CN109211271B - 一种磁罗盘自校正方法 - Google Patents

一种磁罗盘自校正方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109211271B
CN109211271B CN201811053607.0A CN201811053607A CN109211271B CN 109211271 B CN109211271 B CN 109211271B CN 201811053607 A CN201811053607 A CN 201811053607A CN 109211271 B CN109211271 B CN 109211271B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
stability index
magnetic
data
sigma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811053607.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109211271A (zh
Inventor
叶峰
石峰
赖乙宗
谢先治
袁洋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201811053607.0A priority Critical patent/CN109211271B/zh
Publication of CN109211271A publication Critical patent/CN109211271A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109211271B publication Critical patent/CN109211271B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01C17/02—Magnetic compasses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种磁罗盘自校正方法，涉及惯性导航领域，该方法包括：步骤1：磁罗盘采集数据；步骤2：拟合曲线并计算参数；步骤3：根据参数校正原始数据并计算航向角；步骤4：计算磁场稳定指数σ；步骤5：根据磁场稳定指数σ及给定阈值σ1判别磁场受干扰程度，若磁场较稳定，则更新航向角；步骤6：若磁场受干扰严重，则根据滤波算法滤除干扰较大的NF个数据；步骤7：根据Ns‑NF个水平空间分量
Figure DDA0001795191410000011
和
Figure DDA0001795191410000012
重复上述步骤2‑7，直到磁场稳定指数σ达到给定阈值，若重复次数达到最大次数M仍未得到阈值内的磁场稳定指数σ，则放弃本次数据，取消本次航向角更新。如此，可以度量磁场受干扰程度，并减少受到干扰的磁场数据，提高航向角的校正精度。

Description

一种磁罗盘自校正方法
技术领域
本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种磁罗盘自校正方法。
背景技术
随着无人驾驶概念的兴起，以及物流行业的井喷式发展，关于移动机器 人的定位研究一直处于热门阶段。电子磁罗盘虽然存在航向测量精度不高、 对磁场环境敏感的缺点，但其成本低、动态响应快、启动时间短、体积小、 功耗低，非常适合在精度要求不苛刻的移动机器人上使用。
由于磁场干扰的存在以及磁罗盘本身的量测误差，计算航向角的数据源 就会产生误差，导致移动机器人出现航向误差，影响定位精度，因此需要对 磁罗盘进行校准。
目前有一种具有自校正功能的电子罗盘设计。其虽然不需要转动电子罗 盘采集磁场信息，但是其磁场采集区域具有局限性，易受干扰，且其缺乏磁 场干扰程度度量，无法获知当前磁场干扰程度，可能获得误差较大的航向角 数据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种磁罗盘自 校正方法；本发明可度量磁场的受干扰程度，且其可以迭代剔除受干扰数据， 使得航向角计算更加精确。
本发明通过下述技术方案实现：
一种磁罗盘自校正方法，包括如下步骤：
步骤1：磁罗盘绕指定中心以半径R匀速旋转，磁罗盘旋转时每隔一预设 周期TS采集转角θk和磁场矢量Bk的两个水平空间分量
Figure BDA0001795191390000021
和
Figure BDA0001795191390000022
共采集Ns(Ns≥5)次；
步骤2：根据Ns个水平空间分量
Figure BDA0001795191390000023
和
Figure BDA0001795191390000024
确定拟合曲线参数值；
步骤3：根据拟合曲线参数值将水平空间原始分量
Figure BDA0001795191390000025
和
Figure BDA0001795191390000026
分别校正为
Figure BDA0001795191390000027
和
Figure BDA0001795191390000028
则航向角α可由
Figure BDA0001795191390000029
和地磁偏角常数β算出，其中
Figure BDA00017951913900000210
步骤4：计算磁场稳定指数σ；
步骤5：根据磁场稳定指数σ及给定阈值σ1判别磁场受干扰程度，若磁场 较稳定，则更新航向角；
步骤6：若磁场受干扰严重，则根据滤波算法滤除干扰较大的NF个数据；
步骤7：根据Ns-NF个水平空间分量
Figure BDA00017951913900000211
和
Figure BDA00017951913900000212
重复2-7步骤，直到磁场稳定 指数σ达到给定阈值，若重复次数达到最大次数M仍未得到阈值内的磁场稳 定指数σ，则放弃本次数据，取消本次航向角更新。
在步骤1之前还包括：磁罗盘载体处于静止或移动状态。
步骤4具体包括以下子步骤：
步骤4-1：根据校正后的磁场水平空间分量
Figure BDA00017951913900000213
和
Figure BDA00017951913900000214
确立理想正弦曲线， 理想正弦曲线的模A和初相φ由下式确定，
Figure BDA00017951913900000215
步骤4-2：对理想正弦曲线进行Ns次采样，得到Ns个采样点Bxr(k)和 Byr(k)(0<k≤Ns)，其中采样周期和磁罗盘数据采集周期TS相同，
Figure BDA00017951913900000216
步骤4-3：计算磁场稳定指数σ，
Figure BDA00017951913900000217
σx和σy分别由下式计算得 出，
Figure BDA0001795191390000031
步骤6滤波算法包括：
a)建立评价函数
Figure BDA0001795191390000032
b)根据Pk的值按照从小到大的顺序将原始水平空间分量
Figure BDA0001795191390000033
和
Figure BDA0001795191390000034
重新排列；
c)剔除尾端的NF个数据。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明具有磁场干扰程度度量算法，可度量磁场干扰程度从而判别航向 角数据的可靠性。
本发明具有滤波算法，可迭代剔除受干扰较大的数据，使航向角趋近于 稳定值。
该磁罗盘若安装于移动机器人车身上，可采集较大区域的磁场数据，避 免受到局部较大干扰。
附图说明
图1为本发明磁罗盘自校正方法流程图。
图2为自动旋转台示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
自动旋转台固定在机器人车身上，磁罗盘绕转轴以半径R匀速旋转，磁 罗盘旋转时每隔一定周期TS采集转角θk和磁场矢量Bk的两个水平空间分量
Figure BDA0001795191390000035
和
Figure BDA0001795191390000036
共采集Ns(Ns≥5)次；
根据Ns个水平空间分量
Figure RE-GDA0001893271240000041
首先采用椭圆方程对采样 数据进行拟合，一般基于Fitzgibbon改进的直接最小二乘拟合算法，设椭圆方 程为：F(a，x)＝a·x＝ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0,其中a＝[a,b,c,d,e,f]T为系数 向量，x＝[x2,xy,y2,x,y,1]。
对于椭圆拟合问题，即求取椭圆方程F(a,x)，使得磁场采样数据点Bh到 椭圆曲线的距离平方和最小，即
Figure BDA0001795191390000042
由于采用直接最小二乘法会在a＝0处产生奇异，使得F(a,x)≡0。为了保 证拟合曲线符合椭圆方程，需要对参数向量施加4ac-b2>0的约束。 Fitzgibbon的改进算法提出4ac-b2＝1的约束，则椭圆拟合的最优化问题为
Figure BDA0001795191390000043
其中D为以xi＝[xi 2,xiyx,yi 2,xi,yi,1]T作为行向量 构成的n×6阶矩阵，C为由4ac-b2＝1确定的系数矩阵。D矩阵和C矩阵如下：
Figure BDA0001795191390000044
对约束方程式采用拉格朗日乘子法得到系数向量的方程组，
Figure BDA0001795191390000045
对旋转磁罗盘的采样数据
Figure BDA0001795191390000046
应用上述椭圆拟合算法， 得到椭圆的一般方程的系数向量a，并由此得到椭圆的基本参数即校正参数 E＝(xc,yc,ax,by,θr)，分别是椭圆中心，半轴长以及椭圆的旋转角。
由此，航向角自校正模块可按照如下步骤对旋转磁罗盘的采集数据进行 校正：
硬铁校正：将椭圆的中心平移至坐标轴的原点，
Figure BDA0001795191390000051
经 过硬铁校正后的数据为
Figure BDA0001795191390000052
则有：
Figure BDA0001795191390000053
软铁校正：将硬铁校正后的椭圆旋转-θr,使其轴线与坐标轴重合，经过 软铁校正后的磁场数据为
Figure BDA0001795191390000054
则有：
Figure BDA0001795191390000055
比例误差校正：对椭圆的长轴进行压缩，使之校正成一个圆。校正后
Figure BDA0001795191390000056
有：
Figure BDA0001795191390000057
将Bhc3再旋转θr至原位置，得到
Figure BDA0001795191390000058
该过程表达式 为：
Figure BDA0001795191390000059
至此，旋转磁罗盘数据已完成椭圆校正过程，对于一个测量数据点
Figure BDA00017951913900000510
磁罗盘航向角α可由
Figure BDA00017951913900000515
和地磁偏角常数β算出，其中
Figure BDA00017951913900000511
根据磁罗盘的航向角α及磁罗盘转角θk，可计算出机器 人的航向角。
航向角计算出后，并不会立刻更新，而需使用磁场干扰程度判别方法判 别地磁场的校正效果。磁场干扰程度判别方法主要包括以下几个步骤：
a)根据校正后的磁场水平空间分量
Figure BDA00017951913900000512
和
Figure BDA00017951913900000513
确立理想正弦曲线，理想正弦 曲线的模A和初相φ由下式确定，
Figure BDA00017951913900000514
b)对理想正弦曲线进行Ns次采样，得到Ns个采样点Bxr(k)和 Byr(k)(0<k≤Ns)，其中采样周期和磁罗盘数据采集周期相同，
Figure BDA0001795191390000061
c)计算磁场稳定指数σ，
Figure BDA0001795191390000062
σx和σy分别由下式计算得出，
Figure BDA0001795191390000063
根据磁场稳定指数σ及给定阈值σ1判别磁场受干扰程度，若磁场较稳定， 则更新航向角；若校正效果不理想，表明磁场干扰强烈，则根据滤波算法滤 除干扰较大的NF个数据。滤波算法包括：
a)建立评价函数
Figure BDA0001795191390000064
b)根据Pk的值按照从小到大的顺序将原始水平空间分量
Figure BDA0001795191390000065
和
Figure BDA0001795191390000066
重新排列；
c)剔除尾端的NF个数据；
根据Ns-NF个水平空间分量
Figure BDA0001795191390000067
和
Figure BDA0001795191390000068
再次拟合成椭圆并校正，直到磁场稳定 指数σ达到给定阈值，若重复次数达到最大次数M仍未得到阈值内的磁场稳 定指数σ，则放弃本次数据，取消本次航向角更新。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的 精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置 换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁罗盘自校正方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：磁罗盘绕指定中心以半径R匀速旋转，磁罗盘旋转时每隔一预设周期TS采集转角θk和地面水平坐标系k中磁场矢量Bk的两个水平空间分量
Figure FDA0003322859710000011
和
Figure FDA0003322859710000012
共采集Ns(Ns≥5)次；
步骤2：根据Ns个水平空间分量
Figure FDA0003322859710000013
和
Figure FDA0003322859710000014
确定拟合曲线参数值；
步骤3：根据拟合曲线参数值将水平空间原始分量
Figure FDA0003322859710000015
和
Figure FDA0003322859710000016
分别校正为
Figure FDA0003322859710000017
和
Figure FDA0003322859710000018
则航向角α可由
Figure FDA0003322859710000019
和地磁偏角常数β算出，其中
Figure FDA00033228597100000110
步骤4：计算磁场稳定指数σ；
步骤5：根据磁场稳定指数σ及给定阈值σ1判别磁场受干扰程度，若磁场较稳定，则更新航向角；
步骤6：若磁场受干扰严重，则根据滤波算法滤除干扰的NF个数据；
步骤7：根据Ns-NF个水平空间分量
Figure FDA00033228597100000111
和
Figure FDA00033228597100000112
重复2-7步骤，直到磁场稳定指数σ达到给定阈值，若重复次数达到最大次数M仍未得到阈值内的磁场稳定指数σ，则放弃本次数据，取消本次航向角更新；
步骤4所述计算磁场稳定指数σ，包括如下子步骤：
步骤4-1：根据校正后的磁场水平空间分量
Figure FDA00033228597100000113
和
Figure FDA00033228597100000114
确立理想正弦曲线，理想正弦曲线的模A和初相φ由下式确定，
Figure FDA00033228597100000115
步骤4-2：对理想正弦曲线进行Ns次采样，得到Ns个采样点Bxr(k)和Byr(k)(0<k≤Ns)，其中采样周期和磁罗盘数据采集周期TS相同，
Figure FDA00033228597100000116
步骤4-3：计算磁场稳定指数σ，
Figure FDA0003322859710000021
σx和σy分别由下式计算得出，
Figure FDA0003322859710000022
2.根据权利要求1所述磁罗盘自校正方法，其特征在于，在步骤1之前还包括使磁罗盘载体处于静止或移动状态。
3.根据权利要求2所述磁罗盘自校正方法，其特征在于，步骤6滤波算法包括：
a)建立评价函数
Figure FDA0003322859710000023
b)根据Pk的值按照从小到大的顺序将原始水平空间分量
Figure FDA0003322859710000024
和
Figure FDA0003322859710000025
重新排列；
c)剔除尾端的NF个数据。
CN201811053607.0A 2018-09-11 2018-09-11 一种磁罗盘自校正方法 Active CN109211271B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811053607.0A CN109211271B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种磁罗盘自校正方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811053607.0A CN109211271B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种磁罗盘自校正方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109211271A CN109211271A (zh) 2019-01-15
CN109211271B true CN109211271B (zh) 2022-03-29

Family

ID=64986879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811053607.0A Active CN109211271B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种磁罗盘自校正方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109211271B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116558552B (zh) * 2023-07-07 2023-10-20 北京小米移动软件有限公司 电子指南针的校准方法、校准装置、电子设备及介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102589537A (zh) * 2012-03-05 2012-07-18 无锡汉和航空技术有限公司 一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法
CN104406610A (zh) * 2014-12-05 2015-03-11 东南大学 一种磁力计实时校正装置及方法
CN106918352A (zh) * 2017-05-02 2017-07-04 桂林电子科技大学 一种手持式mems磁力计的航向校正方法
CN108180924A (zh) * 2017-12-11 2018-06-19 歌尔科技有限公司 一种磁力计校准更新的方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102589537A (zh) * 2012-03-05 2012-07-18 无锡汉和航空技术有限公司 一种有磁环境下无人机的电子罗盘校正方法
CN104406610A (zh) * 2014-12-05 2015-03-11 东南大学 一种磁力计实时校正装置及方法
CN106918352A (zh) * 2017-05-02 2017-07-04 桂林电子科技大学 一种手持式mems磁力计的航向校正方法
CN108180924A (zh) * 2017-12-11 2018-06-19 歌尔科技有限公司 一种磁力计校准更新的方法和装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Compensated Heading Angles for Outdoor Mobile Robots in Magnetically Disturbed Environment;Jehong Lee 等;《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》;20170717;第1408-1419页 *
一种手持式 MEMS 磁力计的罗差校正方法;李思民 等;《电子器件》;20171031;第1191-1195页 *
一种电子磁罗盘航向误差的自适应补偿方法;冯毅博 等;《仪器仪表学报》;20141130;第2607-2614页 *
用于磁罗盘罗差校正的基于Ｓａｍｐｓｏｎ距离的椭圆拟合法;罗寿红 等;《清华大学学报 （自然科学版）》;20160331;第324-333页 *
电子磁罗盘测量误差校正方法研究;沈鹏 等;《仪器仪表学报》;20071031;第1902-1905页 *
高精度磁罗经设计与实现;王秉阳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20180615;第1-87页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109211271A (zh) 2019-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101783050B1 (ko) 3축 자계 센서의 교정 방법 및 장치
WO2017063386A1 (zh) 一种姿态测量系统的精度校准方法
CN105058387A (zh) 基于激光跟踪仪的一种工业机器人基坐标系标定方法
CN109507706B (zh) 一种gps信号丢失的预测定位方法
CN110361031A (zh) 一种基于回溯理论的imu全参数误差快速标定方法
CN110579730A (zh) 一种三轴磁传感器的转向差校正方法
KR20080086711A (ko) 관성항법시스템의 초기정렬 방법
CN110849387A (zh) 一种传感器参数标定方法和装置
CN115727874A (zh) 电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法
CN109211271B (zh) 一种磁罗盘自校正方法
CN112146683A (zh) 惯性测量单元标定参数调整方法、装置及电子设备
CN108088431B (zh) 一种自校正电子罗盘及其校正方法
CN109737985A (zh) 一种基于gnss角度的初始对准优化方法
CN106092140B (zh) 一种陀螺仪零偏估计方法
CN110954081A (zh) 一种磁罗盘快速校准装置及方法
CN110954080A (zh) 一种消除载体磁干扰的磁罗盘校准方法
CN111504301A (zh) 一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统
CN114812532B (zh) 磁罗盘参数的校准方法、无人机航向角的确定方法及装置
CN108803373B (zh) 一种三轴转台的地速消除方法
CN111982155B (zh) 磁传感器的标定方法、装置、电子设备和计算机存储介质
CN113640738B (zh) 一种结合imu与单组uwb的旋转式目标定位方法
CN112683265B (zh) 一种基于快速iss集员滤波的mimu/gps组合导航方法
CN110186479B (zh) 一种惯性器件误差系数确定方法
KR20170092356A (ko) 3축 지자기 센서의 방위각 보정 시스템
CN112985461B (zh) 一种基于gnss测向的磁传感器校准方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant