CN107917704A

CN107917704A - 一种磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质

Info

Publication number: CN107917704A
Application number: CN201711146255.9A
Authority: CN
Inventors: 张羽; 王露; 尹亮亮; 李少斌
Original assignee: Shanghai Topxgun Robot Co Ltd
Current assignee: Shanghai Topxgun Robot Co Ltd
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2037-11-17
Also published as: CN107917704B

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种磁罗盘校准方法，包括如下步骤：采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在x轴、y轴和z轴上的磁场强度；基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；安装磁罗盘于无人飞行器，并将无人飞行器水平放置，以竖直方向为轴心转动一周，对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准。本发明所提供的磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质，免去了用户校准过程中将无人机竖起的步骤，且不降低校准精度，能够有效修正原始磁场测量值的椭球分布，降低了校磁操作的难度，从而提高了组合导航系统航向解算精度。

Description

一种磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质。

背景技术

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着无人机行业的迅速发展，越来越多的多旋翼无人机被应用到农业、林业、电力、测绘、遥测等行业。

多旋翼无人机的航向角精度和航向角变化均匀性对于航向控制十分重要，电子磁罗盘依靠地磁场定向，因其成本低、动态响应快、启动时间短、体积小、功耗低的优点被广泛应用于无人机上。

受环境因素以及电子磁罗盘自身因素的影响，电子磁罗盘存在较大的航向角误差，因此，需要在使用前对其进行校准，现有校准方法通常由用户将安装有电子磁罗盘的无人机在地面上分别进行水平、竖直旋转，即，先将无人机水平放置，以竖直方向为轴心转动至少一周，再将无人机垂直于水平面放置，以竖直方向为轴心转动至少一周，获得不同位置下的磁场强度测量值，通过对测量值的分析，进行磁罗盘的校准。

但是，上述校准方法，需要将无人机垂直于地面放置，以竖直方向为轴心转动至少一周，针对体积较大的无人机，难以使无人机在转动的过程中始终保持垂直于地面，不便于用户操作，而且人为误差较大，降低了磁罗盘校准的准确性。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质，操作简便，提高了磁罗盘校准的精确度，节省了用户校准时间。

为了达到上述技术效果，本发明第一方面提供了一种磁罗盘校准方法，包括如下步骤：

步骤1、采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在z轴、y轴和z轴上的磁场强度；

步骤2、基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；

步骤3、安装磁罗盘于无人飞行器，并将无人飞行器水平放置，以竖直方向为轴心转动一周，对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准。

进一步地，所述基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准，包括如下步骤：

a、确定校准后的磁场强度与磁罗盘所测得的第一磁场信息数据以及罗差系数之间的关系：

b、利用所述第一磁场信息数据进行椭球拟合并通过最小二乘法获得罗差系数；

c、利用所述罗差系数对磁罗盘进行校准。

进一步地，所述采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据的步骤具体为：

(1)将磁罗盘水平放置并以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

(2)将磁罗盘水平放置并以x轴正向与水平参考平面夹角减小的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[-75°，-90°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

(3)先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[75°,90°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

(4)先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[35°,55°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360度范围内进行采样；

(5)先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[35°,55°]，然后以水平方向为轴心垂直旋转一周，在360°范围内进行采样。

本发明将磁罗盘处于上述五种姿态下进行采点，能够以较少的采点次数获得分布较为均匀的采集点，有利于采集到更多的有效点，使得各采集点尽可能分布在一个椭球体上。

进一步地，所述方法进一步包括：

所述步骤1中在不同姿态下采集多个第一磁场信息数据的过程中对各采集点进行筛选，包括：将满足预设条件的多个采集点作为有效采集点，采用所述有效采集点对应的第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；其中，预设条件为：相邻两采集点之间的距离不小于预设距离。

所述步骤1中获得有效采集点的具体步骤为：

1)将第一个采集点作为有效采集点添加到有效数据集中；

2)获取第二个采集点并判断所述第二个采集点与第一个采集点之间距离是否小于预设距离；如果第二个采集点与第一个采集点之间距离不小于预设距离，则将第二个采集点添加到有效数集；如果第二个采集点与第一个采集点之间距离小于预设距离，则舍弃该第二个采集点；

3)依次获取各采集点，并分别将各采集点与有效数据集中的所有的有效采集点进行比较；

4)如果所获取的采集点与有效数集中的各有效采集点之间的距离均不小于预设距离，则将该采集点添加到有效数集；如果所获取的采集点与有效数集中的任一个或多个有效采集点之间的距离小于预设距离，则舍弃该采集点；

循环步骤3)和4)，直至采点结束。

进一步地，所述步骤3中对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准具体为：

a)采集x轴方向的最大磁场强度和最小磁场强度，采集y轴方向的最大磁场强度和最小磁场强度；

b)基于步骤a)得到磁罗盘的x轴方向偏差值和y轴方向偏差值；计算公式为；M_offest＝(M_max+M_min)/2；

c)计算z轴方向偏差值并基于x轴方向偏差值、y轴方向偏差值以及z轴方向偏差值获得磁罗盘校准后的磁场强度。

进一步地，所述c)具体为：

将x轴方向偏差值补偿到磁罗盘当前所测得的x轴磁场强度，获得校准后的x轴方向磁场强度；

将y轴方向偏差值补偿到磁罗盘当前所测得的y轴磁场强度，获得校准后的y轴方向磁场强度；

将z轴方向偏差值补偿到磁罗盘当前所测得的z轴磁场强度，获得校准后的z轴方向磁场强度；其中，z轴方向偏差值为Q为所在地的地磁场强度，x_c1为校准后的x轴方向磁场强度，y_c1为校准后的y轴方向磁场强度。

本发明第二方面提供了一种磁罗盘校准装置，包括：

采集模块，用于采集磁罗盘在不同姿态下的多个磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在x轴、y轴和z轴上的磁场强度；

初始校准模块，用于基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘的三轴进行校准；

地面校准模块，用于对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准。

本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的磁罗盘校准方法及装置、计算机可读存储介质，免去了用户校准过程中将无人机竖起的步骤，且不降低校准精度，能够有效修正原始磁场测量值的椭球分布，降低了校磁操作的难度，从而提高了组合导航系统航向解算精度。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的一种磁罗盘校准方法的流程图；

图2为本发明实施例2所提供的对磁罗盘进行初始校准方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

无人飞行器上通过安装其上的磁罗盘导航，在无人飞行器飞行前需要对磁罗盘进行校准，磁罗盘具有x轴、y轴和z轴，每个轴上利用磁阻传感器测量磁场强度；现有校准方法通常由用户将安装有电子磁罗盘的无人机在地面上分别进行水平、竖直旋转，即连同无人机使磁罗盘的x轴、y轴在水平面内旋转，再将无人机竖起，使磁罗盘的z轴在水平面内旋转，实现对磁罗盘三轴的精密校准，该校准方法需要将无人机垂直于地面放置，以竖直方向为轴心转动至少一周，针对体积较大的无人机，难以使无人机在转动的过程中始终保持垂直于地面，不便于用户操作，而且人为误差较大，降低了磁罗盘校准的准确性。另外，磁罗盘出厂时，其所处的环境以及安装的载体都会对其产生磁干扰，例如，用于无人机上的磁罗盘通常预先设于GPS或模组内，GPS或模组会对磁罗盘自身造成磁干扰。

为了克服上述缺陷，参阅图1，本实施例中所提供的一种磁罗盘校准方法的流程图，该磁罗盘校准方法，包括如下步骤：

步骤S11、采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在x轴、y轴和z轴上的磁场强度；

步骤S12、基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；

步骤S13、安装磁罗盘于无人飞行器，并将无人飞行器水平放置，以竖直方向为轴心转动一周，对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准。

本实施例中所提供的磁罗盘校准方法，在将磁罗盘安装于无人机载体之前，先对其三轴进行校准，对由三轴上磁阻传感器的非正交安装、零位和灵敏度不同而引起的误差进行了修正；具体地，通过变换磁罗盘的姿态，获得正交的三轴上磁阻传感器在相同磁场下的输出值，从而进行磁阻传感器输出值的归一化。同时，针对磁罗盘所处环境对其造成的硬磁干扰进行校准。

在对磁罗盘进行初始校准后，将其安装于无人机上且远离机身上的铁磁材料，尽可能减小软磁干扰，然后将无人机水平放置，连同无人机以竖直方向为轴心水平旋转一周，使得磁罗盘x轴、y轴在水平面内旋转，实现对无人机载体上硬磁干扰的自动补偿，通过以上步骤完成对磁罗盘的校准，避免将无人机竖起，简化了操作过程，提高了校准精度。

实施例2：

在实施例1的基础上，参阅图2，本实施例提供了一种对磁罗盘进行初始校准的方法，具体包括如下子步骤：

步骤S120、确定校准后的磁场强度与磁罗盘所测得的第一磁场信息数据以及罗差系数之间的关系；

校准后的磁场强度与原始数据第一磁场信息数据以及罗差系数之间的关系，例如用以下公式表示：

其中，σ和C统称为罗差系数，其中，σ为硬磁干扰偏差量，由硬磁材料决定，C为软磁干扰修正矩阵，由软磁材料决定；为磁罗盘所测得的原始数据，即第一磁场信息数据；为校准后的磁场强度，x、y和z分别表示x轴、y轴和z轴。

步骤S121、利用所述第一磁场信息数据进行椭球拟合并通过最小二乘法获得罗差系数；

步骤S122、利用所述罗差系数对磁罗盘进行校准。

在本实施例中，采用椭球拟合模型对磁罗盘的三维磁场进行补偿，并通过最小二乘法解算出椭球参数，即罗差系数σ和C，基于罗差系数对磁罗盘的原始数据进行修正其中，采用最小二乘法解算椭球拟合模型的椭球参数为本技术领域的常规技术手段，此处不做详细阐述。

本实施例中采用椭球拟合模型对磁罗盘的三维磁场进行补偿，为了使得拟合更加精准，需要尽可能采集较多的点，采点的方法具体包括如下子步骤：

步骤S110、将磁罗盘水平放置并以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

步骤S111、将磁罗盘水平放置并以x轴正向与水平参考平面夹角减小的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[-75°，-90°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

步骤S112、先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[75°,90°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360°范围内进行采样；

步骤S113、先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[35°,55°]，然后以竖直方向为轴心水平旋转一周，在360度范围内进行采样；

步骤S114、先将磁罗盘放平，再以y轴正向与水平参考平面夹角增大的趋势向一侧倾倒，保持夹角在区间[35°,55°]，然后以水平方向为轴心垂直旋转一周，在360°范围内进行采样。

为了尽可能拟合成一个标准的球体，需要各采集点均匀分布，从而使得拟合收敛的更快且减少发散概率。因此，本实施例进一步提供了一种筛选数据点的方法，以避免校准计算时采用重合点或者过于接近的点。所筛选出的各采集点对应的第一磁场信息数据作为对磁罗盘的三轴进行校准的原始数据，所述筛选方法具体为：

1)将第一个采集点作为有效采集点添加到有效数据集中；

磁罗盘在上述不同姿态下进行采点的过程中，每采集到的采集点都需要和有效数据集中的所有有效采集点进行比较。

本实施例中两点之间的预设距离可以通过三角分割球面的方法获得：首先假设所有的采集点均分布于标准的球面上，这些采集点将三角分割球面；由于分割球面的三角形个数与顶点数存在线性关系，而分割球面的三角形将完全相同，因此，由定点数能够推导出三角形个数，进而计算出三角形边长，最后得到两点之间的直线距离，具体的公式如下：

其中，

F＝2V-4 (3)

其中，A为球面三角形的内角，F为球面三角形的数量，V为预期采集的有效采集点数量，θ为等边三角形其中一边于所在大圆对应的角度(所述大圆为圆心与球面的球心重合的圆)，若所有采集点皆均匀且合理，那么任意两采集点间的距离为：

为了获得预期数量的采集点，两点间的最小距离定义为：

将判断条件定义为

D∈{|Δl|＞＝l_min} (6)

D代表采集点，R为标准球体的半径，Δl为相邻两点间的距离，任意一采集点满足：相邻采集点的距离不小于两点间的最小距离。此条件能够保证筛选点多于预期。

实施例3：

在上述实施例1和2的基础上，本实施例提供了一种对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准的方法，具体为：

c)计算z轴方向偏差值；基于x轴方向偏差值、y轴方向偏差值以及z轴方向偏差值获得磁罗盘校准后的磁场强度。

进一步地，所述c)具体为：

将x轴方向偏差值补偿磁罗盘当前所测得的x轴磁场强度，获得校准后的x轴方向磁场磁场强度；

将y轴方向偏差值补偿磁罗盘当前所测得的y轴磁场强度，获得校准后的y轴方向磁场磁场强度；

将z轴方向偏差值补偿磁罗盘当前所测得的z轴磁场强度，获得校准后的z轴方向磁场磁场强度；z轴方向偏差值为Q为所在地的地磁场强度。x_c为该步骤(c)中校准后的x轴方向磁场强度，y_c为该步骤(c)中校准后的y轴方向磁场强度。

本实施例中，将安装有磁罗盘的无人机水平旋转一周，进行360°采点，采集40个点，实际控制相邻采集点间隔为4°，比较这些值，获得x轴方向的最大磁场强度和最小磁场强度对应的采集点以及y轴方向的最大磁场强度和最小磁场强度对应的采集点，各轴上的最大磁场强度和最小磁场强度相加，再取一半，作为各轴的磁场强度补偿值，即偏差值；基于x轴和y轴方向偏差值，获得校准后的x轴、y轴方向磁场强度，进而获得z轴方向偏差值，然后基于关系式实现对磁罗盘测量值的补偿，其中为当前所测得的各轴磁场强度，C为初始校准中所获得的校准矩阵，σ₁为本实施例中所获取的各轴方向偏差值。

实施例4：

在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种磁罗盘校准装置，包括：

采集模块，用于采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在x轴、y轴和z轴上的磁场强度；

初始校准模块，用于基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述程序被处理器运行时执行上述任一实施例的磁罗盘校准方法和步骤。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。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可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-OnlyMemory,ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，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的方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁罗盘校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据；其中，所述第一磁场信息数据为各个采集点在x轴、y轴和z轴上的磁场强度；

步骤2、基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准具体为：

c、利用所述罗差系数对磁罗盘进行校准。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集磁罗盘在不同姿态下的多个第一磁场信息数据的步骤具体为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中在不同姿态下采集多个第一磁场信息数据的过程中对各采集点进行筛选，包括：将满足预设条件的多个采集点作为有效采集点，采用所述有效采集点对应的第一磁场信息数据对磁罗盘进行初始校准；其中，预设条件为：相邻两采集点之间的距离不小于预设距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1中获得有效采集点的具体步骤为：

1)将第一个采集点作为有效采集点添加到有效数据集中；

循环步骤3)和4)，直至采点结束。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述步骤3中对安装于无人飞行器上的磁罗盘进行地面水平校准具体为：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述c)具体为：

将z轴方向偏差值补偿到磁罗盘当前所测得的z轴磁场强度，获得校准后的z轴方向磁场强度；其中，z轴方向偏差值为Q为所在地的地磁场强度，x_c为校准后的x轴方向磁场强度，y_c为校准后的y轴方向磁场强度。

8.一种磁罗盘校准装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器运行时执行权利要求1-7中任意一项所述方法的步骤。