CN108398124B - 一种电子罗盘校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准电子罗盘的测试板，包括平板和侧板，侧侧板固定在平板上，所述侧板由n个侧壁组合成多边形，侧壁垂直于平板，侧壁的数量n≥3。本发明通过将待校准的电子罗盘放置在平板上，贴着所有侧壁外侧放置并记录磁力计每个点的磁场值和角度值，然后通过插值法对数据处理，从而得出磁场与角度的对应关系，而且可以融合加速计测得的横滚角与俯仰角，进而根据磁力计测量得到的磁场大小来求解相应的角度值，不仅能实现平面二维的高精度校准要求，更能实现三维全空间立体的高精度校准要求。本发明的测试板结构简单，操作方便，不需要使用复杂的测试设备，为终端用户的使用带来极大的便利，终端用户可以自行对电子罗盘进行校准。

Description

一种电子罗盘校准方法

技术领域

本发明涉及利用电子罗盘进行导航的技术领域，特别是涉及一种校准电子罗盘的校准方法。

背景技术

近年来，随着社会的进步与科技的发展，定位及导航在人们生活中的地位和作用越来越重要。定位与导航的快速发展不仅影响了人们的生活理念，同时也深刻的改变着人们的生活方式。因此，在不同应用场景下，定位与导航的校准工作就变得越发重要，例如军事领域中，要想提高导弹等武器的精确打击能力，精准导航的重要意义和作用显得尤为突出。同时，如何在GPS信号丢失或是被外来因素干扰的情况下依旧能实现导弹的精确制导也是关乎战场能否取胜的关键。在海洋勘探领域中，海底的环境复杂、恶劣、GPS信号无法穿透海水到达海洋探测器，因此海洋探测器不能依靠GPS信号实现定位与导航，此时通过惯性导航和地磁导航系统进行海洋勘探也就变得十分必要了。在日常生活中，现代化的生活方式给人们带来极大便利的同时，也带来了不少的困扰，例如车辆导航时经常会发生车辆实际位置与GPS定位的车辆位置不一样，导致被指向错误的路线，这也说明了GPS导航的不确定性很高。

目前的导航与定位系统主要还是依赖于GPS全球定位系统，该技术已相对成熟，并被广泛应用于手机导航、儿童户外定位手表、车辆导航等应用领域。我国近几年自行研制的北斗导航系统快速发展，取得了相当巨大的成就。但不管是GPS还是北斗导航，都有其固有的缺陷，最主要的就是其定位信号对于环境的依赖性比较高。例如，在高楼大厦、高架桥梁、室内等环境下，由于导航信号被反射或者被遮挡，定位效果大大降低，导航精度也得不到有效的保证，无法完成定位和导航。由于地磁场本质上具有长期稳定性和极高的穿透能力，因此，以地磁场为基础的磁力计配合惯性导航系统，就可以解决上述类似情况下的精确导航。

实际应用中，由磁力计和加速度计组成的电子罗盘作为重要的导航工具，不管是在军事、航空航海、海底或者是地底勘探以及日常生活上都有着极其重要的意义和研究价值。现代的导航准要有以下几种方法：GPS、陀螺仪等，与这几种导航方式相比，电子罗盘导航具有以下几点明显的优势：1、磁力计依靠对地磁场的测量进行导航，而地磁场具有较高的长期稳定性，并且地磁场的穿透力强，不仅可以在室外完成导航任务，在室内也能不受遮挡物的影响而实现精确导航，同时受外界环境的影响非常小；2、由于地磁场穿透力强，因此具有极高的隐蔽性；3、相较于其他导航方式，磁力计的功耗低，体积小、研发投入少，同时精度还能达到一定的要求，因此磁力计的应用更加广泛，具有非常好的环境适应能力。

现有技术中，当电子罗盘的使用环境改变后，环境磁场也会发生变化，导致电子罗盘指向不准确，因此需要对电子罗盘进行校准，通常的方法都是对零偏、不正交误差、灵敏度误差等进行建模，用椭球拟合方法确定相应的参数并进行参数求解，但是通过椭球拟合方法校准的误差较大，不能满足高精度的校准要求。而且在椭球拟合过程中，需要将电子罗盘安装在专用的高精度的测试平台上，例如三轴无磁转台，通过精确调整三轴无磁转台转动的角度，测量磁力计在多个位置的磁场值用于进行椭球拟合校准，但是三轴无磁转台操作复杂，价格高，整个校准过程费时费力，因此终端用户的电子罗盘应用的周边环境磁场发生变化以后，很难对电子罗盘进行校准，影响终端使用的精度。

发明内容

本发明针对现有电子罗盘校准技术中，使用传统的校准方法，例如椭球拟合方法校准的精度低，以及需要使用精密复杂的专用测试平台来收集椭球拟合方法所需的磁场值和角度数据，存在操作复杂、成本高等问题，本发明设计了一种结构简单合理的校准电子罗盘的测试板，通过将电子罗盘放置在测试板的不同位置并记录磁力计测得的磁场值和该位置的角度值，然后通过数据处理，即可得出磁场与角度的对应关系，完成对电子罗盘的校准，测试板结构简单，测试过程简单方便，不需要使用复杂的测试设备，为终端用户自行校准带来极大的便利，而且校准精度高。

本发明所采用的技术方案如下：

一种校准电子罗盘的测试板，包括平板和侧板，侧侧板固定在平板上，所述侧板由n个侧壁组合成多边形，侧壁垂直于平板，侧壁的数量n≥3。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述多边形为正多边形，侧壁垂直于平板。

所侧壁的数量n为3的倍数。

所述侧壁的数量n为12。

一种电子罗盘校准方法，包括以下步骤：

第一步：将电子罗盘放置平板正面，选取测试板的一个侧壁为起始点，将电子罗盘贴着起始点侧壁的外侧，记录电子罗盘的磁力计在该位置测量的磁场值和角度值；然后将电子罗盘沿侧板外侧转动并贴着每一个侧壁放置，记录每一个位置的角度值和磁力计测量的磁场值；

第二步：利用插值法，对第一步测量得到的磁场值计算得到得到磁场值随角度变化的函数，其中角度值是自变量，磁场值是因变量；

第三步：将第二步得到的参数导入换算校准程序中，将自变量角度值与因变量磁场值交换，通过校准程序将磁场值变为自变量，将角度值变为因变量，完成磁力计的校准工作。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述电子罗盘的三轴X、Y、Z相互垂直正交，按照所述第一步的方法对磁力计的6个面全部采集磁力计的磁场值，首先任意选取一个侧壁作为起始点，沿起始点开始记录所有侧壁位置的磁场值，共记录n个点的磁场值；然后翻转电子罗盘，把电子罗盘的每一个面都以起始点开始采集n个点的磁场值，总共采集6n个点的磁力计的磁场值。

所述第二步中的插值法为三次样条插值法。

所述三次样条插值法函数定义为：对区间(0，360)中的任意分割：Δ：0≤x₁＜x₂＜…＜x_n≤360，若是分段函数满足以下条件：

(1)在每个区间[x_i，x_i+1](i＝1，2，…，n-1)上，S(x)是一个次数不超过M次的实系数代数多项式，其中S代表磁场值，x代表角度值；

(2)S(x)在区间(0，360)上具有直至M-1阶连续导数，则称S(x)为对应于分割Δ的M次样条函数，x₁，x₂，…x_n称为样条节点，以x₁，x₂，…x_n为节点的M次样条函数的全体记为S_M(x₁，x₂，…x_n)；

当M＝1时，样条函数是分段线性函数；M＝2时，是分段二次函数；M次样条比一般的M次分段插值多项式的光滑性要好很多；S(x)在相邻的两个区间[x_i-1，x_i]和[x_i，x_i+1]上的函数表达式相差一项

即

设S′(x_k)＝m_k，其中k＝0，1，…，n；h_k＝x_k+1-x_k，其中k＝0，1，…，n-1，S(x)在每一个子区间[x_k，x_k+1]上都是三次多项式，y_k是样本点的磁场值，因此，在[x₀，x_n]上可以将S(x)表示成分段两点三次插值多项式，即本发明的三次样条插值函数：

对S(x)求二阶导数：

x∈[x_k-1，x_k]，

由

k＝1，2，…，n-1可得：

进而可以求得m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n；

将上述m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n带入三次样条插值函数的表达式中就可以求出磁场与航向角的对应关系。

所述第一步中，同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在x轴，y轴，z轴的加速度分量。

还包括第四步，通过加速计获得的电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y*cos(θ)+Z*sin(θ)

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的分量，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，β是航向角。

本发明的有益效果如下：

本发明通过设计一种简单的校准电子罗盘的测试板，测试板包括平板，平板上安装侧板，侧板由多个侧壁组成多边形，通过将待校准的电子罗盘放置在平板上，贴着所有侧壁外侧放置并记录磁力计每个点的磁场值和角度值，即可完成校准数据的收集，测试板结构简单，操作方便，不需要使用复杂的测试设备，为终端用户的使用带来极大的便利和可靠性，当使用环境发生变化后，终端用户可以自行对电子罗盘进行校准。

本发明通过测量电子罗盘在所有侧壁位置的磁力计的磁场值，然后通过插值法对数据处理，从而得出磁场与角度的对应关系，而且可以融合加速计测得的横滚角与俯仰角，进而根据磁力计测量得到的磁场大小来求解相应的角度值，不仅能实现平面二维的高精度校准要求，更能实现三维全空间立体的高精度校准要求。校准完成后，通过与精密的无磁转台的角度进行对比，本方法的校准精度高，满足终端客户对高精度校准的需求。

附图说明

图1为本发明测试板的立体结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为电子罗盘内部三轴坐标示意图。

图4为本发明的三维电子罗盘校准方法的流程图。

图中：1、平板；2、侧板；21、侧壁；3、磁力计。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明的校准电子罗盘的测试板包括平板1和侧板2，侧板2固定在平板1上，侧板2由n个侧壁21组合成多边形，侧壁21垂直于平板1，侧壁21的数量n≥3。本发明中的多边形优选为正多边形，n优选为3的倍数，例如12。

本发明使用测试板对电子罗盘进行高精度校准，不仅能实现平面二维的高精度校准要求，也可以实现三维全空间立体的高精度校准要求。以下通过正十二边形的侧板2，侧壁21数量12个为例，描述本发明的电子罗盘校准方法，如图4所述，本发明的校准方法包括以下步骤。

第一步，采集电子罗盘的磁力计以及加速度计测量的数据：

基本的十二点校准方法：当电子罗盘在横滚角和俯仰角不超过45°时，采用简单的十二点校准方法。将测试板放置在平面上，任意选取测试板的一个侧壁作为起始点，定义起始点的角度值为0°，将电子罗盘放置在测试板正面并贴着该起始点侧壁外侧，并记录该位置磁力计测量的磁场值；然后将电子罗盘沿侧板外侧转动，放置在起始点侧壁相邻的下个侧壁即第二个侧壁并紧贴该侧壁，由于侧板是正十二边形，因此相对于起始点侧壁，第二个侧壁位置的电子罗盘的角度值为30°，并记录该位置的磁场值；继续转动电子罗盘，每转动一次，电子罗盘的角度将增加30°，将电子罗盘依次紧贴剩余的十个侧壁，对应的电子罗盘的角度分别为60°、90°…，第十二个侧壁位置的电子罗盘的角度是330°，记录每一个位置的磁力计测量的磁场值，这样总共采集了十二个位置的角度值以及对应的磁场值。当然，采集数据的过程不仅可以在本发明的测试板上进行，也可以在无磁转台上完成。数据采集过程中，可以通过Labview编写的数据采集程序，自动记录磁力计测量的磁场值，提高数据采集效率。

高精度的七十二点校准方法：当电子罗盘的横滚角和俯仰角超过45°度的情况下，由于横滚角和俯仰角过大会对磁力计测量的磁场值的精度造成影响并影响后续的校准过程，降低上述十二点校准方法的校准精度，因此可以采用更高精度的七十二点校准方法。电子罗盘的外部结构为长方体，有6个面，按照十二点校准方法分别采集6个面的12个点的数据。首先任意选取一个侧壁的方位作为起始点，将电子罗盘的任意一个面沿12个侧壁采集12个点的磁场值，然后翻转电子罗盘，把电子罗盘的每一个面都以起始点侧壁开始采集12个点的磁场值，这样总共采集到72个点的磁场值。在翻转过程中，相当于模拟和测试了电子罗盘在俯仰角或者横滚角为±90°状态下的磁场值，这样就可以保证采集的数据包括了俯仰或者横滚角为±90°的情况下的磁场值，然后通过后续的步骤即可以实现精确校准电子罗盘的横滚角和俯仰角超过45°度时的精度。

第二步，使用插值法计算，得到磁场值随角度变化的函数：

对第一步测量得到的的磁场值计算得到磁场值随角度变化的函数，其中角度值是自变量，磁场值是因变量。本步骤中，可以通过用Matlab编写的校准程序，对第一步采集的磁场值做校准计算。

本发明采用的插值法的基本原理是，函数y＝f(x)在区间[a，b]上有定义，x₀、x₁、x₂、…x_n是区间[a，b]上n+1个已知的互异的节点，并且这些节点的函数值已知，为f(x₀)、f(x₁)、f(x₂)、…、f(x_n)。如果存在一个特定的近似函数

使得

i＝1、2、3、…、n，则称

是f(x)的插值函数，在区间内其他点上可以用插值函数

的值作为函数f(x)的近似值，这种方法称为插值法。插值法有很多种生成函数的方法，例如拉格朗日插值法、埃尔米特插值法、分段插值法、样条插值法等。本发明以三次样条插值法为例得到磁场值随角度变化的插值函数。

本发明三次样条函数定义如下：对区间(0，360)中的任意分割：Δ：0≤x₁＜x₂＜…＜x_n≤360，若是分段函数满足以下条件：

(1)在每个区间[x_i，x_i+1](i＝1，2，…，n-1)上，S(x)是一个次数不超过M次的实系数代数多项式，其中S代表磁场值，x代表角度值；当使用第一步的十二点校准方法时，n＝12，x₁＝0，x₂＝30，以此类推，直至x₁₂＝330；

(2)S(x)在区间(0，360)上具有直至M-1阶连续导数，则称S(x)为对应于分割Δ的M次样条函数，x₁，x₂，…x_n称为样条节点，以x₁，x₂，…x_n为节点的M次样条函数的全体记为S_M(x₁，x₂，…x_n)。

当M＝1时，样条函数是分段线性函数；M＝2时，是分段二次函数；M次样条比一般的M次分段插值多项式的光滑性要好很多；S(x)在相邻的两个区间[x_i-1，x_i]和[x_i，x_i+1]上的函数表达式相差一项

即

设S′(x_k)＝m_k，其中k＝0，1，…，n；h_k＝x_k+1-x_k，其中k＝0，1，…，n-1，S(x)在每一个子区间[x_k，x_k+1]上都是三次多项式，y_k是样本点的磁场值，因此，在[x₀，x_n]上可以将S(x)表示成分段两点三次插值多项式，即本发明的三次样条插值函数：

对S(x)求二阶导数：

x∈[x_k-1，x_k]，

由

k＝1，2，…，n-1可得：

进而可以求得m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n。

将上述m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n带入三次样条插值函数的表达式中就可以求出磁场与航向角的对应关系。

第三步，磁场值和角度值数值换算：

将第二步得到的参数导入换算校准程序中，通过换算校准程序将自变量角度值与因变量磁场值交换，将磁场值变为自变量，将角度值变为因变量，完成磁力计的校准工作，该步骤的换算校准程序可以使用1abview程序完成。

第四步：倾角补偿：

该步骤中，需要采集电子罗盘的加速计的值，得到电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，因此，在第一步数据采集过程中，在采集磁场值的时候，同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在X轴，Y轴，Z轴的加速度分量。

将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，即可以计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y*cos(θ)+Z*sin(θ)

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的分量，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，β是航向角。

电子罗盘校准完成以后，通过以下方法确定校准完成的电子罗盘的精度。将电子罗盘固定在无磁转台上，记录无磁转台的角度，并测试电子罗盘采集的角度，对两个角度进行对比，从而确定电子罗盘的校准精度，具体步骤如下。

第一步，在水平面，操作无磁转台，每隔10°采集一个数据，将磁力计测试的角度与无磁转台的标记角度进行比较，两个角度相差小于0.3°，经过校准的磁力计的精度达到0.3°。

第二步，将磁力计横滚角设定为30°，每隔10°采集一个数据，将磁力计测试的角度与无磁转台的标记角度进行比较，精度达到0.5°。

第三步，将磁力计俯仰角设定为30°，每隔10°采集一个数据，将磁力计测试的角度与无磁转台的标记角度进行比较，精度达到0.5°。

本发明使用测试板对电子罗盘进行高精度校准，摒弃了传统的磁力计校准方法，通过测试磁力计在测试板上不同位置的磁场值，使用插值法计算出相关的参数，从而得出磁场与角度的对应关系，并融合加速计测得的横滚角与俯仰角，进而根据磁力计测量得到的磁场大小来求解相应的角度值，不仅能实现平面二维的高精度校准要求，更能实现三维全空间立体的高精度校准要求。相比传统的磁力计校准方法，本发明不需要使用无磁转台等精密复杂的仪器，因此本发明操作简单，数据计算复杂度相对较低，而且校准的精度非常高，成功克服了传统校准方法的种种缺点。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的精神与技术思想下完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所覆盖。

Claims (6)

1.一种电子罗盘校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：将电子罗盘(3)放置平板(1)正面，选取测试板的一个侧壁为起始点，将电子罗盘(3)贴着起始点侧壁的外侧，记录电子罗盘的磁力计在该位置测量的磁场值和角度值；然后将电子罗盘(3)沿侧板(2)外侧转动并贴着每一个侧壁(21)放置，记录每一个位置的角度值和磁力计测量的磁场值；

第二步：利用插值法，对第一步测量得到的磁场值计算得到得到磁场值随角度变化的函数，其中角度值是自变量，磁场值是因变量；

第三步：将第二步得到的参数导入换算校准程序中，将自变量角度值与因变量磁场值交换，通过校准程序将磁场值变为自变量，将角度值变为因变量，完成磁力计的校准工作。

2.根据权利要求1所述的电子罗盘校准方法，其特征在于：所述电子罗盘的三轴X、Y、Z相互垂直正交，按照所述第一步的方法对磁力计的6个面全部采集磁力计的磁场值，首先任意选取一个侧壁(21)作为起始点，沿起始点开始记录所有侧壁(21)位置的磁场值，共记录n个点的磁场值；然后翻转电子罗盘，把电子罗盘的每一个面都以起始点开始采集n个点的磁场值，总共采集6n个点的磁力计的磁场值。

3.根据权利要求1所述的电子罗盘校准方法，其特征在于：所述第二步中的插值法为三次样条插值法。

4.根据权利要求3所述的电子罗盘校准方法，其特征在于：所述三次样条插值法函数定义为：对区间(0，360)中的任意分割：Δ：0≤x₁＜x₂＜…＜x_n≤360，若是分段函数满足以下条件：

(1)在每个区间[x_i，x_i+1](i＝1,2,…,n-1)上，S(x)是一个次数不超过M次的实系数代数多项式，其中S代表磁场值，x代表角度值；

(2)S(x)在区间(0，360)上具有直至M-1阶连续导数，则称S(x)为对应于分割Δ的M次样条函数，x₁，x₂，…x_n称为样条节点，以x₁，x₂，…x_n为节点的M次样条函数的全体记为S_M(x₁，x₂，…x_n)；

当M＝1时，样条函数是分段线性函数；M＝2时，是分段二次函数；M次样条比一般的M次分段插值多项式的光滑性要好很多；S(x)在相邻的两个区间[x_i-1，x_i]和[x_i，x_i+1]上的函数表达式相差一项

即

设S′(x_k)＝m_k，其中k＝0，1，…，n；h_k＝x_k+1-x_k，其中k＝0，1，…，n-1，S(x)在每一个子区间[x_k，x_k+1]上都是三次多项式，y_k是样本点的磁场值，因此，在[x₀，x_n]上可以将S(x)表示成分段两点三次插值多项式，即本发明的三次样条插值函数：

对S(x)求二阶导数：

由

可得：

进而可以求得m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n；

将上述m₀，m₁，m₂，…，m_n-1，m_n带入三次样条插值函数的表达式中就可以求出磁场与航向角的对应关系。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的电子罗盘校准方法，其特征在于：所述第一步中，同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在x轴，y轴，z轴的加速度分量。

6.根据权利要求5所述的电子罗盘校准方法，其特征在于：还包括第四步，通过加速计获得的电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y*cos(θ)+Z*sin(θ)

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的分量，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，β是航向角。

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