CN107741223A - 磁罗盘校准方法、装置及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁罗盘校准方法、装置及无人机，涉及无人机领域。所述方法应用于无人机，所述方法包括：首先在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据，再在第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，同时第一平面与第二平面互相垂直。在两个彼此垂直的方向进行采集拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差飞，仅需在确定的两个方向上进行数据采集，操作更加的简便，易于准确地执行，使获得的拟合结果更加的精准。

Description

磁罗盘校准方法、装置及无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种磁罗盘校准方法、装置及无人机。

背景技术

磁罗盘是利用地磁场固有的指向性对空间姿态角度进行测试。它可以测量载体三维姿态数据：水平航向、俯仰、横滚。可以广泛地用于需要获取平台(或载体)姿态角度的场合，比如航海、石油钻井、水下平台作业、飞机姿态测量、机器人控制等领域。

但在不同的环境下可以会有一些磁场干扰源，这时需要对无人机的磁罗盘进行校正。一般的校正方法是随意的转动无人机，最好是使磁罗盘在上下左右前后6个方向都采集到数据，然后使用校正算法计算出磁罗盘的误差。但本申请发明人发现，这种校正的方式操作起来不够方便，最终的校准结果也不够精准。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种磁罗盘校准方法，应用于无人机，所述方法包括：控制机身进入第一飞行姿态；在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；控制所述机身进入第二飞行姿态；在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

本发明实施例还提供一种磁罗盘校准装置，应用于无人机，所述装置包括：控制模块，用于控制机身进入第一飞行姿态；采集模块，用于在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；控制模块，还用于控制所述机身进入第二飞行姿态；采集模块，还用于在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；拟合模块，用于根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

本发明实施例还提供一种无人机，所述无人机包括：存储器；处理器；以及磁罗盘校准装置，所述磁罗盘校准装置存储于所述存储器中并包括一个或多个由所述处理器执行的软件功能模组，其包括：控制模块，用于控制机身进入第一飞行姿态；采集模块，用于在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；控制模块，还用于控制所述机身进入第二飞行姿态；采集模块，还用于在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；拟合模块，用于根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

与现有技术相比，本发明提供的一种磁罗盘校准方法，应用于无人机，所述方法包括：首先在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据，再在第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，同时第一平面与第二平面互相垂直。在两个彼此垂直的方向进行采集拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差飞，仅需在确定的两个方向上进行数据采集，操作更加的简便，易于准确地执行，使获得的拟合结果更加的精准。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种无人机的结构示意图。

图2示出了本发明实施例提供的一种磁罗盘校准方法的步骤流程图。

图3为图2中步骤S101的子步骤流程图。

图4为图2中步骤S103的子步骤流程图。

图5示出了本发明实施例提供的一种磁罗盘校准装置的功能模块示意图。

图6示出了图5中控制模块的功能子模块示意图。

图标：100-无人机；111-存储器；112-处理器；113-通信单元；200-磁罗盘校准装置；201-控制模块；2011-第一控制子模块；2012-第二控制子模块；202-采集模块；203-拟合模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明较佳实施例中提供的一种无人机100的方框示意图。所述无人机100包括磁罗盘校准装置200、存储器111、处理器112、通信单元113。

所述存储器111、处理器112以及通信单元113各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述磁罗盘校准装置200包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器111中或固化在无人机100的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器112用于执行所述存储器111中存储的可执行模块，例如所述磁罗盘校准装置200所包括的软件功能模块及计算机程序等。

其中，所述存储器111可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，存储器111用于存储程序以及语音数据，所述处理器112在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述通信单元113用于通过网络与其他需要接入无人机100的终端建立连接并实现数据的收发。

第一实施例

请参考图2，图2为本发明较佳实施例提供的一种磁罗盘校准方法。如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，控制机身进入第一飞行姿态。

在本发明实施例中，所述方法应用于无人机100。上述无人机100包括机身。上述机身包括机头及机尾。上述飞行姿态可以是指无人机100的机身三轴在空中相对于某条参考线或某个参考平面，或某固定的坐标系统间的状态。具体地，可以通过无人机100的俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)及偏航角(yaw)确定无人机100的飞行姿态。以机身的质心为原点建立坐标系，所述坐标系包括X轴、Y轴及Z轴，所述X轴、Y轴彼此垂直且构成面与水平面重合，所述Z轴垂直于水平面。

上述俯仰角可以围绕X轴旋转的角度，即可以是机身与穿过其质心的水平面之间的夹角，当所述机身与水平面重合时，对应的俯仰角为0度；可以根据预先的约定，当机身的机头位于穿过机身质心的水平面之上时，对应的俯仰角为正值，当机身的机头位于穿过机尾的水平面之下时，对应的俯仰角为负值。进一步地，所述俯仰角的范围可以在-90度到90度之间。

上述翻滚角可以是机身是围绕Y轴旋转的角度。可以约定所述机身顺时针旋转时翻滚角为正值，逆时针旋转时翻滚角为负值。翻滚角的范围可以在-180度到180度之间。

上述偏航角可以是机身是围绕Z轴旋转的角度。可以约定向机身右侧转动时偏航角为正值，向机身左侧转动时时偏航角为负值。偏航角的范围可以在-180度到180度之间。

上述约定仅为示例，在其他实施例中也可以按照其他规则约定。

如图3所示，本实施例中的步骤S101可以包括以下子步骤：

子步骤S1011，控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度。

优选地，控制机身的俯仰角为0度。

子步骤S1012，控制所述机身的翻滚角大于-30度且小于30度。

优选地，控制机身的翻滚角为0度。

步骤S102，在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据。

在本实施例中，第一平面可以包括水平面。上述第一方向可以是水平面上的顺时针风向或逆时针风向。

具体地，在所述第一飞行姿态下，控制机身在第一平面上沿预定的第一方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第一磁场数据。

上述对应位置可以是每次机身转动后停留的位置。优选地，所述无人机100可以按照一个较小的角度转动，同时保证每次转动角度都要一样，这样才能保证采集的数据尽量均匀，例如，预设角度可以为3度。建立一个数组用于存放每次转动到对应的对应位置后的第一磁场数据。接上例，设定一个长度为120的数组存放采集到的多个第一磁场数据，数组中每个元素的下标依次是每次转动后与初始位置之间夹角，以便每次采集的第一磁场数据写入对应的元素中。

步骤S103，控制所述机身进入第二飞行姿态。

在本发明实施例中，如图4所示，本实施例中的步骤S101可以包括以下子步骤：

子步骤S1031，控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度。

优选地，控制机身的俯仰角为0度。

子步骤S1032，控制所述机身的翻滚角大于60度且小于90度。

优选地，控制机身的翻滚角为0度。

步骤S104，在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据。

在本实施例中，所述第二平面与所述第一平面垂直。例如，当上述第一平面为水平面时，第二平面可以包括垂直平面。上述第二方向可以是第二平面的顺时针风向或逆时针方向。

具体地，在所述第二飞行姿态下，控制机身在第二平面上沿预定的第二方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第二磁场数据。

上述对应位置可以是每次机身转动后停留的位置。优选地，所述无人机100可以按照一个较小的角度转动，同时保证每次转动角度都要一样，这样才能保证采集的数据尽量均匀，例如，预设角度可以为3度。建立一个数组用于存放每次转动到对应的对应位置后的第二磁场数据。接上例，设定一个长度为120的数组存放采集到的多个第二磁场数据，数组中每个元素的下标依次是每次转动后与初始位置之间夹角，以便每次采集的第二磁场数据写入对应的元素中。

步骤S105，根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机100的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

上述磁罗盘误差用于过滤罗盘坐标空间中的磁场，这类磁场源一般是固定在飞机上的，所以随着罗盘坐标系的转动，磁场方向也跟着转动。但是对于罗盘坐标系来说，却是一个恒定值。具体拟合过程可以包括：根据第一磁场数据及第二磁场数据，利用如下公式：

P＝[a b c d e f g]^T，

及

μ＝V^T×P

结合最小二乘法解出P的解，并获得磁罗盘误差。其中，x_m可以是第一磁场数据中的第一维数据，y_m可以是第一磁场数据中的第二维数据，z_m可以是第一磁场数据中的第三维数据。g_x可以是放缩参数的第一维数据，g_y可以是放缩参数的第二维数据，g_z可以是放缩参数的第三维数据。o_x可以是平移参数的第一维数据，o_y可以是平移参数的第二维数据，o_z可以是平移参数的第三维数据。G为半径参数，且G＝CR，C为常数，R为半径单位。a为第一中间参数，b为第二中间参数，c为第三中间参数，d为第四中间参数，e为第五中间参数，f为第六中间参数，g为第七中间参数。V为根据采集的第一磁场数据或第二磁场数据构建的第一阵列，P为构建的第二阵列。μ可以是磁罗盘误差。

上述C可以根据解出的第二阵列P，利用公式：

获得。其中，a为第二阵列P中的第一中间参数，b为第二阵列P中的第二中间参数，c为第二阵列P中的第三中间参数，d为第二阵列P中的第四中间参数，e为第二阵列P中的第五中间参数，f为第二阵列P中的第六中间参数。R为半径单位，可以预先设置。

上述平移参数可以根据解出的第二阵列P，利用公式：

获得。其中，a为第二阵列P中的第一中间参数，b为第二阵列P中的第二中间参数，c为第二阵列P中的第三中间参数，d为第二阵列P中的第四中间参数，e为第二阵列P中的第五中间参数，f为第二阵列P中的第六中间参数。o_x可以是平移参数的第一维数据，o_y可以是平移参数的第二维数据，o_z可以是平移参数的第三维数据。

上述放缩参数可以根据解出的第二阵列P及常数C，利用公式：

获得。其中，a为第二阵列P中的第一中间参数，b为第二阵列P中的第二中间参数，c为第二阵列P中的第三中间参数，g_x可以是放缩参数的第一维数据，g_y可以是放缩参数的第二维数据，g_z可以是放缩参数的第三维数据。

步骤S106，根据磁罗盘误差对应的放缩参数、平移参数及采集到的当前磁场数据，生成校正后的磁场数据。

具体地，根据对应的放缩参数、平移参数及采集到的当前磁场数据利用公式：

获取校正后的磁场数据。其中，x_m可以是当前磁场数据中的第一维数据，y_m可以是当前磁场数据中的第二维数据，z_m可以是当前磁场数据中的第三维数据，o_x可以是平移参数的第一维数据，o_y可以是平移参数的第二维数据，o_z可以是平移参数的第三维数据，g_x可以是放缩参数的第一维数据，g_y可以是放缩参数的第二维数据，g_z可以是放缩参数的第三维数据，x_c可以是当校正后的磁场数据中的第一维数据，y_c可以是校正后的磁场数据中的第二维数据，z_c可以是校正后的磁场数据中的第三维数据。

第二实施例

请参考图5，图5为本发明较佳实施例提供的一种磁罗盘校准装置200。如图5所示，所述装置包括控制模块201、采集模块202及拟合模块203。

控制模块201，用于控制机身进入第一飞行姿态，及控制机身进入第二飞行姿态。

在本实施例中，步骤S101及步骤S103均可以由控制模块201执行。如图6所示，控制模块201还可以包括以下功能子模块：

第一控制子模块2011，用于控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度。

在本实施例中，步骤S1011可以由第一控制子模块2011执行。

第二控制子模块2012，用于控制所述机身的翻滚角大于-30度且小于30度。

在本实施例中，步骤S1012可以由第二控制子模块2012执行。

第一控制子模块2011，还用于控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度。

在本实施例中，步骤S1031可以由第一控制子模块2011执行。

第二控制子模块2012，还用于控制所述机身的翻滚角大于60度且小于90度。

在本实施例中，步骤S1032可以由第二控制子模块2012执行。

采集模块202，用于在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据，及在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据。

在本实施例中，步骤S102及步骤S104均可以由采集模块202执行。具体地，所述采集模块202执行步骤S102时在所述第一飞行姿态下，控制机身在第一平面上沿预定的第一方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第一磁场数据。所述采集模块202执行步骤S104时在所述第二飞行姿态下，控制机身在第二平面上沿预定的第二方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第二磁场数据。

拟合模块203，用于根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机100的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

综上所述，本发明提供的一种磁罗盘校准方法、装置及无人机。应用于无人机，所述方法包括：首先在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据，再在第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，同时第一平面与第二平面互相垂直。在两个彼此垂直的方向进行采集拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差飞，仅需在确定的两个方向上进行数据采集，操作更加的简便，易于准确地执行，使获得的拟合结果更加的精准。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁罗盘校准方法，其特征在于，应用于无人机，所述方法包括：

控制机身进入第一飞行姿态；

在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；

控制所述机身进入第二飞行姿态；

在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；

根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据的步骤包括：

在所述第一飞行姿态下，控制机身在第一平面上沿预定的第一方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第一磁场数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据的步骤包括：

在所述第二飞行姿态下，控制机身在第二平面上沿预定的第二方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第二磁场数据。

4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述控制机身进入第一飞行姿态的步骤包括：

控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度；

控制所述机身的翻滚角大于-30度且小于30度。

5.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述控制机身进入第二飞行姿态的步骤包括：

控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度；

控制所述机身的翻滚角大于60度且小于90度。

6.一种磁罗盘校准装置，其特征在于，应用于无人机，所述装置包括：

控制模块，用于控制机身进入第一飞行姿态；

采集模块，用于在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；

控制模块，还用于控制所述机身进入第二飞行姿态；

采集模块，还用于在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；

拟合模块，用于根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述采集模块还用于：

在所述第一飞行姿态下，控制机身在第一平面上沿预定的第一方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第一磁场数据。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述采集模块还用于：

在所述第二飞行姿态下，控制机身在第二平面上沿预定的第二方向，按照预定角度转动，直至所述机身回到初始位置，并采集转动过程中每个对应位置上的第二磁场数据。

9.如权利要求6-8任意一项所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：

第一控制子模块，用于控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度；

第二控制子模块，用于控制所述机身的翻滚角大于-30度且小于30度；

第一控制子模块，还用于控制所述机身的俯仰角大于-30度且小于30度；

第二控制子模块，还用于控制所述机身的翻滚角大于60度且小于90度。

10.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括：

存储器；

处理器；以及

磁罗盘校准装置，所述磁罗盘校准装置存储于所述存储器中并包括一个或多个由所述处理器执行的软件功能模组，其包括：

控制模块，用于控制机身进入第一飞行姿态；

采集模块，用于在所述第一飞行姿态下沿第一平面上的第一方向采集多个第一磁场数据；

控制模块，还用于控制所述机身进入第二飞行姿态；

采集模块，还用于在所述第二飞行姿态下沿第二平面上的第二方向采集多个第二磁场数据，所述第二平面与所述第一平面垂直；

拟合模块，用于根据所述第一磁场数据及第二磁场数据，进行椭球拟合，生成用于对所述无人机的磁罗盘进行校准的磁罗盘误差。