CN106017459A - 一种抗磁干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗磁干扰领域，尤其涉及一种抗磁干扰方法。本发明公开设计的一种抗磁干扰方法，通过同时使用了磁场强度变化、磁倾角变化及地理系的磁场分量变化这几个量的变化来判断是否有磁场干扰，能够更为准确的判断是否有磁场干扰；当磁场存在磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，避免了长期单纯使用陀螺仪积分计算航向角，导致航向角发散的问题，在此种情况下，记录利用磁强计数据对航向角进行修正，从而避免了航向角发散，且当有磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，提出的航向角修正过程不仅能够有效的削弱和控制磁场干扰对航向角测量精度的干扰，同时保证了航向角的测量精度。

Description

一种抗磁干扰的方法

技术领域

本发明涉及抗磁干扰领域，尤其涉及一种抗磁干扰的方法。

背景技术

在MEMS姿态测量系统中，仅使用MEMS加速度计和MEMS陀螺仪组成的惯性测量单元，由于陀螺仪的角速度漂移以及缺乏航向角的观测和修正信息，航向角的输出精度无法满足姿态测量系统的长时间精度要求。因此，近几年将磁强计与惯性测量单元集成后组成的MEMS航姿参考系统得到了广泛的研究和应用，特别是应用在微小型无人机中。MEMS航姿参考系统是一种由相互正交的三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴磁强计组成，通过数据融合算法精确测量空间姿态的传感系统。MEMS航姿系统中集成的MEMS磁强计主要是用于修正姿态测量系统的航向角误差，提高航向角测量精度和长期稳定性。

当MEMS航姿系统应用于微小型无人机时，其工作环境主要为低空区域，系统中集成的MEMS磁强计极易受地面局部磁场干扰以及机载电机磁场等的干扰而导致航向角测量不准确。一般的磁强计校准方法包括硬件校准及软件校准方法，如通过最小二乘拟合或最佳椭圆拟合补偿等软件校准方法，都是在地球磁场固定不变或未受干扰时对磁强计进行的校准，当磁强计受到磁场干扰时，常规的校准补偿方法将无法消除干扰引起的航向角测量误差。因此针对磁强计受磁场干扰导致航向角测量不准的问题，需要研究一种用于MEMS磁强计的抗磁场干扰方法，从而削弱或有效控制磁场干扰对MEMS航姿系统的航向角测量精度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗磁干扰的方法，鉴于上述问题，它弥补了上述的缺陷并提供以下优点：

一种抗磁干扰的方法，其中，所述方法包括：

于无磁场干扰环境中对无人飞行器中的MEMS磁强计进行校准；

根据预先设定的磁场变化阈值判断当前环境是否有磁场干扰，并根据预先设定的磁场干扰持续时间阈值判断磁场干扰时间；

若无磁场干扰，则使用所述MEMS磁强计对无人飞行器进行航向角修正，若有磁场干扰，且磁场干扰时间小于所述磁场干扰持续时间阈值，则通过所述无人飞行器内置陀螺仪积分计算得出所述无人飞行器的航向角，若磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，利用机体系航向误差修正角速率与所述陀螺仪输出的差值对所述无人飞行器的航向角进行修正。

上述的方法，其中，所述方法还包括：

记录当前时刻所述MEMS磁强计的输出值、所述陀螺仪的输出值和加速度计的输出值；

根据所述陀螺仪的输出值和所述加速度计的输出值计算出当前时刻所述无人飞行器的姿态转移矩阵。

上述的方法，其中，所述方法还包括：

根据磁强计输出以及当前时刻所述无人飞行器的姿态转移矩阵计算地理系磁场分量，同时根据磁强计输出计算磁场强度、磁倾角。

上述的方法，其中，所述方法还包括：

将当前环境中的所述磁场强度、所述磁倾角和所述地理系磁场分量与所述磁场变化阈值进行对比，根据对比结果判断所述无人飞行器是否受磁场干扰。

上述的方法，其中，所述磁场变化阈值包括磁场强度变化阈值、磁倾角变化阈值和地理系磁场分量变化阈值。

上述的方法，其中，所述方法还包括：

若磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，则通过磁强计与陀螺仪积分得到的航向角的差值确定所述无人飞行器航向角修正幅值；

根据所述航向角修正幅值计算地理系航向误差修正角速率；

以所述地理系航向误差修正角速率和所述姿态转移矩阵的转置为基础计算机体系航向误差修正角速率；

根据所述机体系航向误差修正角速率和所述陀螺仪输出的差值对所述无人飞行器航向角进行修正。

上述的方法，其中，当所述磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，对所述无人飞行器进行航向角修正后，更新航向角修正持续时间，并将更新后的航向角修正持续时间与预先设定的最大航向角修正持续时间对比，若更新后的航向角修正持续时间小于等于最大航向角修正持续时间，则持续对所述无人飞行器的航向角进行修正，若更新后的航向角修正持续时间大于最大航向角修正持续时间，则重新判断当前环境是否有磁场干扰。

综上所述，本发明公开设计的一种抗磁干扰的方法，通过同时使用了磁场强度变化、磁倾角变化及地理系的磁场分量变化这几个量的变化来判断是否有磁场干扰，能够更为准确的判断是否有磁场干扰；当磁场存在磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，避免了长期单纯使用陀螺仪积分计算航向角，导致航向角发散的问题，在此种情况下，记录利用磁强计数据对航向角进行修正，从而避免了航向角发散，且当有磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，提出的航向角修正过程不仅能够有效的削弱和控制磁场干扰对航向角测量精度的干扰，同时保证了航向角的测量精度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明的流程图。

图2是本发明利用磁强计辅助的航向角修正过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

本发明设计一种抗磁干扰的方法，首先是在无磁场干扰的环境中对无人飞行器中的MEMS磁强计进行校准，根据预先设定的磁场变化阈值判断当前环境是否有磁场干扰，并根据预先设定的磁场干扰持续时间阈值判断磁场干扰时间；若无磁场干扰，则使用MEMS磁强计对无人飞行器进行航向角修正，若有磁场干扰，且磁场干扰时间小于磁场干扰持续时间阈值，则通过无人飞行器内置陀螺仪积分计算得出无人飞行器的航向角，若磁场干扰时间大于等于磁场干扰持续时间阈值，利用机体系航向误差修正角速率与陀螺仪输出的差值对所述无人飞行器的航向角进行修正。

具体的是先记录当前时刻的MEMS磁强计的输出值、陀螺仪的输出值和加速度计的输出值，然后根据陀螺仪的输出值和加速度计的输出值计算出当前时刻无人飞行器的姿态转移矩阵。再根据磁传感器输出值及当前时刻姿态转移矩阵计算地理系的磁场分量，计算磁场强度和磁倾角。根据当前环境中的磁场强度、磁倾角及地理系磁场分量的变化与磁场变化阈值进行对比，根据对比结果判断无人飞行器是否受磁场干扰，其中磁场变化阈值包括磁场强度变化阈值、磁倾角变化阈值和地理系磁场分量变化阈值。若磁场干扰时间大于等于磁场干扰持续时间阈值，则确定无人飞行器航向角修正幅值，根据该航向角修正幅值计算导航系航向误差修正角速率，以地理系航向误差修正角速率和姿态转移矩阵的转置矩阵为基础计算机体系航向误差修正角速率，再根据机体系航向误差修正角速率和陀螺仪输出的差值对航向角进行修正。

其中，当磁场干扰时间大于等于磁场干扰持续时间阈值，对无人飞行器进行航向角修正后，更新航向角修正持续时间，并将更新后的航向角修正持续时间与预先设定的最大航向角修正持续时间对比，若更新后的航向角修正持续时间小于等于最大航向角修正持续时间，则持续对无人飞行器的航向角进行修正，若更新后的航向角修正持续时间大于最大航向角修正持续时间，则重新判断当前环境是否有磁场干扰。

实施例一

如图1所示，一种抗磁干扰的具体实施方法：

步骤一、在MEMS航姿系统初始工作阶段，当无磁场干扰时，对MEMS磁强计进行校准，记录校准后的磁场强度B₀，磁倾角δ₀，以及导航系的磁场分量将磁场干扰标志符P_dis置为0。

步骤二、采集某一时刻的MEMS航姿系统的磁强计输出陀螺仪输出和加速度计输出其中上标b代表机体系。

步骤三、由陀螺仪输出和加速度计输出及前一时刻的姿态转移矩阵计算当前时刻姿态转移矩阵其中n代表地理系。

步骤四、根据磁强计输出及当前时刻姿态转移矩阵计算地理系的磁强计输出计算磁场强度B和磁倾角δ。

步骤五、根据预先设定的磁场强度变化阈值ΔB_max，磁倾角变化阈值Δδ_max，以及导航系的磁场分量变化阈值判定当前是否有磁场干扰。若满足式(1)～(5)所示的5个条件之一，则认为此时有磁场干扰，更新磁场干扰时间ΔT，ΔT＝ΔT+T，其中T为MEMS航姿系统数据融合周期，若ΔT<ΔT_max，则磁场干扰标志位P_dis置为1，然后重复步骤2～5；若ΔT≥ΔT_max，则磁场干扰标志位P_dis置为2，同时ΔT重新置为0，其中ΔT_max为设定的磁场干扰持续时间阈值，然后进入步骤七；若判断结果为无磁场干扰，则将磁场干扰标志位P_dis置为0，同时ΔT也要置为0，然后重复步骤二-步骤五。

|B-B₀|>ΔB_max (1)

|δ-δ₀|>Δδ_max (2)

$|m_x^n-m_{x0}^n|>{\mathrm{\&Delta;m}}_{xmax}^n---\left(3\right)$

$|m_y^n-m_{y0}^n|>{\mathrm{\&Delta;m}}_{ymax}^n---\left(4\right)$

$|m_z^n-m_{z0}^n|>{\mathrm{\&Delta;m}}_{zmax}^n---\left(5\right)$

步骤六、根据上述步骤，当磁场干扰标志位P_dis置为0时，无磁场干扰，MEMS航姿系统数据融合中使用磁强计输出修正航向角，修正过程如图2所示；当磁场干扰标志位P_dis置为1时，即有磁场干扰，磁强计数据无法用来修正航向角，因此MEMS航姿系统数据融合中不使用磁强计数据，航向角的计算直接通过陀螺积分得到；当磁场干扰标志位P_dis置为2时，即有磁场干扰同时磁场干扰持续时间较长时，在一段时间内需要引入磁强计数据进行航向角的修正，航向角的修正过程仍然如图2所示，但对于航向角修正的大小和持续时间均需要进行限制。

步骤七、当磁场干扰标志位P_dis置为2时，同时将航向角修正持续时间置为0。

步骤八、当磁场干扰标志位P_dis置为2时，如图2所示，首先确定航向角修正幅值是陀螺仪积分得到的航向角与磁强计计算的航向角的差值，若时，则将代入下一步进行计算，若时，则将置为再代入下一步计算，若则将置为然后代入下一步计算。其中是预先设定好的航向角修正的最大幅值；然后通过计算导航系航向误差修正角速率然后结合姿态矩阵的转置计算机体系航向误差修正角速率最后利用机体系航向误差修正角速率与陀螺仪输出的差值Δω对航向角进行修正估计。当航向角进行修正估计后，更新航向角修正持续时间其中T为MEMS航姿系统数据融合周期，若时，重复步骤八，持续对航向角进行修正，同时更新航向角修正时间，并且磁场干扰标志位P_dis始终置为2，修正过程中不进行磁场判断。若时，则重新开始磁场干扰的判断，即继续步骤二～步骤六，当判断P_dis重新置为2时，重复步骤八。

综上所述，本申请设计的一种抗磁干扰方法，通过同时使用了磁场强度变化、磁倾角变化及地理系的磁场分量变化这几个量的变化来判断是否有磁场干扰，能够更为准确的判断是否有磁场干扰；当磁场存在磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，避免了长期单纯使用陀螺仪积分计算航向角，导致航向角发散的问题，在此种情况下，记录利用磁强计数据对航向角进行修正，从而避免了航向角发散，且当有磁场干扰并且磁场干扰持续时间较长时，提出的航向角修正过程不仅能够有效的削弱和控制磁场干扰对航向角测量精度的干扰，同时保证了航向角的测量精度。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (7)

1.一种抗磁干扰的方法，其特征在于，所述方法包括：

于无磁场干扰环境中对无人飞行器中的MEMS磁强计进行校准；

根据预先设定的磁场变化阈值判断当前环境是否有磁场干扰，并根据预先设定的磁场干扰持续时间阈值判断磁场干扰时间；

若无磁场干扰，则使用所述MEMS磁强计对无人飞行器进行航向角修正，若有磁场干扰，且磁场干扰时间小于所述磁场干扰持续时间阈值，则通过所述无人飞行器内置陀螺仪积分计算得出所述无人飞行器的航向角，若磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，利用机体系航向误差修正角速率与所述陀螺仪输出的差值对所述无人飞行器的航向角进行修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

记录当前时刻所述MEMS磁强计的输出值、所述陀螺仪的输出值和加速度计的输出值；

根据所述陀螺仪的输出值和所述加速度计的输出值计算出当前时刻所述无人飞行器的姿态转移矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据磁强计输出以及当前时刻所述无人飞行器的姿态转移矩阵计算地理系磁场分量，同时根据磁强计输出计算磁场强度、磁倾角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将当前环境中的所述磁场强度、所述磁倾角和所述地理系磁场分量与所述磁场变化阈值进行对比，根据对比结果判断所述无人飞行器是否受磁场干扰。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述磁场变化阈值包括磁场强度变化阈值、磁倾角变化阈值和地理系磁场分量变化阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，则通过磁强计与陀螺仪积分得到的航向角的差值确定所述无人飞行器航向角修正幅值,根据所述航向角修正幅值计算地理系航向误差修正角速率；

以所述地理系航向误差修正角速率和所述姿态转移矩阵的转置为基础计算机体系航向误差修正角速率；

根据所述机体系航向误差修正角速率和所述陀螺仪输出的差值对所述无人飞行器的航向角进行修正。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述磁场干扰时间大于等于所述磁场干扰持续时间阈值，对所述无人飞行器进行航向角修正后，更新航向角修正持续时间，并将更新后的航向角修正持续时间与预先设定的最大航向角修正持续时间对比，若更新后的航向角修正持续时间小于等于最大航向角修正持续时间，则持续对所述无人飞行器的航向角进行修正，若更新后的航向角修正持续时间大于最大航向角修正持续时间，则重新判断当前环境是否有磁场干扰。