CN105157690A - 一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四旋翼无人机的磁罗盘校准方法，特别是涉及一种对四旋翼飞行器水平校准和垂直校准的方法。该方法是在采集磁罗盘外置于四旋翼飞行器旋转一周后时Z轴的值Z₁，得到Z轴值后将磁罗盘固定在四旋翼飞行器载体上，并水平旋转一周，采集X轴的最大磁场强度和最小磁场强度、Y？轴的最大磁场强度和最小磁场强度，并据此计算出X轴方向的硬磁校准系数和Y轴方向的硬磁校准系数，获得X轴及Y轴的硬磁校准系数后，将飞行器载体置于水平地面上，得到Z轴的磁场强度Z₂，由校准系数计算公式Z=？Z_{2 －}Z₁，得到Z轴校准系数。本发明有效消除磁罗盘的硬磁误差，提高磁罗盘值检测精度，节省磁罗盘校准时间。

Description

一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机的磁罗盘校准方法，特别是涉及一种对四旋翼飞行器水平校准和垂直校准的方法。

背景技术

无人机的惯性测量单元是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。一般的，一个惯性测量单元包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。惯性测量单元在无人机飞行中有着很重要的应用价值。利用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响很大，在运动/振动等环境中，输出方向角误差较大，此外地磁传感器有缺点，它的绝对参照物是地磁场的磁力线,地磁的特点是使用范围大，由于地球磁场的多变性及近地磁场的不规律性，又小型无人机在超低空空域中飞行，近地磁场对无人机磁罗盘的影响尤为突出，故无人机需安全准确的在不同地域进行飞行时，必要因地场的变化，在新的场地对飞机磁罗盘做重新新的校准。以便惯性测量单元重新记录校准新的地磁曲线。

过去现场校准的简易方法通常为：1、人为校准是最为简单的，现有校准四旋翼无人机上的磁罗盘一般采用椭球拟合法，要花费大量的时间去旋转无人机，只有各个方位都旋转到椭球拟合才准确，并且，椭球拟合法在程序编程中比较复杂，一不小心就会出错，因此误差极大；2、将飞机惯性测量单元拆离校准，因惯性测量单元通常需要安装在无人机重心部位，现场不易拆装。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术不足，提供一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，有效消除磁罗盘的硬磁误差，提高磁罗盘值检测精度，节省磁罗盘校准时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤（1）四旋翼飞行器采用外置磁罗盘，目的是为了使磁罗盘不受软磁干扰，因此只需消除硬磁干扰便可；

将置于水平位置处的辞罗盘旋转一周，分别采集X轴、Y轴、Z轴的磁场强度X₁、Y₁、Z₁；

步骤（2）将磁罗盘固定在四旋翼飞行器载体上，并水平旋转一周，采集X轴的最大磁场强度和最小磁场强度、Y轴的最大磁场强度和最小磁场强度，并据此计算出X轴方向的硬磁校准系数和Y轴方向的硬磁校准系数，其校准系数操作的计算公式如下：

Mag_offset=-(Mag_max+Mag_min)/2；

步骤（3）获得X轴及Y轴的硬磁校准系数后，将飞行器载体置于水平地面上，得到Z轴的磁场强度Z₂；

步骤（4）计算Z轴的校准系数，校准系数计算公式Z=Z_2－Z₁。

优选的，所述的四旋翼飞行器采用外置辞罗盘，将辞罗盘置于飞行器脚架出，便于拆卸，减少软磁干扰。

优选的，所述的校准系数步骤包括：

计算所述X轴的最大磁场强度和最小磁场强度的第一和值；

计算所述Y轴的最大磁场强度和最小磁场强度的第二和值：

计算所述第一和值的1/2，得到X轴的磁场强度补偿值；

计算所述第二和值的1/2，得到Y轴的磁场强度补偿值；

将所述X轴的当前磁场强度信号加上X轴的磁场强度补偿值最为X轴的当前磁场强度值，将所述Y轴的当前磁场强度信号加上Y轴的磁场强度补偿值作为Y轴的当前磁场强度值。

优选的，所述的Z轴校准系数步骤包括：

采集并记录在磁罗盘外置情况下Z轴的磁场强度值Z₁；

采集并记录磁罗盘置于四旋翼飞行器载体上时Z轴的磁场强度值Z₂；

计算Z₁及Z₂的差值，得到的差值即作为Z轴的校准系数。

本发明的有益效果是：

1、该无人机的磁罗盘校准方法操作简单；

2、该无人机的磁罗盘校准方法不需要对无人机的惯性测量单元进行拆装就能对无人机的磁罗盘进行校准；

3、该无人机的磁罗盘校准方法可以实现对无人机的磁罗盘的水平校准和垂直校准。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种无人机的磁

罗盘绳索校准方法不局限于实施例。

附图说明

图1是现有技术中软磁干扰环境下磁罗盘的输出值；

图2为本发明中硬磁干扰环境下磁罗盘的输出值；

图3为本发明无干扰环境下辞罗盘输出值；

图4为本发明校准完成后旋转一周输出值；

图5为本发明校准后与现有技术中辞罗盘校准方法对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，提供一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，有效消除磁罗盘的硬磁误差，提高磁罗盘值检测精度，节省磁罗盘校准时间。

磁罗盘需要校准主要因为受到硬磁干扰和软磁干扰的影响，另外的一些误差有的可以通过人为去尽量减小，有的无法避免，那么主要考虑硬磁干扰和软磁干扰去修正误差。而在四旋翼无人机中，为了让磁罗盘更少的受到软磁干扰，所以一般都是采用外置磁罗盘的方法，因此只需要消除硬磁干扰便可以满足无人机对磁罗盘的精度要求。

从图2与图1的对比可以看出，为了消除磁罗盘的硬磁误差，需要将图2中在平面上的不规则圆修正为图1中圆心在坐标轴原点的正圆。

因此，提出一种简单的修正方案，取得磁罗盘在平面内的值，比较这些值得出一个最大值和一个最小值，而最大值必定为正数，最小值必定为负数，将其相加再取一半作为补偿值，这样修正得到的图是一个接近圆心在坐标原点的正圆。但是在实际应用中，磁罗盘有可能受到周围环境的干扰，引起磁场强度值会发生突变，加上要去的XY轴上的磁场强度值必须要让四旋翼无人机保持绝对水平的状态，计算出来的补偿值才精确。

为此，在校准磁罗盘的同时对四旋翼无人机的姿态进行计算，经过反复试验验证与据对水平相差正负8度的时进行磁场强度采集计算得到的补偿值能够满足精度要求。但是旋转过程中，不采集超出范围内的磁强值的话，得不到正确的最大值或者最小值，故又添加了方向Heading计算，只有完成Heading变化360度，才认为采集结束。

将采集到的磁场强度值，去掉2个最大值，去掉2个最小值，目的是滤掉异常高或异常低的值。再用剩下的最大值加上最小值，除以2得到了磁罗盘的补偿值。竖直方向（机头朝上或者朝下90度）一样。

经过反复试验，可以论证此方法完全可以满足四旋翼无人机上对磁罗盘的精度要求。

Claims (4)

1.一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（1）四旋翼飞行器采用外置磁罗盘，目的是为了使磁罗盘不受软磁干扰，因此只需消除硬磁干扰便可；

将置于水平位置处的辞罗盘旋转一周，分别采集X轴、Y轴、Z轴的磁场强度X₁、Y₁、Z₁；

步骤（2）将磁罗盘固定在四旋翼飞行器载体上，并水平旋转一周，采集X轴的最大磁场强度和最小磁场强度、Y轴的最大磁场强度和最小磁场强度，并据此计算出X轴方向的硬磁校准系数和Y轴方向的硬磁校准系数，其校准系数操作的计算公式如下：

Mag_offset=-(Mag_max+Mag_min)/2；

步骤（3）获得X轴及Y轴的硬磁校准系数后，将飞行器载体置于水平地面上，得到Z轴的磁场强度Z₂；

步骤（4）计算Z轴的校准系数，校准系数计算公式Z=Z_2－Z₁。

2.如权利要求1所述的一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，其特征在于，所述的四旋翼飞行器采用外置辞罗盘，将辞罗盘置于飞行器脚架出，便于拆卸，减少软磁干扰。

3.如权利要求1所述的一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，其特征在于，所述的校准系数步骤包括：

计算所述X轴的最大磁场强度和最小磁场强度的第一和值；

计算所述Y轴的最大磁场强度和最小磁场强度的第二和值：

计算所述第一和值的1/2，得到X轴的磁场强度补偿值；

计算所述第二和值的1/2，得到Y轴的磁场强度补偿值；

将所述X轴的当前磁场强度信号加上X轴的磁场强度补偿值最为X轴的当前磁场强度值，将所述Y轴的当前磁场强度信号加上Y轴的磁场强度补偿值作为Y轴的当前磁场强度值。

4.如权利要求1所述的一种四旋翼飞行器磁罗盘校准方法，其特征在于，所述的Z轴校准系数步骤包括：

采集并记录在磁罗盘外置情况下Z轴的磁场强度值Z₁；

采集并记录磁罗盘置于四旋翼飞行器载体上时Z轴的磁场强度值Z₂；

计算Z₁及Z₂的差值，得到的差值即作为Z轴的校准系数。