CN104913777A - 一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，由地磁传感器获取当前地磁矢量的空间三轴分量后，通过去除载体干扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量做出相应的补偿。本发明提出一种测量航向角的方法，利用由上述误差补偿算法得到的空间各轴的磁补偿值；再由加速度传感器获取的当前载体对应的倾角，以及结合所测出的空间坐标系中的磁分量和加速度传感器测出的俯视和横滚角，求出对应水平坐标系中的X和Y轴的分量、磁航向角；最后得到载体的航向角。本发明避免了地磁传感器应用系统因本体坐标和载体坐标系不完全重合引起的误差，防止了磁干扰源的影响所造成的测量结果失真或完全被噪声湮没，提高了磁信号补偿的有效和准确性。

Description

一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法

技术领域

本发明属于地磁传感器应用装置设计领域，具体涉及一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法。

背景技术

随着地磁理论的不断完善，以及传感器、微处理器和软件算法的日趋成熟，利用磁探测技术测量物体空间方位已经成为地磁导航和测姿研究领域的一个热点。电子磁罗盘，也就是本发明所涉及的地磁传感器应用系统，是利用地磁场来测量方向的最常用的测试系统，也是地磁传感器最常用的应用之一。

本发明的演示平台是一套地磁传感器应用装置，以STM32微处理器为主控制芯片，包含IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块等。由主控系统通过IIC协议访问磁传感器和加速度传感器，控制切换工作模式，以获取补偿值，并经过主控系统处理后在LCD上显示姿势夹角、航向角和方位等信息。

以水平方向的航向角测量为例。

现有技术的运用中，在理想情况下，通过如下分析，将空间分量换算到水平分量中，以获得载体的航向角。

H_X＝S_X×cos(r)-S_X×sin(r)        (1)

H_y＝S_X×cos(b)×sin(r)+S_Y×cos(b)+S₂×sin(b)×cos(r)    (2) 

其中Sx、Sy和Sz分别表示载体在空间坐标系上的X轴、Y轴和Z轴的分量；r和b分别为载体坐标系上的俯视角和横滚角，可由下式获得：

r＝atan((flost)acc.x/(float)acc.z)           (3) 

b＝atan((float)acc.y/(-acc.x×sin(r)+acc.z×cos(r)))     (4)

其中acc.x、acc.y和acc.z分别为载体坐标系X轴、Y轴和Z轴上的加速度分量。

通过以上公式可求出在载体所在当地的磁水平面上的磁分量：H_Y和H_X。如上述分析，进一步可由公式(5)求出磁航向角。

A＝arctan(H_Y/H_X)           (5) 

最后，航向角可通过磁航向角和磁补偿获得。

磁补偿是根据载体所在当地位置为基础，向西减磁偏角或向东加磁偏角，例如上海地区的磁偏角为4度。

然而，由于地磁传感器中始终存在着误差干扰源，而这些“几乎恒定”的磁干扰对地磁传感器的影响很大，若不加以处理，几乎能将地磁传感器测出的信号“淹没”。因此，若仅用上述方法来计算磁航向角和方位，则地磁传感器测出的磁分量几乎不能判别方向。

具体到电子磁罗盘的误差，其主要是来源于软硬铁磁干扰和地磁传感器的自身误差。

硬铁干扰源是指载体上的永久磁铁，以及能够被磁化的金属等硬磁材料。硬磁材料相当于永久磁铁，当其进入外磁场时，硬磁材料会发生磁化，即使去除外界磁场后，仍有很大的剩余磁感应强度，所以这种干扰比较稳定。而软铁本身不具备磁性，被周围环境中的磁场磁化后获得磁性，属于软磁材料。软磁材料对电子磁罗盘需测量的磁场的强度影响比较复杂，所以此类磁性物质产生的干扰相对难以消除，补偿也比较繁琐。

地磁传感器的自身误差是由制造误差和安装误差作为电子磁罗盘系统中传感器误差的主要来源。对于三轴磁阻式传感器来说，制造误差与许多因素相关，如制造工艺和电路设计等。安装误差是指当电子磁罗盘固定于载体时， 因无法保证电子磁罗盘本体坐标和载体坐标系的完全重合而引起的误差。由于电子磁罗盘测量用的模型是以磁罗盘本身作为载体的坐标系和地理坐标系为参照的，坐标系的偏差必然会导致电子磁罗盘的测量误差的存在。

由此可见，通过增加误差补偿算法，可以获得电子磁罗盘精确的航向角和方位，这将是对现有技术的改进和提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是消除地磁传感器测量的干扰源，提高测量准确度。

为解决上述技术问题，提出的解决方案为通过一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，由地磁传感器获取当前地磁矢量的空间三轴分量后，通过去除载体干扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量做出相应的补偿；

可选的，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片，IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块；

可选的，所述补偿算法的具体步骤为：

1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补偿系数；

2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；

3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；

4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿值；

5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值；

优选的，上述步骤3所述极值包含最大值和最小值；

优选的，将步骤3所得读数与步骤2已存入的磁分量中的最大最小值作比较，若当前值超出已有的最大或最小值的范围，则由当前值替换其成 为新的最小值或者最大值；

优选的，步骤4中干扰磁场分量大小为步骤3所得的最大值和最小值的平均值；

优选的，步骤5中软件滤波的方法为在连续读数3次或以上的基础上，去掉读数的大小极值，再求取平均值。

本发明提出一种测量航向角的方法，通过地磁传感器应用系统，由地磁传感器分别获取当前地磁矢量在空间三轴分量，然后得出相应的磁补偿值；利用加速度传感器获取当前载体的姿势，求出对应的倾角；结合所测出的空间坐标系中的磁分量和加速度传感器测出的俯视和横滚角，求出对应水平坐标系中的X和Y轴的分量，由正切的关系求出磁航向角；最后根据当地的磁偏角和磁补偿值，求出航向角，其特征在于，通过去除载体干扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量得出相应的磁补偿值；

可选的，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片，IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块；

可选的，所述对地磁传感器获取在空间三轴分量的补偿算法的具体步骤为：

1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补偿系数；

2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；

3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；

4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿值；

5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值。

地磁传感器应用系统以电子罗盘为代表，在现代技术条件中作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。电子罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比，有能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化，其输出信号通过A/D转换处理可以实现数码显示等优点。

本发明提出地磁传感器应用系统的误差补偿算法在地磁传感器获取了当前地磁矢量在空间坐标系中各个轴分量后，通过去除载体干扰的算法和软件滤波的方式，去除包括磁干扰源、在制造和安装时由于载体的坐标系和地理坐标系偏差而引入的误差源，然后做出相应的相对精确的补偿。同时本发明还提出一种测量航向角的方法。利用上述的误差补偿算法得到准确的磁补偿值，再结合加速度传感器获取当前载体的姿势，求出对应的倾角；结合地磁传感器应用系统中加速度传感器测出的俯视和横滚角求出磁航向角；最后根据当地的磁偏角，求出航向角的也就是当前载体x轴朝向的方位。

本发明提出的误差补偿算法很好的避免了以电子磁罗盘为代表地磁传感器应用系统，由于本体坐标和载体坐标系不能完全重合而引起的误差，防止了由于磁干扰源的影响造成的测量结果失真或完全被噪声湮没。通过本发明的误差补偿算法能够提高磁信号补偿的有效和准确性，以确保由电子磁罗盘为代表地磁传感器应用系统能够获得精确的航向角，和正确的了解载体方位。

本发明的地磁传感器应用系统的误差补偿算法，是通过采用空间坐标系的磁分量换算到水平坐标系上，同时去除载体干扰的算法和软件滤波的方式以便有效地去除地磁传感器系统误差干扰源的影响，从而获得电子罗盘精确的航向角和方位。经过验证，误差补偿算法有助于提高三轴地磁传感器的航向角测试精度。

附图说明

图1是地磁传感器应用系统的误差补偿算法设计流程图。

图2是地磁传感器应用系统水平指向西的测试效果。

图3是地磁传感器应用系统有一定姿势指向西的测试效果。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

以下将结合图1～图3对本发明的应用于地磁传感器应用系统的误差补偿算法作进一步的详细描述。

本发明的地磁传感器应用系统的误差补偿算法，通过去除载体干扰的算法和软件滤波的方式，利用地磁传感器去获取当前地磁矢量在空间坐标系中各个轴分量，然后做相应的补偿；利用加速度传感器获取当前载体的姿势，求出对应的倾角；结合地磁传感器测出的空间坐标系中的磁分量和加速度传感器测出的俯视和横滚角，求出芯片对应水平坐标系中的X和Y轴的分量，然后根据正切的关系求出磁航向角；最后根据当地的磁偏角，求出航向角，也就是当前载体x轴朝向的方位。

现以一具体实施例详细说明本发明的应用于地磁传感器应用系统的误差补偿算法。

本发明是基于一套地磁传感器演示平台，以STM32微处理器为主控制芯片，含IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块等。由主控系统通过IIC协议访问磁传感器和加速度传感器，控制切换工作模式，以获取补偿值，并经过主控系统处理后在LCD上显示姿势夹角、航向角和方位等信息。

参见图1，先初始化应用系统中的IIC和按键等相关硬件，然后使得应用系统进入测试模式。第一步是进入补偿模式，获取补偿信息。地磁传感器芯片进入睡眠模式，切换到Fuse模式，然后分别读取X轴、Y轴和Z轴中的补偿值，回到睡眠模式，通过补偿公式(6)计算出各个轴上磁分量的补偿系数。以X轴为例，如下：

$x\_t=\frac{(F-128)\×0.5}{128}+1---\left(6\right)$

其中，F为芯片出厂时设定的补偿值，可从fuse中读取。

第二步进入正常模式，获取磁分量的补偿值，并存入对应轴的寄存器中。如下：

$x\_u=x\×x\_t=x\×[\frac{(F-128)\×0.5}{128}+1]---\left(7\right)$

其中，x为正常模式下读取的X轴上的磁分量。

第三步反复读取几次，并与已存入寄存器中的最大最小值作比较，如果被补偿后读取的磁分量不在最大值和最小值的范围内，则将当前值更新为最小值或者最大值。

第四步是获取磁分量的第二次补偿值。由于地磁传感器中的干扰磁场在芯片坐标系内是固定的，所以在旋转坐标系时，这些干扰磁场通常是固定的。因此，可通过如下公式获取干扰的磁矢量在芯片坐标轴上分量：

x_g＝(x_max+x_min)/2          (8) 

接着对第二步中测出补偿后的值做第二次补偿，去除载体本身的磁干扰，如下：

x_v＝x_u-x_g       (9)

第五步是增加了软件滤波的方法，即连续取3次以上，去掉最大值和最小值，取平均值。

同理，可获得Y轴和Z轴上磁分量的补偿值，分别为y_v和z_v。

第六步是计算出芯片对应的水平坐标系中的X轴和Y轴的分量，如下：

H_x＝x_v×cos(r)+z_v×sin(r)          (10) 

H_Y＝x_v×sin(r)×sin(b)+y_v×cos(b)-z_v×cos(r)×sin(b)     (11) 

第七步通过加速度传感器获取当前载体的姿势，即求出横滚角b和俯视角r，分别见公式(3)和公式(4)。

第八步是求出水平X轴上分量与水平方向上地磁投影的矢量夹角，如公式(5)所示，同时需根据Hx和Hy的正负值，求出当前水平面上的地磁投影在芯片坐标系中的象限，从而获得磁航向角。

第九步，根据磁航向角和当地的磁偏角，以求出地理航向角。

为了能更好地验证上述算法，本发明通过一套地磁传感器应用系统演示平台来体现其效果。由主控系统通过IIC协议访问磁传感器和加速度传感器，控制切换工作模式，以获取补偿值，并经过主控系统处理后在LCD上显示姿势夹角、航向角和方位等信息。LCD显示屏中分为五个部分。其中：第一部分是中间的刻度盘，是当前载体方向的实时显示界面。上面有8个刻度分别对应着不同的方位，红色指针所指的方向为当前载体的方向。第二部分是刻度盘左下角的数字，表示当前载体实时方向的角度数据。第三部分是刻度盘左下角的英文字母，表示当前载体实时方位。第四部分是刻度盘下方灰色区域的数据，显示的是传感器在测试模式下的数据变量。第五部分是灰色区域右边的蓝色区域，显示了6个变量：磁传感器经第一次补偿(即Fuse内容补偿)后的x轴数据x_c和补偿后的y轴数据y_c,当前加速度传感器测试出的当前载体的横滚角hg和俯视角fs，还有根据载体姿态角计算得到的x轴磁场分量Ex和y轴磁场分量Ey。

本文通过一系列的测试，分别获得了东南西北各方向上的电子磁罗盘系统水平的测试结果和有一定姿势的测试结果，以及小米手机同一姿势的对比结果。

参见图2，其显示的是地磁传感器应用系统朝向西时，且趋于水平(-2.2，-1.5)时，测出的夹角272.03度，与正西方有2.03度的偏差。

参见图3，在测地磁传感器应用系统存在着一定的姿势时，即与图2时的的俯视角和横滚角不同，这里的姿势角度为(0，17.9)，不在水平位置。但是在这种空间姿势下，与正西方有2.63度的偏差。

值得注意的是，我们在测试时无法确保地磁传感器应用系统处于绝对水平的位置，因此显示会有一定的fs和hg角度。同时，由于地磁传感器应用系统上的传感器本身存在一定的误差，当测试平台指向西方时，我们也无法确保测得的数据为正西方，因此有一定偏差，如272.03度(非270度)。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，由地磁传感器获取当前地磁矢量的空间三轴分量后，通过去除载体干扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量做出相应的补偿。

2.如权利要求1所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片，IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块。

3.如权利要求1所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，所述补偿算法的具体步骤为：

1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补偿系数；

2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；

3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；

4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿值；

5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值。

4.如权利要求3所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，步骤3中所述极值包含最大值和最小值。

5.如权利要求3所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，将步骤3所得读数与步骤2已存入的磁分量中的最大最小值作比较，若当前值超出已有的最大或最小值的范围，则由当前值替换其成为新的最小值或者最大值。

6.如权利要求3所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，步骤4中干扰磁场分量大小为步骤3所得的最大值和最小值的平均值。

7.如权利要求3所述的一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法，其特征在于，步骤5中软件滤波的方法为在连续读数3次或以上的基础上，去掉读数的大小极值，再求取平均值。

8.一种测量航向角的方法，通过地磁传感器应用系统，由地磁传感器分别获取当前地磁矢量在空间三轴分量，然后得出相应的磁补偿值；利用加速度传感器获取当前载体的姿势，求出对应的倾角；结合所测出的空间坐标系中的磁分量和加速度传感器测出的俯视和横滚角，求出对应水平坐标系中的X和Y轴的分量，由正切的关系求出磁航向角；最后根据当地的磁偏角和磁补偿值，求出航向角，其特征在于，通过去除载体干扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量得出相应的磁补偿值。

9.如权利要求8所述的一种测量航向角的方法，其特征在于，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片，IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和LCD驱动模块。

10.如权利要求8所述的一种测量航向角的方法，其特征在于，所述对地磁传感器获取在空间三轴分量的补偿算法的具体步骤为：

1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补偿系数；

2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；

3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；

4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿值；

5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值。