CN108562284A - 一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法 - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses

Abstract

本发明公开了一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，包括以下步骤：第一步，将三轴电子罗盘与加速度计安装于同一坐标平面内，且加速度计的X轴与多旋翼飞行器的机头方向平行；第二步，根据椭圆方程原理，构建三轴电子罗盘的测量模型；第三步，建立多旋翼飞行器的电子罗盘观测方程。本发明的标定方法，步骤简单，精度高。

Description

一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法
技术领域
本发明属于航空航天导航技术领域，涉及一种用于免转台指示航向(Yaw)的电子罗盘的标定方法。
背景技术
电子罗盘是一种指示载体机头相对于水平面的磁航向的三轴磁阻传感器。
电子罗盘作为磁阻传感器容易受到附近的磁性物质(铁、钴、镍)以及外部磁场(如电流产生的电磁场)的干扰。在干扰存在的情况下，电子罗盘无法给出准确的磁航向角。
为了消除电子罗盘所受的干扰，为载体提供准确的磁航向角，需要对电子罗盘进行标定。现有的电子罗盘标定算法主要有如下几种：
1.基于电子罗盘的独立标定。
2.采用转台来对电子罗盘进行标定。
上述两种算法有如下一些缺点：
1、基于电子罗盘进行的标定无法标定出加速度计和电子罗盘之间的坐标轴夹角，从而导致机头方向和电子罗盘指示的磁航向不相同。
2、采用转台标定电子罗盘，转台设备沉重，不方便携带，难于实现野外作业。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的多旋翼飞行器中的电子罗盘标定时需要使用转台，难以标定的问题，提供了一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术手段予以实现：
一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，包括以下步骤：
第一步，将三轴电子罗盘与加速度计安装于同一坐标平面内，且加速度计的X轴与多旋翼飞行器的机头方向平行；
第二步，根据椭圆方程原理，构建三轴电子罗盘的测量模型，得到公式(1)；
其中，mx为三轴电子罗盘的X轴输出数据；my为三轴电子罗盘的Y轴输出数据；mz为三轴电子罗盘的Z轴输出数据；sx为电子罗盘的X轴尺度因子；sy为电子罗盘的Y轴尺度因子；sz为电子罗盘的Z轴尺度因子；mxb为电子罗盘X轴的零位误差；myb为电子罗盘Y轴的零位误差；mzb为电子罗盘Z轴的零位误差；R为地磁场强度；
第三步：根据公式(1)，建立多旋翼飞行器的电子罗盘观测方程，得到公式(2)；
其中，X是由第二步中电子罗盘待标定参数形成的列向量；
根据公式(1),令
其中，H是由电子罗盘的测量值组成的观测矩阵；
Z＝R2 (4)
其中，R表示地磁场强度，Z表示地磁场强度的平方；
通过公式(1)-公式(4)可得观测方程
Z＝HX (5)
其中，H是由电子罗盘测量值组成的观测矩阵；
第四步：通过最小二乘法，求解得到公式(2)中的X值；
根据椭球方程，转动测量模型中的椭球，同时采集转动后电子罗盘的数据mx，my，mz，通过最小二乘法求解X如下：
X＝HT*H-1*HT*Z (5)
其中，T表示矩阵的转置；
根据公式(5)计算出X，然后根据公式(1)和(2)即可得出三轴电子罗盘的X轴输出数据sx、Y轴输出数据sy和Z轴输出数据sz，进而实现了对罗盘的标定。
进一步地，所述第一步中，所述加速度计的X轴与电子罗盘的X轴之间距离有间距，所述间距大于0，小于2mm。
进一步地，所述三轴电子罗盘的X轴尺度因子sx、Y轴尺度因子sy以及Z轴尺度因子sz均为0.6-1.5。
通过上述技术手段，本发明具有以下有益效果：
本发明克服现有的电子罗盘标定算法无法实现对加速度计和电子罗盘的坐标轴间夹角标定,以及现有罗盘标定算法无法实现野外现场标定的不足；提供了一种无须转台即可对加速度计和电子罗盘的坐标轴间夹角标定的方法。
本发明中，罗盘的标定方法步骤简单，能够准确地求取电子罗盘的偏移和尺度因子，提高罗盘解算的航向Yaw的精度。
本发明能够获取加速度计和罗盘的安装误差角，从而在加速度进行辅助姿态解算的惯性测量单元(IMU)中能够提高罗盘解算航向Yaw的精度。
本发明能够提高多旋翼飞行器压航线的精度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种免转台的罗盘标定方法，包括以下步骤：
一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，包括以下步骤：
第一步，将三轴电子罗盘与加速度计安装于同一坐标平面内，且加速度计的X轴与多旋翼飞行器的机头方向平行；
其中，所述第一步中，所述加速度计的X轴与电子罗盘的X轴之间距离有间距，所述间距大于0，小于2mm。
第二步，根据椭圆方程原理，构建三轴电子罗盘的测量模型，得到公式(1)；
其中，mx为三轴电子罗盘的X轴输出数据；my为三轴电子罗盘的Y轴输出数据；mz为三轴电子罗盘的Z轴输出数据；sx为电子罗盘的X轴尺度因子；sy为电子罗盘的Y轴尺度因子；sz为电子罗盘的Z轴尺度因子；mxb为电子罗盘X轴的零位误差；myb为电子罗盘Y轴的零位误差；mzb为电子罗盘Z轴的零位误差；R为地磁场强度；
具体地，所述三轴电子罗盘的X轴尺度因子sx、Y轴尺度因子sy以及Z轴尺度因子sz均为0.6-1.5。
第三步：根据公式(1)，建立多旋翼飞行器的电子罗盘观测方程，得到公式(2)；
其中，X是由第二步中电子罗盘待标定参数形成的列向量；
根据公式(1),令
其中，H是由电子罗盘的测量值组成的观测矩阵；
Z＝R2 (4)
其中，Z表示。。。的向量，R表示地磁场强度；
通过公式(1)-公式(4)可得观测方程
Z＝HX (5)
其中，R表示地磁场强度；Z表示地磁场强度的平方；
第四步：通过最小二乘法，求解得到公式(2)中的X值；
根据椭球方程，转动测量模型中的椭球，同时采集转动后电子罗盘的数据mx，my，mz，通过最小二乘法求解X如下：
X＝HT*H-1*HT*Z (5)
其中，T表示矩阵的转置；
根据公式(5)计算出X，然后根据公式(1)和(2)即可得出三轴电子罗盘的X轴输出数据sx、Y轴输出数据sy和Z轴输出数据sz，进而实现了对罗盘的标定。
本发明中的罗盘标定方法，无需太多设备，故无需太多参数进行多重运算，降低了运算需求，进而对控制单元等的需求降低，从硬件设备和软件计算两个方面，极大地降低了成本，方便了用户。同时，由于数据少，计算步骤少，提高多旋翼飞行器压航线的精度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征再第二特种“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特种通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特种“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
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，可轻易想到的变化或替换，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将三轴电子罗盘与加速度计安装于同一坐标平面内，且加速度计的X轴与多旋翼飞行器的机头方向平行；
第二步，根据椭圆方程原理，构建三轴电子罗盘的测量模型，得到公式(1)；
其中，mx为三轴电子罗盘的X轴输出数据；my为三轴电子罗盘的Y轴输出数据；mz为三轴电子罗盘的Z轴输出数据；sx为电子罗盘的X轴尺度因子；sy为电子罗盘的Y轴尺度因子；sz为电子罗盘的Z轴尺度因子；mxb为电子罗盘X轴的零位误差；myb为电子罗盘Y轴的零位误差；mzb为电子罗盘Z轴的零位误差；R为地磁场强度；
第三步：根据公式(1)，建立多旋翼飞行器的电子罗盘观测方程，得到公式(2)；
其中，X是由第二步中电子罗盘待标定参数形成的列向量；
根据公式(1),令
其中，H是由电子罗盘的测量值组成的观测矩阵；
Z＝R2 (4)
其中，R表示地磁场强度；Z表示地磁场强度的平方；
通过公式(1)-公式(4)可得观测方程
Z＝HX (5)
其中，H是由电子罗盘测量值组成的观测矩阵；
第四步：通过最小二乘法，求解得到公式(2)中的X值；
根据椭球方程，转动测量模型中的椭球，同时采集转动后电子罗盘的数据mx，my，mz，通过最小二乘法求解X如下：
X＝(HT*H)-1*HT*Z (5)
其中，T表示矩阵的转置；
根据公式(5)计算出X，然后根据公式(1)和(2)即可得出三轴电子罗盘的X轴输出数据sx、Y轴输出数据sy和Z轴输出数据sz，进而实现了对罗盘的标定。
2.根据权利要求1所述的一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，其特征在于，所述第一步中，所述加速度计的X轴与电子罗盘的X轴之间距离有间距，所述间距大于0，小于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种免转台的多旋翼飞行器的罗盘标定方法，其特征在于，所述三轴电子罗盘的X轴尺度因子sx、Y轴尺度因子sy以及Z轴尺度因子sz均为0.6-1.5。
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