CN104897172B - 基于运动捕捉系统的旋转mems惯导磁航向角误差补偿方法 - Google Patents

基于运动捕捉系统的旋转mems惯导磁航向角误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，属于旋转惯导系统的磁航向角误差补偿方法。本方法包括如下步骤：1、对磁传感器进行标定；2、获得运动捕捉系统的参考坐标系相对于导航坐标系的转移矩阵；3、采集多个位置上，系统输出的转动机构位置信息、对应位置上磁传感器输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息；4、计算得到各个位置上由于转动机构造成的磁场强度；5、实际使用中，从原始磁传感器输出值中扣除转动机构造成的磁场强度，计算磁航向。本方法可以标定出转动机构的磁干扰对磁传感器输出的影响，对磁航向角误差进行补偿，为旋转MEMS惯导系统提供磁航向，抑制航向的误差发散。

Description

基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法
技术领域
本发明涉及一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS（微机电系统）惯导磁航向角误差补偿方法，属于一种旋转惯导系统的磁航向角误差补偿方法。
背景技术
惯导系统中陀螺存在误差漂移，长期运行存在累积误差，航向值会出现发散。在导航定位中一般采用磁传感器提供航向(如期刊文章《一种电子磁罗盘航向误差的自适应补偿方法》，仪器仪表学报, 2014年第35卷第11期，页码：2607-2614 )。
旋转调制技术是一种误差抑制技术，通过旋转机构带动惯性器件按照既定方案旋转，使得惯性器件常值偏差沿导航系统投影呈周期振荡形式，在一个旋转周期内积分结果为零，进而抵消惯性器件常值偏差对导航精度的影响来提高导航精度（如专利CN201410143285.4公开的《一种单轴旋转惯导系统惯性器件误差补偿方法》）。
然而，由于转动机构的导磁材料以及转动机构中电机的强磁体的影响，转动机构上磁传感器周围的磁场强度相对于地磁提高了数十倍 (如专利CN201310688044.3公开的《一种双轴旋转光纤惯导系统磁屏蔽装置》)，以上情况影响磁传感器的正常工作。
发明内容
本发明提出了一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS（微机电系统）惯导磁航向角误差补偿方法，解决旋转MEMS（微机电系统）惯导系统中转动机构的磁干扰对磁传感器航向角解算带来的误差影响。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：对磁传感器进行标定；
步骤2：获得运动捕捉系统的参考坐标系相对于导航坐标系的转移矩阵；
步骤3：采集多个位置上，系统输出的转动机构位置信息、对应位置上磁传感器输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息；
步骤4：计算得到各个位置上由于转动机构造成的磁场强度；
步骤5：从原始磁传感器输出值中扣除转动机构造成的磁场强度，计算磁航向。
所述步骤（1）的具体实施步骤如下：使用椭球标定法对磁传感器进行标定，得到误差参数、，其中为误差系数矩阵，为三轴磁传感器的零偏；
使用上述参数对磁传感器输出进行校正：
其中为三轴磁传感器的实际输出，为校正后的三轴磁传感器输出值。
所述步骤（2）的具体实施步骤如下：在磁传感器数据采集系统上安装3个标记点，3个标记点的两两连线构成了一个非等腰直角三角形；
记录系下磁传感器输出值，根据该磁传感器输出值与地磁矢量在系下各轴的分量，建立系相对于系的转移矩阵：
其中，系是指导航坐标系，属于右手坐标系，其、、轴分别指向东向、北向、天向；
系是磁传感器数据采集系统的机体坐标系，属于右手笛卡尔坐标系，、、轴分别指向磁传感器器件敏感轴方向；
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量；
运动捕捉系统获取标记点在系下的位置坐标信息，从而解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，使用欧拉角法得到系相对于系的转移矩阵；其中，系是运动捕捉系统的参考坐标系，属于右手笛卡尔坐标系，、轴平行于安装场地的平面，轴垂直于安装场地的平面向上，且与轴和轴满足右手准则；
通过和获得系相对于系的转移矩阵：
。
所述步骤（3）的具体实施步骤如下：将磁传感器数据采集系统安装在旋转惯导系统的转动机构上，转动机构在0°到360°范围每10°停留一次，一共停留36个位置，每个位置上停留3分钟；
记录上述过程中，系统输出的转动机构位置信息，对应位置上磁传感器输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息；
使用标记点位置坐标信息，解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，进而使用欧拉角法得到磁传感器数据采集系统的系相对于系的转移矩阵；结合对应的转动机构位置信息，建立，其中为转移矩阵与转动机构位置信息的关系；
使用系统输出的转动机构位置信息以及对应位置上磁传感器的输出值，，其中为磁传感器的输出值与转动机构的位置信息的关系；
由两个分量组成：，
其中为地磁矢量在系下各轴的分量,为转动机构造成的磁场强度。
所述步骤（4）的具体实施步骤如下：
计算旋转惯导系统的工作过程中，各个位置上由于转动机构造成的磁场强度；
通过步骤2获取，是已知量；
将上式简化，得到：
，其中为转动机构造成的磁场强度与转动机构的位置信息的关系；
依此，建立了在0°到360°范围内转动机构对磁传感器输出的影响与位置信息的关系。
所述步骤（5）的具体实施步骤如下：
在旋转MEMS惯导工作的过程中，导航系统实时获得当前的转动机构信息，以及磁传感器输出值；
对转动机构造成的磁场进行补偿，补偿后的磁传感器值：
；
使用与地磁矢量在系下各轴的分量建立系相对于系的转移矩阵：
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量，使用欧拉角法得到磁航向值。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，流程简洁，可以标定出转动机构的磁干扰对磁传感器输出的影响，对磁航向角误差进行补偿，为旋转MEMS惯导系统提供磁航向，抑制航向的误差发散。
附图说明
图1表示使用本发明提出的补偿方法进行补偿前后磁航向值角误差值的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
实验中使用亚德诺半导体技术公司的ADIS16405传感器提供磁强度信息，使用美国意法半导体公司的STM32F103芯片构建磁传感器数据采集系统及控制系统，负责采集ADIS16405传感器的数据、控制转动机构转动并记录转动机构位置信息。所用转动机构使用天瑞中海公司的DDM150SP转动机构。整个MEMS旋转惯导系统包括以上各个部分。
实验中使用的运动捕捉系统是北京欧雷新宇动画科技有限公司的Easy Track运动捕捉系统。
步骤1：
使用椭球标定法对磁传感器进行标定，得到误差参数、，其中为误差系数矩阵，为三轴磁传感器的零偏。
，其中为三轴磁传感器的实际输出，为校正后的三轴磁传感器输出值。下文所提到的磁传感器输出均为校正后的磁传感器输出。
步骤2：
本文中使用的坐标系定义如下：
系：导航坐标系，、、轴分别指向东向、北向、天向。
系：磁传感器数据采集系统的机体坐标系，、、轴分别指向磁传感器器件敏感轴方向，呈右手笛卡尔坐标系。
系：运动捕捉系统的参考坐标系，、轴平行于安装场地的平面，轴垂直于安装场地的平面向上，且与轴和轴满足右手准则。
在磁传感器数据采集系统上安装3个标记点，3个标记点的两两连线构成了一个非等腰直角三角形。
记录系下ADIS16405的磁传感器输出值，根据该磁传感器输出值与地磁矢量在系下各轴的分量，建立系相对于系的转移矩阵。
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量。
运动捕捉系统获取标记点在系下的位置坐标信息，从而解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，使用欧拉角法得到系相对于系的转移矩阵。
通过和获得系相对于系的转移矩阵：
步骤3：
将磁传感器数据采集系统安装在旋转惯导系统的转动机构上，转动机构在0°到360°范围每10°停留一次，一共停留36个位置，每个位置上停留3分钟。
记录工作过程中，系统输出的转动机构位置信息，对应位置上磁传感器的输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息。
使用标记点位置坐标信息，解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，进而使用欧拉角法得到磁传感器数据采集系统的系相对于系的转移矩阵。结合对应的转动机构位置信息，建立，其中为转移矩阵与转动机构位置信息的关系。
使用系统输出的转动机构位置信息以及对应位置上磁传感器的输出值，建立，其中为磁传感器的输出值与转动机构的位置信息的关系。
，其中为地磁矢量在系下各轴的分量,为转动机构造成的磁场强度。
步骤4：
计算旋转惯导系统的工作过程中，各个位置上由于转动机构造成的磁场强度。
通过步骤2获取，是已知量。
将上式简化，得到转动机构造成的磁场强度与转动机构的位置信息的关系：
记为:
其中为转动机构造成的磁场强度与转动机构的位置信息的关系，依此，建立了在0°到360°范围内转动机构对磁传感器输出的影响与位置信息的关系。
步骤5：
作为验证，重新摆放MEMS旋转惯导系统的位置。
旋转惯导的控制策略选择为转停形式，在0°，90°，180°，270°四个位置正反转动，转速18°/s，每个位置停留时间为3分钟。旋转MEMS惯导工作的过程中，导航系统实时获得当前的转动机构信息，磁传感器输出值，以及运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息。
对转动机构造成的磁场进行补偿，补偿后的磁传感器值：
使用与地磁矢量在系下各轴的分量建立系相对于系的转移矩阵。
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量。使用欧拉角法得到磁航向值。
作为参考，使用标记点位置坐标信息，解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，进而使用欧拉角法得到磁传感器数据采集系统的系相对于系的转移矩阵，结合步骤二中得到的，计算得到：
使用欧拉角法得到磁航向值的参考值。
作为对比，使用补偿前的计算磁航向值。
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量。使用欧拉角法得到磁航向值。
对比补偿前后磁航向值与参考值之间的差值，如图1所示，其中横坐标为各个位置的序号，纵坐标为磁航向角误差值。可以看出，经过本文提出的方法进行补偿之后，可以较大程度的减小磁航向值的误差，为旋转MEMS惯导系统提供可靠的磁航向值。

Claims (6)

1.一种基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对磁传感器进行标定；
步骤2：获得运动捕捉系统的参考坐标系相对于导航坐标系的转移矩阵；
步骤3：采集多个位置上，系统输出的转动机构位置信息、对应位置上磁传感器输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息；
步骤4：计算得到各个位置上由于转动机构造成的磁场强度；
步骤5：从原始磁传感器输出值中扣除转动机构造成的磁场强度，计算磁航向。
2.根据权利要求1所述的基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，步骤（1）的具体实施步骤如下：使用椭球标定法对磁传感器进行标定，得到误差参数、，其中为误差系数矩阵，为三轴磁传感器的零偏；
使用上述参数对磁传感器输出进行校正：
其中为三轴磁传感器的实际输出，为校正后的三轴磁传感器输出值。
3.根据权利要求1所述的基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，步骤（2）的具体实施步骤如下：在磁传感器数据采集系统上安装3个标记点，3个标记点的两两连线构成了一个非等腰直角三角形；
记录系下磁传感器输出值，根据该磁传感器输出值与地磁矢量在系下各轴的分量，建立系相对于系的转移矩阵：
其中，系是指导航坐标系，属于右手坐标系，其、、轴分别指向东向、北向、天向；
系是磁传感器数据采集系统的机体坐标系，属于右手笛卡尔坐标系，、、轴分别指向磁传感器器件敏感轴方向；
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量；
运动捕捉系统获取标记点在系下的位置坐标信息，从而解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，使用欧拉角法得到系相对于系的转移矩阵；其中，系是运动捕捉系统的参考坐标系，属于右手笛卡尔坐标系，、轴平行于安装场地的平面，轴垂直于安装场地的平面向上，且与轴和轴满足右手准则；
通过和获得系相对于系的转移矩阵：
。
4.根据权利要求3所述的基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，步骤（3）的具体实施步骤如下：将磁传感器数据采集系统安装在旋转惯导系统的转动机构上，转动机构在0°到360°范围每10°停留一次，一共停留36个位置，每个位置上停留3分钟；
记录上述过程中，系统输出的转动机构位置信息，对应位置上磁传感器输出值、运动捕捉系统获取到的标记点位置坐标信息；
使用标记点位置坐标信息，解算磁传感器数据采集系统的姿态信息，进而使用欧拉角法得到磁传感器数据采集系统的系相对于系的转移矩阵；结合对应的转动机构位置信息，建立，其中为转移矩阵与转动机构位置信息的关系；
使用系统输出的转动机构位置信息以及对应位置上磁传感器的输出值， ，其中为磁传感器的输出值与转动机构的位置信息的关系；
由两个分量组成：，
其中为系下磁传感器输出值,为转动机构造成的磁场强度。
5.根据权利要求3所述的基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，步骤（4）的具体实施步骤如下：
计算旋转惯导系统的工作过程中，各个位置上由于转动机构造成的磁场强度；
通过步骤2获取，是已知量；
将上式简化，得到：
，其中为转动机构造成的磁场强度与转动机构的位置信息的关系；
依此，建立了在0°到360°范围内转动机构对磁传感器输出的影响与位置信息的关系。
6.根据权利要求5所述的基于运动捕捉系统的旋转MEMS惯导磁航向角误差补偿方法，其特征在于，步骤（5）的具体实施步骤如下：
在旋转MEMS惯导工作的过程中，导航系统实时获得当前的转动机构信息，以及磁传感器输出值；
对转动机构造成的磁场进行补偿，补偿后的磁传感器值：
；
使用与地磁矢量在系下各轴的分量建立系相对于系的转移矩阵：
其中，、、分别为在系下、、三轴上的分量,、、分别为在系下、、三轴上的分量，使用欧拉角法得到磁航向值。
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