机的存储装置中。

作为本发明的进一步改进，其特征在于，所述电子罗盘的存储装置和/或飞行控制计算机的存储装置至少包括flash闪存。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体为：

利用无人机上的惯性导航模块获取无人机飞行时的俯仰角α和滚动角γ；

并结合所述步骤S1中经过椭球拟合校正得到的校正参数H、K、B及所述步骤S2中经过椭圆拟合校正得到的校正参数H’、K’、B’，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1之前和/或步骤S3之后，还包括至少一次滤波。

作为本发明的进一步改进，所述无人机包括无人直升机和/或无人固定翼飞机。

作为本发明的进一步改进，所述磁力计为三轴数字磁阻式磁力计和/或三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴数字磁阻式磁力计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在无人机的机体外部和内部分别进行第一次磁干扰校正及第二次磁干扰校正，以完成磁干扰校正；通过惯性导航模块获取无人机飞行时的倾斜角数据并结合第一次及第二次磁干扰校正参数，以完成倾斜角校正。该校正方法提高了电子罗盘的适应性，简化了校正步骤，并且无需在无磁环境下进行，因此对校正设备和校正环境要求低。

附图说明

图1为本发明一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法一具体实施方式中的流程示意图；

图2为本发明一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法一具体实施方式中的系统示意图；

图3为图2所示的本发明一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法中执行S1步骤的模块示意图；

图4为图2所示的本发明一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法中执行S2步骤及S3步骤的模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

电子罗盘测量载体航向角的基线是磁子午线（即地球磁经线）。当电子罗盘安装在载体上，例如无人机时，由于载体周围存在的铁磁材料的影响，使得电子罗盘所在的磁场方向与地磁场的方向不一致，引起航向测量误差。这种误差的影响包括硬磁材料和软磁材料的影响。硬磁材料相当于永久磁铁，它的磁场强度在某一固定的环境中可以认为是不变的。由于电子罗盘一般体积较小，可以认为硬磁材料对电子罗盘的各个测量轴产生固定偏值的影响，该影响随着与硬磁材料的距离的减小而增加。软磁材料本身不产生磁场，当被环境磁场磁化后产生干扰磁场对电子罗盘的测量产生影响，在电子罗盘各轴上产生的误差分量不固定。

椭球拟合校正是一种采用基于椭球模型假设理论的电子罗盘由于其x、y、z三轴的磁通量受到干扰磁场的影响而发生偏差并进行补偿校正的一种校正方法，是一种电子罗盘的三轴校正方法；而椭圆拟合校正是椭球拟合校正的一种特殊情况，其在校正过程中不需要x、y、z三轴旋转，只要在x、y的两轴平面内旋转电子罗盘即可实现对电子罗盘的校正。

参图1至图3所示的本发明一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法的一具体实施方式，该校正方法包括如下步骤：

S1、磁力计10获取电子罗盘100在x、y、z三轴的相对磁通量，滤波处理后，进行椭球拟合校正，保存校正参数至第一存储装置。在本实施方式中，该第一存储装置为电子罗盘100的存储装置12。

该步骤S1具体包括以下几个过程：

首先，在远离无人机的机体外部，最好选择较开阔的场地并且周围无较强的磁干扰物质，如高压线、汽车等。

使用磁力计10获取电子罗盘100在x、y、z三轴的相对磁通量X、Y、Z，进行滤波处理后，将相对磁通量X、Y、Z的数字量通过微控制器11传输至PC机200的极值获取单元20，并通过该极值获取单元20获取电子罗盘100在x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max、Y_max、Z_max和极小值X_min、Y_min、Z_min，然后将磁通量的极大值和极小值等数字量送入处理器21，用以进行椭球拟合校正，得到校正参数H、K、B，其中

；；

。

由此得到的校正参数H、K、B传输至微控制器11，最后，通过微控制器11将校正参数H、K、B保存至电子罗盘100的存储装置12中。其中，参数H为电子罗盘100在x、y、z三轴的相对磁场强度，参数K、B为电子罗盘100在x、y、z三轴的校正参数。

在本实施方式中，电子罗盘100的存储装置12可以为flash闪存，也可以为RAM或ROM。

在本实施方式中，磁力计10为三轴数字磁阻式磁力计，当然也可为三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计。当采用三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计获取电子罗盘100的在x、y、z三轴的相对磁通量X、Y、Z时，需通过AD转换模块（未图示）用以将三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计所获取电子罗盘100的相对磁通量X、Y、Z的模拟量转换为数字量，然后再将电子罗盘100的相对磁通量X、Y、Z的数字量传输至微控制器11。

该步骤S1为电子罗盘100的第一次磁干扰校正，用于消除电子罗盘100的自身干扰，包括电子罗盘100的外壳（未图示）及其他电子元件（未图示）对电子罗盘100的磁干扰。

S2、磁力计10获取电子罗盘100在x、y、z三轴的磁通量的极值，进行椭圆拟合校正，保存校正参数至第二存储装置。在本实施方式中，该第二存储装置为飞行控制计算机400的存储装置41。

结合参图2及图4所示，该步骤S2具体包括以下几个过程：

在步骤S1执行完毕之后，将电子罗盘100安装上无人机，以进行第二次磁干扰校正，即步骤S2。在步骤S2中，电子罗盘100的安装需要尽量远离一些硬磁材料或者软磁材料，例如：发动机、电磁线圈或者铁螺丝。同时要尽量避免在电子罗盘的z轴方向的干扰源。

在无人机的机体内部，微控制器11从电子罗盘100的存储装置12中调取校正参数H、K、B，并依靠校正参数H、K、B使用磁力计10获取电子罗盘100在x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max’、Y_max’、Z_max’和极小值X_min’、Y_min’、Z_min’。

将磁力计10所获取的电子罗盘100在x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max’、Y_max’、Z_max’和极小值X_min’、Y_min’、Z_min’等数字量传输至微控制器11，并通过微控制器11将该数字量传输至无人机的飞行控制计算机400的处理器40中，用以进行椭圆拟合校正，得到校正参数H’、K’、B’，其中

；

；

；

最后保存校正参数H’、K’、B’至飞行控制计算机400的存储装置41中。其中参数H’为电子罗盘100在x、y、z三轴的相对磁场强度，参数K’、B’为电子罗盘100在x、y、z三轴的校正参数。

在本实施方式中，该飞行控制计算机400的存储装置41可以为flash闪存，也可以为RAM或ROM。

在本实施方式中，磁力计10为三轴数字磁阻式磁力计，当然也可为三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计。当采用三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计获取电子罗盘100的在x、y、z三轴的相对磁通量X、Y、Z时，需通过AD转换模块（未图示）用以将三轴模拟磁阻式磁力计和/或三个单轴模拟磁阻式磁力计所获取电子罗盘100的相对磁通量X、Y、Z的模拟量转换为数字量，然后再将电子罗盘100的相对磁通量X、Y、Z的数字量传输至微控制器11。

该步骤S2为电子罗盘100的第二次磁干扰校正，用于消除无人机的机体干扰。用以进一步消除无人机上的磁干扰源，例如：无人机的发动机（未图示）、无人机内部设置的线路（未图示）等对电子罗盘100的磁干扰。

S3、惯性导航模块300获取倾斜角数据并结合步骤S1与S2的校正参数，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。

在无人机动态的飞行过程中，如果无人机倾斜了一定角度，则必须利用倾斜角度（俯仰角α和滚动角γ）和x、y、z三个轴向的磁场分量来计算水平方向的磁场分量X_h和Y_h。

结合参图1、图2及图4所示，该步骤S3具体包括以下几个过程：

利用无人机上的惯性导航模块300获取无人机飞行时的俯仰角α和滚动角γ；

并结合步骤S1中经过椭球拟合校正得到的校正参数H、K、B及步骤S2中经过椭圆拟合校正得到的校正参数H’、K’、B’，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。该步骤S3为电子罗盘100的倾斜角校正。

结合图2所示，在本实施方式中，在步骤S3之后，还可以包括再进行至少一次滤波51，以消除无人机在飞行过程中所遇到的变化的其他干扰50，例如：无人机线路中的电流变化引起的磁干扰、太阳耀斑所引起的地磁场的异常、无人机在飞行过程中遇到的铁塔所引起的磁干扰等等。当然在步骤S1之前也可以进行至少一次滤波，在此不再冗述。

根据水平磁场分量X_h和Y_h，按照公式（1）可以得到无人机最后的航向角60，该航向角60的计算公式为：

β=arctan(Y_h/X_h)   (1)

在本实施方式中，该无人机为无人直升机，也可以为无人固定翼飞机，并优选为无人直升机。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

S1、磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的相对磁通量，滤波处理后进行椭球拟合校正，保存校正参数至第一存储装置；

S2、磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的磁通量的极值，进行椭圆拟合校正，保存校正参数至第二存储装置；

S3、惯性导航模块获取倾斜角数据并结合步骤S1与S2的校正参数，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。

2.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

在无人机的机体外部，使用磁力计获取x、y、z三轴的相对磁通量X、Y、Z；

进行滤波处理后，将相对磁通量X、Y、Z送入极值获取单元，以获取磁力计在x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max、Y_max、Z_max和极小值X_min、Y_min、Z_min；

进行椭球拟合校正，得到校正参数H、K、B，其中

；；

；

保存校正参数H、K、B至电子罗盘的存储装置。

3.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

在无人机的机体内部，使用磁力计获取电子罗盘x、y、z三轴的磁通量的极大值X_max’、Y_max’、Z_max’和极小值X_min’、Y_min’、Z_min’；

进行椭圆拟合校正，得到校正参数H’、K’、B’，其中

；

；

；

保存校正参数H’、K’、B’至飞行控制计算机的存储装置中。

4.根据权利要求2或3中任意一项所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述电子罗盘的存储装置和/或飞行控制计算机的存储装置至少包括flash闪存。

5.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

利用无人机上的惯性导航模块获取无人机飞行时的俯仰角α和滚动角γ；

并结合所述步骤S1中经过椭球拟合校正得到的校正参数H、K、B及所述步骤S2中经过椭圆拟合校正得到的校正参数H’、K’、B’，计算补偿后的水平磁场强度X_h和Y_h。

6.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，在所述步骤S1之前和/或步骤S3之后，还包括至少一次滤波。

7.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述无人机包括无人直升机和/或无人固定翼飞机。

8.根据权利要求1所述的有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法，其特征在于，所述磁力计为三轴数字磁阻式磁力计和/或三轴模拟磁阻式磁力计和/或单轴数字磁阻式磁力计。

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