CN106468563A - 一种机载磁传感器在线标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器领域，尤其涉及一种机载磁传感器的在线标定方法。本发明的磁传感器在线标定方法通过一种基于加速度计和陀螺仪融合姿态的八卦限采样方法，尽可能真实地反映磁场分布情况，减少陀螺仪漂移、加速度计振动、以及磁传感器干扰对磁传感器拟合结果精度的影响；同时磁传感器的在线标定从开机后就可以自行启动运行，无需用户手动设置，大大简化了无人机使用的复杂程度，这种磁传感器在线标定方式操作便捷提升用户体验。

Description

一种机载磁传感器在线标定方法

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，尤其涉及一种机载磁传感器的在线标定方法。

背景技术

近年来，无人机逐步得到普及，但因成本所限，机载地磁传感器的性能较差，尤其是地磁传感器的零偏启动重复性差和温度稳定性不佳。为保证安全飞行，一般需要在无人机更换电池、断电上电或环境变化后，进行磁标定工作。

目前，无人机机载磁传感器传统离线标定方法需要将整机沿水平方向和垂直方向至少各旋转一周，过程繁琐降低了用户体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种机载磁传感器的在线标定方法，它弥补了上述缺陷，该磁传感器的在线标定从开机后就可以自行启动运行，无需用户手动设置，大大简化了相关设备使用的复杂程度，这种磁传感器在线标定方式操作便捷提升用户体验。具体标定步骤如下：

S1，选择在线标定模式，磁传感器在线标定程序启动；

S2，采用八卦限采样方法进行采样；

S3，对采样结果进行最小二乘法拟合标定；

S4，保存补偿结果。

进一步地，所述的八卦限采样方法具体包括如下步骤：

S21，将空间坐标系划分为八卦限，一个卦限采集N个点作为采样点，用以拟合椭球分布的磁场；

S22，进行采样点数量统计，当某一卦限采样点个数不足N个时，不进行标定；

S23，当某一卦限采样点个数达到N个时，进行数据更新。

更进一步地，所述的将空间坐标系划分为八卦限，具体通过惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值为基准进行划分。

更进一步地，所述的惯性测量元件为加速度计和陀螺仪。

更进一步地，所述的以惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值进行划分具体卦限包括：I卦限(0°<φ<90°,0°<θ<90°)，Ⅱ卦限(-90°<φ<0°,0°<θ<90°)，Ⅲ卦限(-90°<φ<0°,90°<θ<180)，Ⅳ卦限(0°<φ<90°,90°<θ<180)，Ⅴ卦限(-90°<φ<0°,-90°<θ<0°)，Ⅵ卦限(0°<φ<90°,-90°<θ<0°)，Ⅶ卦限(0°<φ<90°,-180°<θ<-90°)，Ⅷ卦限(-90°<φ<0°,-180°<θ<-90°)。

再进一步地，所述的以惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值进行划分具体包括以下步骤：

S211，加速度计通过感应地球重力矢量g在三个测量轴上的投影计算出横滚角和俯仰角作为观测值，陀螺仪通过感应无人机机体的姿态变化角速率在三个测量轴上的分量进行积分；

S212，得到横滚角和俯仰角的模型推算值；

S213，通过滤波对加速度计和陀螺仪的测量结果以及所述的模型推算值进行融合，获得横滚角和俯仰角的估计结果。

进一步地，所述的N的值不小于20。

进一步地，所述的机载磁传感器为无人机机载传感器。

再进一步地，所述的无人机为农业植保无人机。

综上所述，本申请提供一种无人机机载磁传感器在线标定方法，通过一种基于加速度计和陀螺仪融合姿态的八卦限采样方法，尽可能真实地反映磁场分布情况，减少陀螺仪漂移、加速度计振动、以及磁传感器干扰对磁传感器拟合结果精度的影响；同时磁传感器的在线标定从开机后就可以自行启动运行，无需用户手动设置，大大简化了无人机使用的复杂程度，这种磁传感器静默式在线标定方式操作便捷提升用户体验。

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为磁传感器未标定时椭球拟合模型和标定后球形拟合模型。

图2为本发明的空间直角坐标系下空间8个卦限分布图。

图3为本发明中横滚角和俯仰角获取、磁传感器标定的卦限划分和磁标定数据记录的关系图。

图4为本发明的基于八卦限采样的磁传感器在线标定流程图

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。

一般的磁传感器考虑软硬磁影响的线性模型如下：

B_p＝WB_c+V (1)

Bp为未校正的磁传感器测量结果，Bc为校正后的磁感应强度，V为硬磁偏置向量(即真实磁感应强度为零时的磁传感器输出)主要由硬磁干扰导致，W为软磁矩阵，主要反映了磁传感器感受磁场强度时的轴向伸缩和三轴之间的耦合作用。由上式可以推导出：

B_c＝W^-1(B_p-V) (2)

校正后的磁感应强度大小满足如下关系，见(3)式。

(B_c)^TB_c＝B² (3)

(3)式是一个球面方程，矢量Bc的大小均为B(标量，单位：T)，即校正后的磁感应强度矢量Bc分布在空间中半径为B的球面上。

将(2)式带入(3)式可得：

{W^-1(B_p-V)}^T{W^-1(B_p-V)}＝(B_p-V)^T(W^-1)^TW^-1(B_p-V)＝B² (4)

令{W^-1}^TW^-1＝A，将(4)式表示为：

(B_p-V)^TA(B_p-V)＝B² (5)

易证A是一个对称矩阵，因此(5)式表示的是一个椭球方程，物理意义为磁传感器未校正的测量输出矢量Bp分布在一个椭球面上，与校正后的磁感应强度矢量Bc的关系如图1所示。

可以清楚的看出：磁传感器未校正的测量输出矢量Bp分布在椭球面上(右边球体上的黑点)，而校正后的磁感应强度矢量Bc大致呈球状分布(左边球体上的黑点)。磁传感器的标定意义就是通过测量出的Bp计算出软磁矩阵W、硬磁偏置V、磁感应强度大小B等参量，即获得从包含软硬磁干扰的畸变椭球面到去除干扰的标准球面的映射。在采集了若干测量结果Bp后，一般利用最小二乘法进行拟合，具体拟合算法较为成熟，但对于采样点的分布有一定的要求。

传统的磁传感器标定方法需要将整机沿水平方向和垂直方向至少各旋转一周，使得采样点尽可能均匀地分布在整个椭球上，以反映真实的椭球分布减少拟合误差，但是在线标定时不能要求无人机做出类似离线标定的机动动作；另一方面，从图1中左边球体上黑点的分布情况来看，受干扰的磁场强度矢量分布相对于真实球形磁场原点并不对称，很难直接对空间进行划分。因此，在线标定亟需解决的关键问题就是如何选取合适的采样点来尽可能描述磁场分布。

为了满足在线标定需求尽可能获得真实的磁场分布，需要基于畸变椭球磁场中心进行空间划分均匀采样，采用了基于加速度计和陀螺仪的八卦限采样法，空间直角坐标系下八个卦限的示意图如图2所示。

将空间分为八卦限的步骤包括：

S21，将空间坐标系划分为八卦限，一个卦限采集N个点作为采样点，用以拟合椭球分布的磁场；

S22，进行采样点数量统计，当某一卦限采样点个数不足N个时，不进行标定；

S23，当某一卦限采样点个数达到N个时，进行数据更新。

其中N不小于20；一个卦限采集N个点作为采样点，用以拟合椭球分布的磁场。当某一卦限采样点个数不足20时，先不进行标定；当某一卦限采样点个数超过门限阈值时，使用新数据代替原始记录，以保证数据的时效性。

将空间坐标系划分为八卦限，具体通过惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值为基准进行划分。惯性测量元件为加速度计和陀螺仪。具体划分情况如下：I卦限(0°<φ<90°,0°<θ<90°)，Ⅱ卦限(-90°<φ<0°,0°<θ<90°)，Ⅲ卦限(-90°<φ<0°,90°<θ<180)，Ⅳ卦限(0°<φ<90°,90°<θ<180)，Ⅴ卦限(-90°<φ<0°,-90°<θ<0°)，Ⅵ卦限(0°<φ<90°,-90°<θ<0°)，Ⅶ卦限(0°<φ<90°,-180°<θ<-90°)，Ⅷ卦限(-90°<φ<0°,-180°<θ<-90°)。

但是，加速度计和陀螺仪自身的特性决定了这两种传感器单独工作时性能不佳，主要表现在加速度计单次测量噪声大，但从长时间来看测量结果稳定无明显漂移；而陀螺仪因漂移问题不能长时间保持空间上的区分，不过短时间内测量精度较高，可以获得准确的角度信息。综合两者的特性，本申请利用加速度计和陀螺仪的结果融合算出横滚和俯仰角，并据此划分卦限空间。

依据加速度计和陀螺仪计算横滚角和俯仰角的步骤如图3所示，具体如下：

S211，加速度计通过感应地球重力矢量g在三个测量轴上的投影计算出横滚角和俯仰角作为观测值，陀螺仪通过感应无人机机体的姿态变化角速率在三个测量轴上的分量进行积分；

S212，得到横滚角和俯仰角的模型推算值；

S213，通过滤波对加速度计和陀螺仪的测量结果以及所述的模型推算值进行融合，获得横滚角和俯仰角的估计结果。

即具体实现形式类似于姿态参考系统(ARS)，加速度计通过感应地球重力矢量g在三个测量轴上的投影计算出横滚角φ和俯仰角θ作为观测值，陀螺仪则通过感应无人机机体的姿态变化角速率在三个测量轴上的分量进行积分，作为横滚角φ和俯仰角θ的模型推算值，最后通过滤波对测量结果进行融合，获得横滚角φ和俯仰角θ的估计结果。

依据加速度计和陀螺仪融合之后得到的横滚角φ和俯仰角θ进行空间方位的划分，在此基础上采集的磁传感器测量结果将大致均匀地分布在椭球表面，较为真实地反映了受软硬磁干扰的磁场分布状况，再通过最小二乘法拟合后即可以抑制噪声，进而提高测量精度。

将机载磁传感器应用到无人机上时，该机载磁传感器的在线标定流程如图4所示。

具体包括：S1，选择在线标定模式，磁传感器在线标定程序启动；

S2，采用八卦限采样方法进行采样；

S3，对采样结果进行最小二乘法拟合标定；

S4，保存补偿结果。

即无人机起飞后根据用户的选择是否需要运行磁传感器的在线标定模式，磁传感器在线标定过程中无人机可在姿态模式正常飞行，标定结束后可以修正导航参数来提高导航和控制精度。通过八卦限采样方法可以获得均匀分布的磁传感器采样点，如果同一卦限的采样点超过20个，则考虑使用最新的测量结果；当某一卦限的采样值不足20个时，则暂不进行标定。采样完成后，通过最小二乘法拟合在线标定，获得通过测量出的Bp计算出软磁矩阵W、硬磁偏置V、磁感应强度大小B等参量。

该机载传感器可以设置为可拆卸式的结构，并与无人机上的飞行控制器独立设计，该种可拆卸式的磁传感器结构，比较适合应用在农业植保无人机等载荷较大的场合，解决了整机标定复杂繁琐的问题。

综上所述，本申请提供了一种磁传感器在线标定方法及其在无人机中的应用，该种在线标定方法是一种基于加速度计和陀螺仪融合姿态信息的八卦限采样方法，磁传感器的在线标定从开机后就可以自行启动运行，无需用户手动设置，大大简化了无人机使用的复杂程度，这种磁传感器静默式在线标定方式操作便捷，同时提升了用户体验。此外，标定过程中，无人机在手动模式依然可以正常飞行，标定结束后更新磁传感器标定结果，修正导航参数提高无人机的导航和控制精度。

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范围内。

Claims (9)

1.一种机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1，选择在线标定模式，磁传感器在线标定程序启动；

S2，采用八卦限采样方法进行采样；

S3，对采样结果进行最小二乘法拟合标定；

S4，保存补偿结果。

2.根据权利要求1所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的八卦限采样方法具体包括如下步骤：

S21，将空间坐标系划分为八卦限，一个卦限采集N个点作为采样点，用以拟合椭球分布的磁场；

S22，进行采样点数量统计，当某一卦限采样点个数不足N个时，不进行标定；

S23，当某一卦限采样点个数达到N个时，进行数据更新。

3.根据权利要求2所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的将空间坐标系划分为八卦限，具体通过惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值为基准进行划分。

4.根据权利要求3所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的惯性测量元件为加速度计和陀螺仪。

5.根据权利要求3所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的以惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值进行划分具体卦限包括：I卦限(0°<φ<90°,0°<θ<90°)，Ⅱ卦限(-90°<φ<0°,0°<θ<90°)，Ⅲ卦限(-90°<φ<0°,90°<θ<180)，Ⅳ卦限(0°<φ<90°,90°<θ<180)，Ⅴ卦限(-90°<φ<0°,-90°<θ<0°)，Ⅵ卦限(0°<φ<90°,-90°<θ<0°)，Ⅶ卦限(0°<φ<90°,-180°<θ<-90°)，Ⅷ卦限(-90°<φ<0°,-180°<θ<-90°)。

6.根据权利要求3或5中任一项所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的以惯性测量元件提供的横滚角φ和俯仰角θ的角度值进行划分具体包括以下步骤：

S211，加速度计通过感应地球重力矢量g在三个测量轴上的投影计算出横滚角和俯仰角作为观测值，陀螺仪通过感应无人机机体的姿态变化角速率在三个测量轴上的分量进行积分；

S212，得到横滚角和俯仰角的模型推算值；

S213，通过滤波对加速度计和陀螺仪的测量结果以及所述的模型推算值进行融合，获得横滚角和俯仰角的估计结果。

7.根据权利要求2所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的N的值不小于20。

8.根据权利要求1所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的机载磁传感器为无人机机载传感器。

9.根据权利要求8所述的机载磁传感器在线标定方法，其特征在于，所述的无人机具体为农业植保无人机。