CN107003144B - 基于扩展卡尔曼滤波器的自动磁强计校准 - Google Patents
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Abstract
系统和方法可以提供用于获得与陀螺仪(22)相关联的第一传感器数据以及获得与磁强计(10)相关联的第二传感器数据。另外，所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器可以用于对所述磁强计(10)进行校准。在一个示例中，所述磁强计(10)的采样率在获得所述第二传感器数据之前增加并且所述磁强计(10)的所述采样率在校准所述磁强计(10)之后减小。
Description
技术领域
实施例总体上涉及磁强计校准。更具体地，实施例涉及基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的自动磁强计校准。
背景技术
磁强计通常可以用于测量磁场的强度和方向。具体地，小型化磁强计可以用作手持式装置(如，智能电话和平板计算机)中的罗盘。然而，小型化磁强计对于其他磁性对象的敏感度可能对精度具有负面影响。例如，安装在附近印刷电路板(PCB)上的已磁化的铁磁部件可以在手持式装置中的磁强计上产生“硬铁效应”。此外，“软铁效应”可能是由于地球磁场将干扰磁场感应到附近PCB的正常未磁化的铁磁部件上而造成的。硬铁效应和软铁效应都可以引起磁强计的测量以形成三维(3D)空间中的椭圆体而非球体。
尽管常规“椭圆体拟合”解决方案可以试图确定磁强计的优化校准参数以便对从椭圆体表面到球体表面的原始测量点进行重定位，但仍保持相当大的空间用于改进。例如，如果来自磁强计的测量数据集合较小或分布不均，则可能发生“过度拟合”，其进而可以使校准结果恶化。另外，常规椭圆体拟合解决方案可以提示装置用户执行麻烦的、不便的和/或复杂的手势，如，使用手持式装置的“图8”动作。此外，常规椭圆体拟合解决方案可以依赖手动触发，其可以进一步对用户体验具有负面影响。
附图说明
通过阅读以下说明书和所附权利要求书并参考以下附图，实施例的各种优点对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1是根据实施例的磁强计校准环境的示例的展示；
图2和图3是根据实施例的操作校准设备的方法的示例的流程图；
图4是根据实施例的系统的示例的框图；以及
图5是根据实施例的校准结果的示例的展示。
具体实施方式
现在转到图1，示出了其中磁强计10(例如，实现在微电子机械系统/MEMS芯片中)被自动校准的环境。在所展示的示例中，磁强计10安装到印刷电路板(PCB)12，所述印刷电路板还包括一个或多个硬铁效应部件14(例如，扬声器磁体)以及一个或多个软铁效应部件16(例如，电磁干扰/EMI屏蔽物、螺钉、电池触点)。硬铁效应部件14可以是已磁化的铁磁部件，所述已磁化的铁磁部件影响磁强计10的测量精度。软铁效应部件16可以是正常未磁化的铁磁部件，由于由地磁场18在软铁效应部件16上感应的干扰磁场，所述正常未磁化的铁磁部件也影响磁强计10的测量精度。所展示的磁强计10耦合至校准设备20，所述校准设备使用来自磁强计10的传感器数据、来自陀螺仪22的传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器(EKF)来对磁强计10进行校准。
如将更详细讨论的，校准设备20可以提供两种观察的独特技术应用：1)在相同的位置，无论装置的取向如何，环境磁场的大小是恒定的；以及2)经校准的磁强计测量的改变与装置取向的改变相符，所述装置取向可以经由陀螺仪来测量。更具体地，可以基于两种观察实时确定和/或量化硬铁效应和软铁效应二者。因此，所展示的方法使得能够对少且分布不均的测量数据集合进行有效校准，而不需要来自用户的不便的或复杂的手势。实际上，所展示的解决方案可以使得能够自动触发在背景(例如，对于用户是透明的)中运行的校准操作。
图2示出了操作校准设备的方法24。所述方法24通常可以在校准设备(如，已经讨论过的校准设备20(图1))中实现。更具体地，所述方法24可以被实现为逻辑指令集中的一个或多个模块，所述逻辑指令集存储在如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、固件、闪存等的机器或计算机可读存储介质中，在如例如可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)的可配置逻辑中，在使用如例如应用专用集成电路(ASIC)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或晶体管-晶体管逻辑(TTL)技术或其任何组合的电路技术的固定功能硬件逻辑中。所展示的处理框26提供用于获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据，其中，可以在框28处获得与磁强计相关联的第二传感器数据。框30可以使用第一传感器数据、第二传感器数据以及EKF来对磁强计进行校准。
如将更详细讨论的，框30可以包括为EKF确定一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数。更具体地，框30可以使用磁强计测量模型，所述磁强计测量模型被写为：
Bp＝AB+b传感器+ε (1)
其中，
Bp是磁强计传感器测量结果；
A是装置的从地球坐标至主体坐标的旋转矩阵；
B是地球坐标中的磁场。按照定义，其可以是[0，by，bz]，其中，可以根据地球磁场模型从测试位置计算by和bz；
b传感器是磁强计的测量偏差(其可以是常数值)；
ε是磁强计的测量误差(其可以由白噪声模拟)。
软铁效应和硬铁效应：
如已经讨论的，磁强计可以受硬铁效应和软铁效应影响。考虑到这些干扰，测量模型可以被写为：
Bp＝WAB+b+εm (2)
其中，
W＝W非正交W增益W软 (3)
b＝b传感器+bPCB (4)
其中，W是3×3的对称矩阵，所述对称矩阵包括非正交误差矩阵W非正交、增益误差矩阵W增益以及软铁效应矩阵W软；b是3×1的硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括来自传感器的偏差b传感器，以及来自印刷电路板的硬铁效应bPCB。
依照等式(2)，如果W和b是已知的，则经校准的测量结果可以被容易地定义为：
B校准＝AB＝W-1(Bp-b) (5)
观察#1–恒定强度：
如已经指出的，可以在相同位置进行观察，无论装置的取向如何，环境磁场的强度是恒定的。因此，可以将以下等式公式化，
B校准 TB校准＝(Bp-b)T(W-1)TW-1(Bp-b)＝常数 (6)
以上等式可以是通用表达，所述通用表达定义位于具有在b处的中心的椭圆体表面上的向量Bp的轨迹。因此，椭圆体拟合算法可以应用于获得校准参数W和b。
观察#2–陀螺仪对准：
由于常规椭圆体拟合技术可能具有实际限制，因此可以进行另一个观察，经校准的磁强计测量的改变与装置取向的改变相符，所述装置取向可以经由陀螺仪测量。因此，可以将以下等式公式化，
其中，
Ak和Ak+1是在时间k和k+1处的旋转矩阵A；
B校准，k和B校准，k+1是在时间k和k+1处的经校准的磁强计测量结果；
ωx、ωy和ωz是三轴校准的陀螺仪测量结果；以及
dt是时间k与k+1之间的时间间隔。
扩展卡尔曼滤波器(EKF)校准：
依照观察#1和观察#2，卡尔曼滤波器状态可以被定义为：
其中，W11–W23是软铁矩阵W的元素。因此状态转换模型可以被写为：
W＝常数 (11)
b＝常数 (12)
其中，
ωx，k、ωx，k和ωx，k是时间k处的经校准的陀螺仪值；以及
εω是经校准的陀螺仪的测量噪声。
因此观察模型可以被写为：
Bp，k+1＝WB校准，k+1+b+εm (13)
其中，Bp，k+1是时间k+1处的未校准的磁强计测量结果。
依照线性状态转换等式(10)-(12)以及非线性观察函数(13)，EKF等式可以应用于确定经校准的磁强计测量结果、软铁矩阵以及硬铁向量。
测量质量评估：
在理想校准之后，所有经校准的磁强计测量结果都可以位于球体表面上。相应地，磁强计测量结果的强度的标准偏差可以用于进行校准质量分析，
大体上，质量指标可以通过以下等式被传送至角度测量误差：
误差≈asin(质量_指标) (15)
图5示出了来自日常使用场景的校准结果27。在所展示的示例中，在关于装置的典型拿起和放下动作期间(例如，在相对短时间帧内，如例如5s)收集校准数据集29，并且校准数据集29用于确定磁强计的校准参数。所展示的视图中的剩余点表示在图8动作期间(例如，在相对长时间帧内，如例如30s)捕获的测试数据集。特别要注意的是，即使校准数据集29的动作包括最小旋转移动并且仅覆盖校准空间中的较小区域，测试数据集仍与经校准的球体31非常相符。
现在转到图3，示出了校准磁强计的更详细的方法32。所述方法32通常可以在校准设备(如例如已经讨论过的校准设备20(图1))中实现。更具体地，所述方法32可以被实现为逻辑指令集中的一个或多个模块，所述逻辑指令集存储在如RAM、ROM、PROM、固件、闪存等的机器或计算机可读存储介质中，在如例如PLA、FPGA、CPLD的可配置逻辑中，在使用如例如ASIC、CMOS或TTL技术或其任何组合的电路技术的固定功能硬件逻辑中。
所展示的处理框34判定是否已经手动地开始了校准(例如，响应于用户请求)。若否，则可以在框36处读出经校准的磁强计传感器数据流，其中，可以在框38处计算经校准的磁强计传感器的质量指标。框38可以包括使用如例如已经讨论的等式(14)的表达式。可以在框40处判定磁强计的测量品质是否很差(例如，已经下降到特定阈值以下)。若否，则可以在框36处重复读出磁强计传感器数据流。如果磁强计的测量品质很差或者校准已经手动开始，则所展示的框42激活陀螺仪并且增加磁强计的采样率。在这方面，当磁强计未被校准时，将陀螺仪维持在断电状态中可以节省功率和/或延长电池寿命。另外，磁强计可以在正常操作期间或者当判定是否自动触发校准时以相对低的采样率(例如，1Hz)进行操作，并且在校准期间以较高采样率(例如，100Hz)进行操作。这种方法可以进一步节省功率和/或延长电池寿命，同时确保最优精度。
可以在框44处初始化扩展卡尔曼滤波器(EKF)，其中，所展示的框46读取经校准的磁强计传感器数据流。可以在框48处判定装置(例如，手持式装置和/或包含磁强计和陀螺仪的系统)是否已经开始旋转移动。若否，则可以重复框48。一旦检测到旋转，框50就可以在时间k处读取未校准的磁强计传感器数据流(例如，在没有校准参数应用至磁强计的情况下的传感器数据)。52另外，所展示的框52提供用于在时间k处读取陀螺仪传感器数据流。如将更详细讨论的，陀螺仪传感器数据流可以是经校准的或未校准的。可以在框54处进行EKF预测，其中，可以在框56处更新/校正EKF。在未校准的陀螺仪的情况下，框56还可以包括校准陀螺仪的偏移。
考虑陀螺仪偏差的EKF校准：
未校准的陀螺仪可以具有线性状态转换模型，所述线性状态转换模型使得其能够与磁强计一起被自动校准。这种方法可以产生甚至更好的性能。更具体地，状态向量可以选择为：
xk＝[B校准，k W11 W22 W33 W12 W13 W23 b bω] (16)
其中，bω是陀螺仪测量的偏移向量。
相应地，状态转换模型可以被写为：
W＝常数 (18)
b＝常数 (19)
bω＝εb (20)
其中，
bxw，k、byw，k和bzw，k是bω在时间k处的元素；以及
εb是bω的偏移不稳定性噪声。
观察模型可以与等式(13)相同。依照以上模型，EKF可以应用至陀螺仪校准过程。
框58可以利用从框54和框56获得的校准数据/参数来计算质量指标。因此框58可以包括使用如例如已经讨论的等式(14)的表达式。
所展示的框60判定新的校准参数的质量是否足够好或者是否已经发生超时。若否，则可以重复框50。如果新的校准参数的质量足够好或者已经发生超时，则可以在框62处判定是否停止校准。若否，则框64可以从EKF输出经校准的磁强计测量结果(例如，具有相对低的测量噪声)并且返回至框50。如果将停止校准，则所展示的框66读取经校准的磁强计传感器数据流(例如，利用旧的校准参数)并且所展示的框68计算经校准的磁强计的质量指标。另外，可以在框70处读取未校准的磁强计传感器数据流，其中，所展示的框72提供用于应用新的校准参数并且计算质量指标。
如果在框74处确定更好的质量来自新的校准参数，则框76可以更新并存储新计算的校准参数。另外，所展示的框78去激活陀螺仪并且减小磁强计的采样率。如果在框74处确定更好的质量并非来自新的校准参数，则框74可以重复在框44处的EKF的初始化。
图4示出了地磁场测量系统80。所展示的系统80可以是移动装置(如例如，笔记本计算机、平板计算机、可转换平板、智能电话、个人数字助理(PDA)、移动互联网装置(MID)、可穿戴计算机、媒体播放器等或者其组合)的一部分。系统80可以包括磁强计82、陀螺仪84、主处理器86(例如，中央处理单元/CPU)以及集成传感器设备88。系统80还可以包括具有一个或多个硬铁效应部件(如例如，硬铁效应部件14(图1))和/或一个或多个软铁效应部件(如例如，软铁效应部件16(图1))的一个或多个电路板。
通常可以在相对低功率下连续操作的所展示的集成传感器设备88包括：陀螺仪监测器90，所述陀螺仪监测器用于获得与陀螺仪84相关联的第一传感器数据；以及磁强计监测器92，所述磁强计监测器用于获得与磁强计82相关联的第二传感器数据。陀螺仪84可以维持均匀采样率或者使用高精度时间戳以便确保校准精度。所展示的磁强计82将第二传感器数据存储到数据缓冲器93。另外，校准器94(94a-94c)可以使用第一传感器数据、第二传感器数据以及EKF来对磁强计82进行校准。更具体地，所展示的校准器94使用用于执行核校准计算的EKF校准部件94a、用于判定经校准的磁强计测量是否足够好/准确的测量质量评估器94b、以及EKF控制器94c。所展示的校准部件94a将核校准的结果存储至数据缓冲器93以及磁强计存储设备96。如果磁强计测量质量很差，则EKF控制器94c可以启用/激活EKF校准部件94a，如果校准结果是可接受的或者已经发生校准超时，则禁用/去激活EKF校准部件94a，并且如果校准结果比先前的校准参数更糟糕，则重新启动EKF校准部件94a。
磁强计存储设备96可以存储磁强计校准参数，如例如，已经讨论的软铁矩阵W和硬铁向量b。陀螺仪存储器98可以选择性地存储陀螺仪校准参数，如例如，陀螺仪测量偏移。在这方面，当陀螺仪84未校准时，校准器94可以对陀螺仪84的偏移进行校准(如虚线所示)。所展示的设备88还包括磁强计控制器100，所述磁强计控制器用于在获得第二传感器数据之前增加磁强计82的采样率以及在校准磁强计82之后减小磁强计82的采样率。在一个示例中，设备88进一步包括陀螺仪控制器102，所述陀螺仪控制器用于在获得第一传感器数据之前激活陀螺仪84以及在校准磁强计82之后去激活陀螺仪84。另外，运动检测器104可以检测与磁强计82相关联的旋转事件，其中，响应于旋转事件获得第二传感器数据。
附加说明与示例：
示例1可以包括地磁场测量系统，所述地磁场测量系统包括：磁强计；陀螺仪；电路板，所述电路板包括一个或多个硬铁效应部件以及一个或多个软铁效应部件；以及集成传感器设备，所述集成传感器设备包括：陀螺仪监测器，所述陀螺仪监测器用于获得与所述陀螺仪相关联的第一传感器数据；磁强计监测器，所述磁强计监测器用于获得与所述磁强计相关联的第二传感器数据；以及校准器，所述校准器用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来对所述磁强计进行校准。
示例2可以包括如示例1所述的系统，其中，所述集成传感器设备进一步包括磁强计控制器，所述磁强计控制器用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
示例3可以包括如示例1所述的系统，其中，所述集成传感器设备进一步包括陀螺仪控制器，所述陀螺仪控制器用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
示例4可以包括如示例1所述的系统，其中，所述陀螺仪是经校准的陀螺仪。
示例5可以包括如示例1所述的系统，其中，所述陀螺仪是未校准的陀螺仪，并且其中，所述校准器用于对所述陀螺仪的偏移进行校准。
示例6可以包括如示例1至5中任一项所述的系统，其中，所述校准器用于确定所述扩展卡尔曼滤波器的一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数。
示例7可以包括一种校准设备，所述校准设备包括：陀螺仪监测器，所述陀螺仪监测器用于获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据；磁强计监测器，所述磁强计监测器用于获得与磁强计相关联的第二传感器数据；以及校准器，所述校准器用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来对所述磁强计进行校准。
示例8可以包括如示例7所述的设备，进一步包括磁强计控制器，所述磁强计控制器用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
示例9可以包括如示例7所述的设备，进一步包括陀螺仪控制器，所述陀螺仪控制器用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
示例10可以包括如示例7所述的设备，其中，所述第一传感器数据将从经校准的陀螺仪获得。
示例11可以包括如示例7所述的设备，其中，所述第一传感器数据将从未校准的陀螺仪获得，并且其中，所述校准器用于对所述陀螺仪的偏移进行校准。
示例12可以包括如示例7至11中任一项所述的设备，其中，所述校准器用于确定所述扩展卡尔曼滤波器的一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数。
示例13可以包括一种操作校准设备的方法，所述方法包括：获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据；获得与磁强计相关联的第二传感器数据；以及使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来对所述磁强计进行校准。
示例14可以包括如示例13所述的方法，所述方法进一步包括：在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率；以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
示例15可以包括如示例13所述的方法，所述方法进一步包括：在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪；以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
示例16可以包括如示例13所述的方法，其中，所述第一传感器数据是从经校准的陀螺仪获得的。
示例17可以包括如示例13所述的方法，其中，所述第一传感器数据是从未校准的陀螺仪获得的，所述方法进一步包括对所述陀螺仪的偏移进行校准。
示例18可以包括如示例13至17中任一项所述的方法，所述方法进一步包括确定所述扩展卡尔曼滤波器的一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数。
示例19可以包括至少一种计算机可读存储介质，所述至少一种计算机可读存储介质包括指令集，所述指令当被计算装置执行时使所述计算装置：获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据；获得与磁强计相关联的第二传感器数据；以及使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来对所述磁强计进行校准。
示例20可以包括如示例19所述的至少一种计算机可读存储介质，其中，所述指令当被执行时使计算装置：在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率；以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
示例21可以包括如示例19所述的至少一种计算机可读存储介质，其中，所述指令当被执行时使计算装置：在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪；以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
示例22可以包括如示例19所述的至少一种计算机可读存储介质，其中，所述第一传感器数据将从经校准的陀螺仪获得。
示例23可以包括如示例19所述的至少一种计算机可读存储介质，其中，所述第一传感器数据将从未校准的陀螺仪获得，并且其中，所述指令当被执行时使计算装置对所述陀螺仪的偏移进行校准。
示例24可以包括如示例19至23中任一项所述的至少一种计算机可读存储介质，其中，所述指令当被执行时使计算装置确定所述扩展卡尔曼滤波器的一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数。
示例25可以包括一种校准设备，所述校准设备包括：用于获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据的装置；用于获得与磁强计相关联的第二传感器数据的装置；以及用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来对所述磁强计进行校准的装置。
示例26可以包括如示例25所述的设备，所述设备进一步包括：用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率的装置；以及用于在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率的装置。
示例27可以包括如示例25所述的设备，所述设备进一步包括：用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪的装置；以及用于在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪的装置。
示例28可以包括如示例25所述的设备，其中，所述第一传感器数据将从经校准的陀螺仪获得。
示例29可以包括如示例25所述的设备，其中，所述第一传感器数据是从未校准的陀螺仪获得的，所述设备进一步包括用于对所述陀螺仪的偏移进行校准的装置。
示例30可以包括如示例25至29中任一项所述的设备，所述设备进一步包括用于确定所述扩展卡尔曼滤波器的一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数的装置。
因此，技术可以提供利用不充足和不均匀分布的数据而很好地工作的磁强计校准。另外，可以基于小动作(如例如，行走时拿起和/或放下包含磁强计的装置)来进行校准。技术还可以在参数自动更新的背景(例如，不提示用户执行麻烦的、不便的或复杂的手势)中提供磁强计校准。此外，可以快速输出(例如，利用最小旋转)校准结果和参数(例如，硬铁向量、软铁矩阵)。磁强计校准还可以与经校准的陀螺仪与未校准的陀螺仪一起很好地工作。另外，在校准期间，由于EKF计算结果在每个迭代中相同，因此计算结果可以均匀地分布在每个样本中。
实施例适用于所有类型的半导体集成电路(“IC”)芯片。这些IC芯片的示例包括但不限于：处理器、控制器、芯片组部件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储器芯片、网络芯片、片上系统(SoC)、SSD/NAND控制器ASIC等。另外，在一些附图中，利用线条表示信号导体线。一些线条可以是不同的以指示更多组成的信号通路，具有数字标记以指示组成的信号通路的编号和/或在一端或多端具有箭头以指示主要信息流方向。然而，这不应被解释为限制性方式。而是，这种附加的细节可以与一个或多个示例性实施例结合使用以帮助更容易地理解电路。任何表示的信号线，无论是否有附加信息，都实际可以包括可以在多个方向上行进的一个或多个信号，并且可以利用任何适当类型的信号方案来实现，例如利用差分对、光纤线路和/或单端线路实现的数字或模拟线路。
可能已经给出了示例尺寸/模型/值/范围，尽管实施例不限于此。随着制造技术(例如，光刻)随时间推移而成熟，预计可以制造出更小尺寸的器件。另外，为了简化图示和讨论以及为了不使实施例的一些方案不清晰，可以在图内示出或不示出到IC芯片和其他部件的公知的电力/接地连接。此外，安排可以以框图的形式示出，以避免模糊实施例，并且还鉴于以下事实：关于完成这样的框图安排的实现方式的细节高度依赖于在其中实现实施例的平台，即，这样的细节应当完全处在本领域技术人员的视界中。特定细节(例如，电路)被阐述以便描述示例性实施例，对本领域技术人员来说应当显而易见的是：实施例可以在无需这些细节或者采用这些实施例细节的变化的情况下被实践。描述因此被视为是说明性的而非限制性的。
术语“耦合”在本文中可以用于指代所讨论的部件之间的任何类型的直接或间接关系，并且可以应用于电学、机械、流体、光学、电磁、机电或其他连接。另外，术语“第一”、“第二”等在本文中可以仅用于方便讨论，并不含有特别的时间或者顺序含义，除非另外指出。
如在本申请和权利要求书中所使用的，由术语“中的一项或多项”联接的一系列项目可意指所列术语的任何组合。例如，短语“A、B或C中的一项或多项”可意指A、B、C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。
本领域技术人员将从前面的描述中认识到，可以用各种形式来实现实施例的广泛技术。因此，虽然已经结合其特定示例描述了这些实施例，但是实施例的实际范围不应由此受限，因为其他的修改在本领域技术人员学习了附图、说明书和所附权利要求之后就将变得显而易见。
Claims (25)
1.一种地磁场测量系统，包括：
磁强计；
陀螺仪；
电路板，所述电路板包括一个或多个硬铁效应部件以及一个或多个软铁效应部件；以及
集成传感器装置，所述集成传感器装置包括：
陀螺仪监测器，所述陀螺仪监测器用于获得与所述陀螺仪相关联的第一传感器数据，
磁强计监测器，所述磁强计监测器用于获得与所述磁强计相关联的第二传感器数据，以及
校准器，所述校准器用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来校准所述磁强计，其中为所述扩展卡尔曼滤波器确定一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数，
所述扩展卡尔曼滤波器的观察模型如下：
Bp，k+1＝WB校准，k+1+b+εm，
其中，Bp，k+1是时间k+1处的未校准的磁强计测量结果，
W是3×3的对称矩阵，所述对称矩阵包括非正交误差矩阵、增益误差矩阵以及软铁效应矩阵，b是3×1的硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括来自传感器的偏差以及来自所述电路板的硬铁效应，ωx，k、ωy，k和ωz，k是时间k处的经校准的陀螺仪值，并且εω是经校准的陀螺仪的测量噪声。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述集成传感器装置进一步包括磁强计控制器，所述磁强计控制器用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述集成传感器装置进一步包括陀螺仪控制器，所述陀螺仪控制器用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述陀螺仪是经校准的陀螺仪。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述陀螺仪是未校准的陀螺仪，并且其中，所述校准器用于校准所述陀螺仪的偏移。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述软铁校准参数包括软铁效应矩阵，并且所述硬铁校准参数包括硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括用于经校准的测量的硬铁效应。
7.一种校准装置，包括：
陀螺仪监测器，所述陀螺仪监测器用于获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据；
磁强计监测器，所述磁强计监测器用于获得与磁强计相关联的第二传感器数据；以及
校准器，所述校准器用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来校准所述磁强计，其中为所述扩展卡尔曼滤波器确定一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数，
所述扩展卡尔曼滤波器的观察模型如下：
Bp，k+1＝WB校准，k+1+b+εm，
其中，Bp，k+1是时间k+1处的未校准的磁强计测量结果，
W是3×3的对称矩阵，所述对称矩阵包括非正交误差矩阵、增益误差矩阵以及软铁效应矩阵，b是3×1的硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括来自传感器的偏差以及来自电路板的硬铁效应，ωx，k、ωy，k和ωz，k是时间k处的经校准的陀螺仪值，并且εω是经校准的陀螺仪的测量噪声。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括磁强计控制器，所述磁强计控制器用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率以及在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
9.如权利要求7所述的装置，进一步包括陀螺仪控制器，所述陀螺仪控制器用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪以及在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
10.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一传感器数据将从经校准的陀螺仪获得。
11.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一传感器数据将从未校准的陀螺仪获得，并且其中，所述校准器用于校准所述陀螺仪的偏移。
12.如权利要求7所述的装置，其中，所述软铁校准参数包括软铁效应矩阵，并且所述硬铁校准参数包括硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括用于经校准的测量的硬铁效应。
13.一种操作校准装置的方法，包括：
获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据；
获得与磁强计相关联的第二传感器数据；以及
使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来校准所述磁强计，其中为所述扩展卡尔曼滤波器确定一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数，
所述扩展卡尔曼滤波器的观察模型如下：
Bp，k+1＝WB校准，k+1+b+εm，
其中，Bp，k+1是时间k+1处的未校准的磁强计测量结果，
W是3×3的对称矩阵，所述对称矩阵包括非正交误差矩阵、增益误差矩阵以及软铁效应矩阵，b是3×1的硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括来自传感器的偏差以及来自电路板的硬铁效应，ωx，k、ωy，k和ωz，k是时间k处的经校准的陀螺仪值，并且εω是经校准的陀螺仪的测量噪声。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率；以及
在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪；以及
在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一传感器数据是从经校准的陀螺仪获得的。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一传感器数据是从未校准的陀螺仪获得的，所述方法进一步包括校准所述陀螺仪的偏移。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述软铁校准参数包括软铁效应矩阵，并且所述硬铁校准参数包括硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括用于经校准的测量的硬铁效应。
19.一种校准设备，包括：
用于获得与陀螺仪相关联的第一传感器数据的装置；
用于获得与磁强计相关联的第二传感器数据的装置；以及
用于使用所述第一传感器数据、所述第二传感器数据以及扩展卡尔曼滤波器来校准所述磁强计的装置，其中为所述扩展卡尔曼滤波器确定一个或多个软铁校准参数以及一个或多个硬铁校准参数，
所述扩展卡尔曼滤波器的观察模型如下：
Bp，k+1＝WB校准，k+1+b+εm，
其中，Bp，k+1是时间k+1处的未校准的磁强计测量结果，
W是3×3的对称矩阵，所述对称矩阵包括非正交误差矩阵、增益误差矩阵以及软铁效应矩阵，b是3×1的硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括来自传感器的偏差以及来自电路板的硬铁效应，ωx，k、ωy，k和ωz，k是时间k处的经校准的陀螺仪值，并且εω是经校准的陀螺仪的测量噪声。
20.如权利要求19所述的设备，还包括：
用于在获得所述第二传感器数据之前增加所述磁强计的采样率的装置；以及
用于在校准所述磁强计之后减小所述磁强计的所述采样率的装置。
21.如权利要求19所述的设备，还包括：
用于在获得所述第一传感器数据之前激活所述陀螺仪的装置；以及
用于在校准所述磁强计之后去激活所述陀螺仪的装置。
22.如权利要求19所述的设备，其中，所述第一传感器数据将从经校准的陀螺仪获得。
23.如权利要求19所述的设备，其中，所述第一传感器数据将从未校准的陀螺仪获得，并且所述设备还包括用于校准所述陀螺仪的偏移的装置。
24.如权利要求19所述的设备，其中，所述软铁校准参数包括软铁效应矩阵，并且所述硬铁校准参数包括硬铁矩阵，所述硬铁矩阵包括用于经校准的测量的硬铁效应。
25.一种或多种其上存储有指令的计算机可读介质，所述指令当由计算机处理器执行时使所述处理器执行如权利要求13至18中任一项所述的方法。
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