CN108088431A - 一种自校正电子罗盘及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自校正电子罗盘及其校正方法，涉及惯性导航领域，所述方法包括以下步骤：步骤1：采集磁场数据；步骤2：对采集的磁场数据进行Levenberg‑Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵；步骤3：根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算，本发明还公开了一种自校正电子罗盘，包括数据采集模块和计算模块，所述采集模块用于采集磁场数据，所述计算模块用于对采集的磁场数据进行Levenberg‑Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵，并根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算，本发明基于L‑M优化理论的磁罗盘校正算法对磁力计组的读值直接进行补偿校正，收敛速度快，提高磁场传感器的航向计算精度。

Description

一种自校正电子罗盘及其校正方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种自校正电子罗盘及其校正方法。

背景技术

磁力计是在导航领域常用的传感器。地球磁场随着经纬度、高度的不同而不同。磁力计作为一种常用的磁场测量仪器，通过测量周围磁场在三轴磁力计轴向上的分量来计算磁场强度以及航向角。如图1所示，如果已知地球磁场的水平分量h_x和h_y，以及当地的磁偏角D，那么航向能够用下式表示：

由于地球磁场强度在50-60μT之间，十分微弱，尽管磁力计在磁场干扰较少的环境工作效果良好，但在实际使用中，磁力计很容易受到干扰。因此在使用前有必要对磁力计进行补偿，提高其测量精度。

一般来说，考虑二维的情况下，磁场传感器的X轴Y轴所测到的磁场理论上会分布在以圆点为中心的圆上。实际上，由于其受到其他磁场的影响，圆形变形且偏离原心，造成磁场会形成椭圆形分布，通常将干扰区分为软磁和硬磁干扰。

磁场传感器仅受到地磁场的作用而未受到软、硬磁干扰时，磁场传感器的分量M_x与M_y分布在以坐标原点为圆心、半径为M_h的圆上，如图2(a)所示。

受到硬磁干扰时，由于磁场传感器上硬磁干扰比较稳定的特点，所以在磁场传感器使用过程中硬磁干扰量以及为固定值。M_x与M_y分布在以为圆心，M_h为半径的圆上，如图2(b)所示。

当受到软磁干扰时，磁场传感器测得的数据是地磁场矢量，硬磁干扰和软磁干扰量的矢量和，M_x与M_y分布在以为圆心的椭圆上，如图2(c)所示。

综上，硬磁干扰使得原本以原点为球心的正球变为一个以硬磁干扰量为球心的正球，而软磁干扰使得原本为以硬磁干扰量为球心的正球畸变成一个以硬磁干扰量为球心的椭球。

现有技术CN102589536A，公开日2014年7月18日，公开了一种具有自校正功能的电子罗盘设计，该发明公开了一种具有自校正功能的电子罗盘。其虽然不需要转动电子罗盘来采集磁场信息，但缺乏一整套基于硬件结构的标定的算法。这种电子罗盘的标定速度较快，但是牺牲了标定精度。

中国专利文献号CN104101337A，公开日2014年10月15日，公开了一种用于电子罗盘的校正方法，该发明公开了一种用于一电子罗盘的校正方法，该校正方法包含有利用该多个磁力计分别于不同时间点侦测出多个第一时间点坐标与多个第二时间点坐标。但这种方法仍需要转动电子罗盘以便补偿干扰磁场获得准确的航向信息，且标定的精度不高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种方法将软磁干扰与硬磁干扰剔除掉，以实现快速补偿校正，形成标定简单，磁场传感器的航向计算精度高的电子罗盘，将软磁干扰与硬磁干扰剔除的过程可以等效为拟合椭圆或者椭球的过程。将椭圆或者椭球的参数计算出来的就能够消除干扰，实现数据的校正。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现标定过程简单，补偿校正速度快，航向计算精度高的电子罗盘及其校正方法，将原先繁琐的磁力计标定校准流程通过多磁力计的结构设计进行简化。

为实现上述目的，本发明提供了一种自校正电子罗盘的校正方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采集磁场数据；

步骤2：对采集的磁场数据进行Levenberg-Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵；

所述步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2-1：将磁力计可以建模成其中Q代表一个3*3的矩阵，包含有软磁干扰，尺度因子，三轴不正交度的影响，是校正后的地磁测量量，h是校正之前的地磁测量量，参数ε表示高斯噪声，

b代表硬磁干扰带来的偏移，

步骤2-2：从地磁模型中获取地磁量H_reference，则对于处于无任何干扰环境下的磁力计来说，其应当满足以下等式：

H_reference ²-||h||²＝0 (2)

由(2)可知，优化的目标函数为其中待优化的参数为X＝[k₁₁k₁₂ k₁₃ k₂₂ k₂₃ k₃₃ b_x b_y b_z]^T；

步骤2-3：利用Levenberg-Marquardt优化理论优化其中e＝[e₁ e₂ …… e_N]^T可得：其中，参数e是当地的参考地磁场和磁力计所测得的地磁场之间的偏差，参数X是一个待优化的参数集合。

步骤2-4：X经过所述优化算法若干次迭代后得到的值包含有软磁和硬磁干扰的补偿量，即通过迭代实际上求解得到了(1)中的Q和b，从而实现了对磁力计模块采集到的原始数据的校正与补偿。

步骤3：根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算。

进一步，使用多个磁力计进行数据采集。

进一步，优选所述多个磁力计为6-8个。

进一步，在步骤1和步骤2之间还可以包括步骤：对所述采集数据进行倾角补偿。

进一步在所述步骤3之后还具有步骤：将步骤3计算的数据发送至终端。

本发明还提供了一种自校正电子罗盘，包括数据采集模块和计算模块，其特征在于：

所述数据采集模块用于采集磁场数据，

所述计算模块用于对采集的磁场数据进行Levenberg-Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵，并根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算。

所述计算模块中含有程序，运行所述程序可以执行下述步骤得到所述软硬磁校正矩阵：步骤2-1：将磁力计可以建模成其中Q代表一个3*3的矩阵，包含有软磁干扰，尺度因子，三轴不正交度的影响，是校正后的地磁测量量，h是校正之前的地磁测量量，参数ε表示高斯噪声，

b代表硬磁干扰带来的偏移，

步骤2-2：从地磁模型中获取地磁量H_reference，则对于处于无任何干扰环境下的磁力计来说，其应当满足以下等式：

H_reference ²-||h||²＝0 (2)

由(2)可知，优化的目标函数为其中待优化的参数为X＝[k₁₁k₁₂ k₁₃ k₂₂ k₂₃ k₃₃ b_x b_y b_z]^T；

步骤2-3：利用Levenberg-Marquardt优化理论优化其中e＝[e₁ e₂ …… e_N]^T可得：其中，参数e是当地的参考地磁场和磁力计所测得的地磁场之间的偏差，参数X是一个待优化的参数集合。

步骤2-4：X经过所述优化算法若干次迭代后得到的值包含有软磁和硬磁干扰的补偿量，即通过迭代实际上求解得到了(1)中的Q和b，从而实现了对磁力计模块采集到的原始数据的校正与补偿。

进一步，所述数据采集模块包括磁力计组，所述磁力计组包括多个磁力计。

进一步，优选所述多个磁力计为6-8个。

进一步，所述电子罗盘还包括加速度计，用于对所述采集数据进行倾角补偿。

进一步，所述电子罗盘还包括数据传输模块，其将校正后的数据传输至终端上，进行标定处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过采集圆周上多枚(优选是6-8枚)磁力计的原始数据，模拟出单个磁传感器标定时所需要在水平面上做的旋转操作，从而将标定的过程简化。使用者不再需要认为转动电子罗盘以便补偿干扰磁场获得准确的航向信息。

2)基于优化理论的磁罗盘校正算法对磁力计的读值直接进行补偿校正，其具有收敛速度快，提高磁场传感器的航向计算精度等特点。

3)结合倾角仪(或者加速度计)本发明实现全姿态下的磁力计读数补偿校正。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中在地球磁场下磁力计计算磁场强度以及航向角的示意图；

图2a是磁力计仅受到地磁场的作用时的磁场矢量；

图2b是磁力计受到硬磁干扰时的磁场矢量；

图2c是磁力计受到软磁干扰时的磁场矢量；

图3为多磁力计电子罗盘结构设计简图；

图4为电子罗盘磁场数据校正方法流程图；

图5为在两维空间中有干扰磁场时电子罗盘随角度变化示意图；

图6为在两维空间中有干扰磁场但经过矫正的电子罗盘随角度变化示意图；

图7为在三维空间中有干扰磁场时电子罗盘随角度变化示意图；

图8为在三维空间中有干扰磁场但经过矫正的电子罗盘随角度变化示意图；

图9为本发明的实施示意原理简图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

基于多磁力计的电子罗盘主要包括根据功能分的以下模块：供电模块，数据采集模块，计算模块和数据传输模块，如图9所示。

供电模块采用5V恒压芯片，使得可以通过手机USB充电器，笔记本USB端口对采集系统供电。

数据采集模块使用磁力计组，磁力计可以是三轴MEMS磁力计，优选采用霍尼韦尔HMC5883，或者HMC5983。磁力计组按圆形均匀分布，一般以6至8个为宜，即每隔45度或者60度放置磁力计。每个磁力计通过IIC(即集成电路总线)或SPI(即串行外设接口)的方式与计算模块进行通信。

计算模块包括中央处理器，其将采集到的磁力计的数据进行校正计算，并通过数据传输模块通过发送给终端显示。所述中央处理器可以是STM32F4等微控制器。

同时整个多磁力计电子罗盘被设计在一块印刷电路板上以提高系统的稳定性。

进一步，为了防止电路板在采集数据时倾斜导致的误差，在数据采集模块的电路板上增加了一块加速度计用以计算倾角，对倾斜所造成的误差进行补偿。这里的加速度计可以是2轴MEMS加速度计，其可以与计算模块中的中央处理器通过SPI(即串行外设接口)的方式通信连接。

数据传输模块采用蓝牙或WiFi或其他的无线通信的方式，将计算完成后的数据传输至笔记本中的上位机或者手机APP应用中，进行标定处理。由于采用的是蓝牙或WiFi数据传输方式，操作十分方便简单，省去了连接线长度有限的困扰。

另外，数据采集模块，还可以包括外围电路，以及磁力计组。磁力计组与外围电路焊接在所述印刷电路板上。按圆形均匀分布放置磁力计及与所述磁力计连接的外围电路，如图3所示。所述外围电路与对应的磁力计电连接，另外也可以每两个或每三个磁力计连接一个外围电路。

所述加速度计与所述外围电路进行电气连接，用于测量地电路板与水平面的倾角。

如图4所示，给出电子罗盘的校正方法：

在实施校正之前，首先需要将每块磁场传感器芯片预先进行标定，去除每片传感器的固有偏差，使每块传感器在相同的位置上读数尽可能相同。

基于多磁力计的电子罗盘采用如下标定算法完成标定。算法核心基于Levenberg-Marquardt优化算法。将三轴磁力计可以建模成其中Q代表一个3*3的矩阵，包含有软磁干扰，尺度因子，三轴不正交度的影响，是校正后的地磁测量量，h是校正之前的地磁测量量，参数ε表示高斯噪声，Q可以被建模为

b代表硬磁干扰带来的偏移，b可被建模成

如果事先从地磁模型中获取了地磁量H_reference，则对于处于无任何干扰环境下的磁力计来说，其应当满足以下等式：H_reference ²-||h||²＝0 (2)。

由(2)可知，优化的目标函数为其中待优化的参数为X＝[k₁₁k₁₂k₁₃k₂₂k₂₃k₃₃b_xb_yb_z]^T。

利用Levenberg-Marquardt优化理论优化其中e＝[e₁ e₂…… e_N]^T可得：其中，参数e是当地的参考地磁场和磁力计所测得的地磁场之间的偏差，参数X是一个待优化的参数集合。

X经过优化算法若干次迭代后得到的值包含有软磁和硬磁干扰的补偿量，即通过迭代实际上求解得到了(1)中的Q和b，从而实现了对磁力计模块采集到的原始数据的校正与补偿。算法整体流程如图4所示。

图5所示为多磁力计电子罗盘在水平面上有软硬磁干扰的X,Y两轴数据图。

图6所示为经过磁场干扰校正补偿后的数据，包含本发明所设计的基于优化理论的校正算法与磁罗盘校正常用校正方法最小二乘方法的校正效果比较。由比较的结果可以看出本发明的校正算法精度较高，且收敛速度很快。

图7所示为多磁力计电子罗盘在空间中有软硬磁干扰的X,Y,Z三轴数据图。

图8所示为经过干扰校正补偿后的数据，包含校正前和基于优化理论校正算法校正后的效果的比较。由三维空间中的测试情况可以看出，本发明在不仅在两维，而且在三维空间都具有较高的精度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自校正电子罗盘的校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：使用磁力计采集磁场数据；

步骤2：对采集的磁场数据进行Levenberg-Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵；

所述步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2-1：将磁力计建模成其中Q代表一个3*3的矩阵，包含有软磁干扰，尺度因子，三轴不正交度的影响，

b代表硬磁干扰带来的偏移，

步骤2-2：从地磁模型中获取地磁量H_reference，则对于处于无任何干扰环境下的磁力计来说，其应当满足以下等式：

H_reference ²-||h||²＝0 (2)

由(2)可知，优化的目标函数为其中待优化的参数为X＝[k₁₁ k₁₂ k₁₃k₂₂ k₂₃ k₃₃ b_x b_y b_z]^T；

步骤2-3：利用Levenberg-Marquardt优化理论优化其中e＝[e₁ e₂…… e_N]^T可得：

步骤2-4：X经过所述优化算法若干次迭代后得到的值包含有软磁和硬磁干扰的补偿量，即通过迭代实际上求解得到了(1)中的Q和b，从而实现了对磁力计模块采集到的原始数据的校正与补偿；

步骤3：根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，使用多个磁力计进行数据采集。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述多个磁力计为6-8个。

4.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间还可以包括步骤：对所述采集数据进行倾角补偿。

5.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，在所述步骤3之后还具有步骤：将步骤3计算的数据发送至终端。

6.一种自校正电子罗盘，包括数据采集模块和计算模块，其特征在于：

所述数据采集模块用于采集磁场数据，

所述计算模块用于对采集的磁场数据进行Levenberg-Marquardt优化得到软硬磁校正矩阵，并根据软硬磁校正矩阵计算结果完成航向角计算，

所述计算模块中含有程序，运行所述程序可以执行下述步骤得到所述软硬磁校正矩阵：

步骤2-1：将磁力计建模成其中Q代表一个3*3的矩阵，包含有软磁干扰，尺度因子，三轴不正交度的影响，

b代表硬磁干扰带来的偏移，

步骤2-2：从地磁模型中获取地磁量H_reference，则对于处于无任何干扰环境下的磁力计来说，其应当满足以下等式：

H_reference ²-||h||²＝0 (2)

由(2)可知，优化的目标函数为其中待优化的参数为X＝[k₁₁ k₁₂ k₁₃k₂₂ k₂₃ k₃₃ b_x b_y b_z]^T；

步骤2-3：利用Levenberg-Marquardt优化理论优化其中e＝[e₁ e₂…… e_N]^T可得：

步骤2-4：X经过所述优化算法若干次迭代后得到的值包含有软磁和硬磁干扰的补偿量，即通过迭代实际上求解得到了(1)中的Q和b，从而实现了对磁力计模块采集到的原始数据的校正与补偿。

7.根据权利要求6所述的电子罗盘，其特征在于所述数据采集模块包括磁力计组，所述磁力计组包括多个磁力计。

8.根据权利要求7所述的电子罗盘，其特征在于所述多个磁力计为6-8个。

9.根据权利要求6所述的电子罗盘，其特征在于：还包括加速度计，用于对所述采集数据进行倾角补偿。

10.根据权利要求6所述的电子罗盘，其特征在于还包括数据传输模块，其将校正后的数据传输至终端上，进行标定处理。