CN103557866A - 一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪及算法 - Google Patents
一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪及算法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪及算法,基于MEMS技术,使用三轴地磁传感器和三轴加速度传感器组合模拟一个虚拟陀螺仪,解决了现有陀螺仪功耗大成本高等问题。并实现6轴传感器簇代替9轴传感器簇的惯性导航技术方案。
Description
技术领域
本发明属于MEMS惯性导航领域,具体涉及一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪及算法。
背景技术
现在应用于消费电子领域的陀螺仪的功耗大,成本高。
发明内容
本发明针对上述问题,提供一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪及算法,得到载体的姿态信息和角速度信息。对基于椭球模型假设的软磁硬磁干扰参数进行估计并补偿,利用这些参数对经过低通滤波处理后的传感器数据进行校正,并采用双矢量定姿法计算姿态信息,为了适应外界磁场的变化,采用带有渐消因子的递推最小二乘法对椭球模型参数进行实时估计,使得系统能够自适应地调节以适应环境变化。根据姿态信息,计算得到载体的角速度信息,实现了陀螺的功能,即虚拟陀螺。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是:一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪,包括:6-DOF传感器簇和数据预处理模块;所述6-DOF传感器簇通过输出端连接数据预处理模块。
进一步地,所述6-DOF传感器簇包括三轴地磁传感器和三轴加速度传感器;所述三轴地磁传感器和三轴加速度传感器通过输出端连接6-DOF传感器簇外部。
更进一步地,所述数据预处理模块包括低通滤波模块、模数转换模块、校准模块及均值滤波模块;所述校准模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块;所述均值滤波模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块。
更进一步地,所述基于地磁技术的虚拟陀螺仪包括:电子罗盘算法和虚拟陀螺算法。
更进一步地,所述电子罗盘算法包括以下步骤:
(1)利用校正后的磁传感器数据和加速度传感器数据,根据双矢量定姿原理计算载体实时的姿态信息;
(2)根据姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角。
更进一步地,其中的利用校正后的磁传感器数据和加速度传感器数据,根据双矢量定姿原理计算载体实时的姿态信息包括以下步骤:
分别取他们的叉乘矢量,有:
因此得到:
故姿态矩阵
更进一步地,根据姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角,包括以下步骤:
载体的三个姿态角Y,P,R看做一组欧拉角,经过三次旋转可以将导航坐标系n系转换到载体坐标系b系,得到转移矩阵。三次转动的顺序为:绕z轴转Y角,绕x轴转P角,再绕y轴转R角。三次转动对应的变换矩阵分别为
所以转换矩阵为:
令
更进一步地,所述虚拟陀螺算法包括以下步骤:
根据动力学原理,利用姿态信息计算载体的角速率信息,实现虚拟陀螺的功能。
更进一步地,其中的根据动力学原理,利用姿态信息计算载体的角速率信息,实现虚拟陀螺的功能包括以下步骤:
vb和vn分别为载体的速度在载体坐标系b系和导航坐标系n系的投影。
由于 有
由动力学知识有:
其中,为b系相对于n系的转动角速度。
所以有:
离散化后有
令
ωx=(1/2Δt)(W32-W23)
ωy=(1/2Δt)(W13-W31)
ωz=(1/2Δt)(W21-W12)
计算角速度结束。
本发明的优点是:
1、使用MEMS地磁传感器虚拟陀螺仪,从而为客户提供角速度和姿态信息,并且价格低,功耗低,体积小,集成方便;
2、实现6轴传感器簇代替9轴传感器簇的惯性导航系统。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
在附图中:
图1为本发明的原理框图;
图2为本发明的6轴传感器簇等价于9轴传感器簇原理图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。
参考图1和图2,如图1和图2所示的一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪,包括:6-DOF(Degrees of Freedom)传感器簇和数据预处理模块;所述6-DOF传感器簇通过输出端连接数据预处理模块。
所述6-DOF传感器簇包括三轴地磁传感器和三轴加速度传感器,所述三轴地磁传感器和三轴加速度传感器通过输出端连接6-DOF传感器簇外部。
所述数据预处理模块包括低通滤波模块、模数转换模块、校准模块及均值滤波模块;所述校准模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块;所述均值滤波模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块。
所述数据预处理模块功能:
(1)磁传感器数据经过低通滤波器去噪声,再经过校正模块消除软磁硬磁干扰,将磁数据映射到空间的标准球上;
(2)加速度数据经过低通滤波器去除噪声,滤除高频的震动信息,再经过均值平滑器滤除有害加速度的影响。
所述基于地磁技术的虚拟陀螺仪算法包括:电子罗盘算法和虚拟陀螺算法。
更进一步地,所述电子罗盘算法包括以下步骤:
(1)利用校正后的磁传感器数据和加速度传感器数据,根据双矢量定姿原理计算载体实时的姿态信息;
(2)根据姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角。
其中的利用校正后的磁传感器数据和加速度传感器数据,根据双矢量定姿原理计算载体实时的姿态信息包括以下步骤:
分别取他们的叉乘矢量,有:
因此得到:
故姿态矩阵
其中的姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角,包括以下步骤:
所以转换矩阵为:
所述虚拟陀螺算法包括以下步骤:
根据动力学原理,利用姿态信息计算载体的角速率信息,实现虚拟陀螺的功能。
其中的根据动力学原理,利用姿态信息计算载体的角速率信息,实现虚拟陀螺的功能包括以下步骤:
vb和vn分别为载体的速度在载体坐标系b系和导航坐标系n系的投影。
由于 有
由动力学知识有:
其中,ω为b系相对于n系的转动角速度。
所以有:
离散化后有
由于是正交矩阵,有:
令
ωx=(1/2Δt)(W32-W23)
ωy=(1/2Δt)(W13-W31)
ωz=(1/2Δt)(W21-W12)
计算出角速度结束。
综上所述,三轴MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)地磁传感器和虚拟陀螺仪算法求出了陀螺仪角速率,地磁传感器最终输出航向信息和角速度信息。根据姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角。如图1所示,此方案解决在消费电子产品领域内的惯性导航问题,比如玩具车和玩具飞机姿态导航,手机导航的姿态和航向。
进一步,因为加速度传感器感知线性运动,经过导航算法计算输出横滚和俯仰姿态信息;地磁感知航向,经过导航算法计算输出航向信息;陀螺仪感知角运动,根据上述的虚拟陀螺算法,使用地磁来虚拟陀螺仪,并计算出角速度。因此,如图2所示,加速度传感器和地磁传感器可以在惯性导航系统中实现6轴传感器簇来代替9轴传感器簇的航姿参考系统(AHRS)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,本发明包括但不限于本实例,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪,其特征在于,包括:6-DOF传感器簇和数据预处理模块;所述6-DOF传感器簇通过输出端连接数据预处理模块。
2.根据权利要求1所述的基于地磁技术的虚拟陀螺仪,其特征在于,所述6-DOF传感器簇包括三轴地磁传感器和三轴加速度传感器;所述三轴地磁传感器和三轴加速度传感器通过输出端连接6-DOF传感器簇外部。
3.根据权利要求1所述的基于地磁技术的虚拟陀螺仪,其特征在于,所述数据预处理模块包括低通滤波模块、模数转换模块、校准模块及均值滤波模块;所述校准模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块,用于矫正受硬磁和软磁干扰的磁传感器数据;所述均值滤波模块通过输入端连接低通滤波模块和模数转换模块,用于降低有害干扰加速度。
4.一种基于地磁技术的虚拟陀螺仪算法,其特征在于,包括:电子罗盘算法和虚拟陀螺算法。
5.根据权利要求4所述的基于地磁技术的虚拟陀螺仪算法,其特征在于,所述电子罗盘算法包括以下步骤:
(1)利用校正后的磁传感器数据和加速度传感器数据,根据双矢量定姿原理计算载体实时的姿态信息;
(2)根据姿态角与姿态矩阵的关系计算出航向角、横滚角和俯仰角。
8.根据权利要求4所述的基于地磁技术的虚拟陀螺仪算法,其特征在于,所述虚拟陀螺算法包括以下步骤:
根据动力学原理,利用姿态信息计算载体的角速率信息,实现虚拟陀螺的功能。
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