CN106556384B - 一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，包括：寻找地磁方向和地磁倾角，确定地磁平面；控制筒机里的三轴磁力数据采集装置和三维姿态数据采集装置采集三轴磁力数据和三维姿态数据；利用采集的三轴磁力数据进行椭球拟合，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；利用所述的软磁补偿矩阵、硬磁补偿矩阵和三维姿态数据，计算得到方位角。
Description
技术领域
本发明涉及电子罗盘校准领域，具体涉及一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法。
背景技术
现代导航系统中，有很多设备都使用电子罗盘去确定方向信息。比如手机电子罗盘，应用在汽车和轮船等交通工具上的导航系统等。电子罗盘主要利用磁传感器确定方向信息，而影响磁传感器精度的因素有很多，包括磁传感器本身的分辨率、倾斜角度、外界的硬磁和软磁等，而外界的硬磁和软磁对磁传感器精度的影响尤为大。
因此为了校准磁传感器的，使航向角到达好的精度，必须在使用前对它进行硬磁校准。硬磁校准的常规方法是:将电子罗盘旋转一周，采集X轴、Y轴和Z 轴方向上最大磁场强度和最小磁场强度，并依此计算出各方向上的补偿系数。另外还有8字校准和十面校准法，即将电子罗盘按照指定的路线或方向匀速运动一遍，采集各轴向上的磁力数据，再进行椭球拟合。但这些方法的校准精度都不高，严重影响了电子罗盘的精度。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，采用的技术方案如下：
一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，包括以下步骤：
S1:寻找地磁方向和地磁倾角，确定地磁平面；
S2：控制筒形摄像机里的三轴磁力数据采集装置和三维姿态数据采集装置采集三轴磁力数据和三维姿态数据；
S3：利用采集的三轴磁力数据进行椭球拟合，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
S4：利用所述的软磁补偿矩阵、硬磁补偿矩阵和三维姿态数据，计算得到方位角。
电子罗盘是用于指示方向的，其基本原理是利用磁传感器测量地磁场强度。在实际应用中，磁传感器受到软磁和硬磁的干扰，我们要做的就是对这些干扰进行补偿。软硬磁干扰是最常见的干扰因素。在无干扰情况下，磁传感器的数据点会落在一个球心在原点的球面上，而受到软硬磁影响后，X、Y、Z三轴方向会受到不同大小的硬磁干扰，使球心偏离原点，而软磁会让球面变形，不再是球。俯仰角是罗盘的纵向轴与当地水平面之间的夹角，翻滚角是当地水平面与实际飞行姿态之间的夹角，航向角是在当地水平面上与真实北极的顺时针夹角。硬磁干扰对各轴向的偏移影响是恒定不变的，与罗盘指向无关，硬磁干扰可用3*1的Q 向量表示，软磁干扰来源与地球磁场和罗盘附近的任何磁性材料之间的相互作用，与罗盘的方向有关，可用3*3向量P表示。M表示磁传感器测量值，M2表示地磁场强度的真值，则两者关系可以表示为：
M2＝P*(M-Q)；
基于椭球假设，三轴磁力计所测得的磁场值应当符合椭球表达式，如下：
a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5yz+a6xz+a7x+a8y+a9z＝1；
又 因为M2＝P*(M-Q)的轨迹是一个标准球面，得球面表达式：
将球面表达式与椭球表达式做对比，可得到如下关系：
得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵，求解P和Q即可对M进行补偿；
由步骤S3得到的矫正后的三轴磁力数据、加速度及测量的重力分量A，计算出横滚角γ、俯仰角θ以及航向角如下：
在磁偏角数据库中查询当地的地磁偏角则最后的方位角为：
作为优选，所述步骤S1包括：
S11：建立三维坐标系，使所述三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面保持平行；
S12：手持筒形摄像机使筒形摄像机绕三轴磁力数据采集装置的Z轴旋转一周，找到X轴磁力最大时地磁的方向，该方向即是地磁方向；
S13：使X轴指向地磁方向，改变三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面的夹角，当到达某个仰角使得X轴磁力在XOZ面最大时，该仰角即是地磁倾角；此时三轴磁力数据采集装置的XOY面即为地磁平面。
作为优选，本发明还包括，在校准开始之前，将筒形摄像机放置于制具上，所述制具包括底座，所述底座上安装有电机，所述电机用于控制筒形摄像机旋转。
作为优选，所述制具上方安装有夹紧装置，所述夹紧装置用于夹住筒形摄像机，使得筒形摄像机在旋转过程中保持姿势不变。
作为优选，所述夹紧装置为平口钳。
作为优选，所述三轴磁力数据采集装置为三轴磁传感器，所述三维姿态数据采集装置为重力加速度传感器。
作为优选，所述步骤S2包括：
S21：使三轴磁传感器的XOY面与地磁平面平行，X轴方向与地磁倾角一致，此时为起始位置，然后控制电机使筒形摄像机在XOY面上缓慢匀速旋转一周，分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S22：将筒形摄像机在起始位置绕三轴磁传感器X轴逆时针或顺时针旋转45 度，使ZOY面的角平分线垂直地磁面，再次控制电机使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周,分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S23：在步骤S22的基础上，再次控制电机使筒形摄像机绕三轴磁传感器X 轴逆时针或顺时针旋转45度，使Y轴垂直地磁面，然后使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周,分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的校准补偿方法过程简单，校准精度高，可以使筒形摄像机在批量生产后得到快速、方便、高精度的校准。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的制具结构示意图；
图3是本发明实施例中筒形摄像机在地磁平面上第一个姿势的侧视图；
图4是本发明实施例中筒形摄像机在地磁平面上的第二个姿势的侧视图；
图5是本发明实施例中筒形摄像机在地磁平面上的第三个姿势的侧视图；
图6是本发明实施例中对采集的三轴磁力数据的椭球拟合的XOY截面图；
图7是本发明实施例中对采集的三轴磁力数据的椭球拟合的YOZ截面图；
图8是本发明实施例中对采集的三轴磁力数据的椭球拟合的XOZ截面图；
图9是本发明实施例中筒形摄像机校准前后，倾角为0度，横滚角不变时，筒形摄像机旋转一周，计算的方位角与实际方位角的比较；
图10是本发明实施例中筒形摄像机校准前后，筒形摄像机指向30度，横滚角不变时，计算的方位角与实际方位角的比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，包括：
S1：寻找地磁方向和地磁倾角，确定地磁平面；
S2：控制筒形摄像机里的三轴磁力数据采集装置和三维姿态数据采集装置采集三轴磁力数据和三维姿态数据；
S3：利用采集的三轴磁力数据进行椭球拟合，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
S4：利用所述的软磁补偿矩阵、硬磁补偿矩阵和三维姿态数据，计算得到方位角。
作为优选，所述步骤S1包括：
S11：建立三维坐标系，使所述三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面保持平行；
S12：手持筒形摄像机使筒形摄像机绕三轴磁力数据采集装置的Z轴旋转一周，找到X轴磁力最大时地磁的方向，该方向即是地磁方向；
S13：使X轴指向地磁方向，改变三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面的夹角，当到达某个仰角使得X轴磁力在XOZ面最大时，该仰角即是地磁倾角；此时三轴磁力数据采集装置的XOY面即为地磁平面。
作为优选，本发明还包括，在校准开始之前，将筒形摄像机放置于如图2所示的制具上，所述制具包括底座，所述底座上安装有电机，所述电机用于控制筒形摄像机旋转。
作为优选，所述制具上方安装有夹紧装置，所述夹紧装置用于夹住筒形摄像机，使得筒形摄像机在旋转过程中保持姿势不变。
作为优选，所述夹紧装置为平口钳。
作为优选，所述三轴磁力数据采集装置为三轴磁传感器，所述三维姿态数据采集装置为重力加速度传感器。
作为优选，所述步骤S2包括：
S21：如图3所示，使三轴磁传感器的XOY面与地磁平面平行，X轴方向与地磁倾角一致，此时为起始位置，然后控制电机使筒形摄像机在XOY面上缓慢匀速旋转一周，分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S22：如图4所示，将筒形摄像机在起始位置绕三轴磁传感器X轴逆时针或顺时针旋转45度，使ZOY面的角平分线垂直地磁面，再次控制电机使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周,分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S23：如图5所示，在步骤S22的基础上，再次控制电机使筒形摄像机绕三轴磁传感器X轴逆时针或顺时针旋转45度，使Y轴垂直地磁面，然后使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周,分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据。
如图6、图7和图8所示，是本实施例中，对采集的三轴磁力数据进行的椭球拟合的示意图，从图9和图10中可以看出，通过本实施例的校准补偿方法，大大降低了计算值和实际值的偏差。
Claims (7)
1.一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:寻找地磁方向和地磁倾角，确定地磁平面；
S2：控制筒形摄像机里的三轴磁力数据采集装置和三维姿态数据采集装置采集三轴磁力数据和三维姿态数据；
S3：利用采集的三轴磁力数据进行椭球拟合，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；其中，设硬磁干扰为Q向量，软磁干扰为P向量，磁传感器测量值为M，M2表示为地磁场强度的真值，则有：
M2＝P*(M-Q)；
基于椭球假设，三轴磁力计所测得的磁场值符合椭球表达式，如下：
a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5yz+a6xz+a7x+a8y+a9z＝1；
又 因为M2＝P*(M-Q)的轨迹是一个标准球面，得球面表达式：
将球面表达式与椭球表达式做对比，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
S4：利用所述的软磁补偿矩阵、硬磁补偿矩阵和三维姿态数据，计算得到方位角；其中由步骤S3得到的矫正后的三轴磁力数据、加速度及测量的重力分量A，计算出横滚角γ、俯仰角θ以及航向角如下：
在磁偏角数据库中查询当地的地磁偏角则最后的方位角为：
2.根据权利要求1所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：建立三维坐标系，使所述三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面保持平行；
S12：手持筒形摄像机使筒形摄像机绕三轴磁力数据采集装置的Z轴旋转一周，找到X轴磁力最大时地磁的方向，该方向即是地磁方向；
S13：使X轴指向地磁方向，改变三轴磁力数据采集装置的XOY面与地面的夹角，当到达某个仰角使得X轴磁力在XOZ面最大时，该仰角即是地磁倾角；此时三轴磁力数据采集装置的XOY面即为地磁平面。
3.根据权利要求1所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，还包括，在校准开始之前，将筒形摄像机放置于制具上，所述制具包括底座，所述底座上安装有电机，所述电机用于控制筒形摄像机旋转。
4.根据权利要求3所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，所述制具上方安装有夹紧装置，所述夹紧装置用于夹住筒形摄像机，使得筒形摄像机在旋转过程中保持姿势不变。
5.根据权利要求4所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，所述夹紧装置为平口钳。
6.根据权利要求5所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，所述三轴磁力数据采集装置为三轴磁传感器，所述三维姿态数据采集装置为重力加速度传感器。
7.根据权利要求6所述的一种筒形摄像机中的电子罗盘的校准补偿方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21：使三轴磁传感器的XOY面与地磁平面平行，X轴方向与地磁倾角一致，此时为起始位置，然后控制电机使筒形摄像机在XOY面上缓慢匀速旋转一周，分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S22：将筒形摄像机在起始位置绕三轴磁传感器X轴逆时针或顺时针旋转45度，使ZOY面的角平分线垂直地磁面，再次控制电机使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周,分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据；
S23：在步骤S22的基础上，再次控制电机使筒形摄像机绕三轴磁传感器X轴逆时针或顺时针旋转45度，使Y轴垂直地磁面，然后使筒形摄像机在地磁平面上缓慢匀速旋转一周，分别采集转动时的X轴、Y轴和Z轴正方向的磁力数据。
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