CN109737939A - 一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置，该方法包括以下步骤：校准时，以默认的安装方式采集传感器数据并计算传感器的用户校准参数；测量时，将传感器数据和用户校准参数通过预先配置的算法计算校准数据；根据用户选择的安装方式和校准数据进行坐标系转换得出安装方式数据；将安装数据通过预先配置的算法计算输出电子罗盘的安装方式姿态；置零时，将安装方式姿态通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态；将安装方式姿态与置零姿态及磁偏角通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角的偏差得到罗盘的最终姿态。有益效果：实现对电子罗盘的全方位安装，充分利用罗盘的使用空间，提升用户使用体验。

Description

一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置

技术领域

本发明涉及电子罗盘技术领域，具体来说，涉及一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置。

背景技术

电子罗盘，又称数字罗盘，相比较于传统的罗盘，电子罗盘有着能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化、数字化等优点。目前已经广泛的应用于军事，航空，航天，航海，导航，机器人，智能机械等各种行业。

电子罗盘由磁力计、加速度计和MCU组成，有的甚至还加上陀螺仪，可以实现罗盘的动态使用。磁力计用来测量磁场(地磁场和干扰磁场)，加速度计用来测量重力加速度，MCU需要处理磁力计和加速度计的信号，实现校准算法求出校准参数对磁干扰进行补偿，计算并输出姿态。姿态可以用欧拉角，四元数和方向余弦来表示，而欧拉角最直观，所以一般电子罗盘都会输出欧拉角：包括航向角(Yaw)，俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)。

由于电子罗盘要输出欧拉角，这就涉及到地理坐标系和本体坐标系之间的转换。常用的地理坐标系有东北天(ENU)和北东地(NED)，比如：NED是以指北为X轴正向，以指东为Y轴正向，以指地为Z轴正向。电子罗盘的本体也有一套坐标系，比如：从中心往前面为x轴正向，从中心往右面为y轴正向，从中心往下面为z轴正向。这两套坐标系是有对应关系的，通过坐标转换可以把本体坐标转换为地理坐标，就可以计算出欧拉角。电子罗盘的本体坐标系就决定着电子罗盘的安装方式。

一般电子罗盘都是固定一种或者有限的几种安装方式，这极大的限制了罗盘的使用空间。如果用户按照指定的安装方式安装不了，则需要用户更改设计或者罗盘设计方更改设计，给用户的使用造成了很大的不便。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种实现电子罗盘全方位安装的方法，该方法包括以下步骤：

校准时，以默认的安装方式采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

测量时，将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

将所述安装数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

置零时，将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。

进一步的，所述根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df还包括以下步骤：

分别定义地理坐标系和所述电子罗盘的默认本体坐标系；

根据用户选择的安装方式进行坐标转换得到对应于安装方式的本体坐标系。

进一步的，所述地理坐标系为n，假设定义为北东地坐标系，满足右手定则；则所述默认本体坐标系d中，坐标轴X_d为所述电子罗盘的本体从中心指向前面，坐标轴Y_d为所述电子罗盘的本体从中心指向右面，坐标轴Z_d为所述电子罗盘的本体从中心指向下面；

其中，所述电子罗盘满足右手定则的本体坐标系b总共有24种，设定Z_b的方向，可以选择电子罗盘的前后左右上下六个方向，再设定X_b的方向，只能选择剩下的两个轴的四个方向，Z_b和X_b的方向选定了，则Y_b的方向也就确定了；

所述本体坐标系b，与24种安装方式一一对应，由默认本体坐标系d经过坐标转换得到；

举例说明，我们假设安装方式0对应默认的本体坐标系d，安装方式1本体坐标系为X_b指右，Y_b指后，Z_b指下，则安装方式1对应的本体坐标系可由默认本体坐标系绕Z_d顺时针旋转90°得到；

坐标转换公式如下：

由此，我们可以得到与24种安装方式相对应的24种本体坐标系。

进一步的，所述地理坐标系和所述本体坐标系的坐标转换关系为：

从所述地理坐标系n到所述本体坐标系b的旋转关系矩阵从所述本体坐标系b到所述地理坐标系n的旋转关系矩阵所述矩阵是所述矩阵的转置和逆；

其中，所述矩阵与所述矩阵的关系表达公式为：

进一步的，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b均为满足右手定则或左手定则的三维坐标系，并且，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b原点均选为所述电子罗盘本体的重心位置。

进一步的，将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab，以欧拉角为例说明：

安装方式姿态Af对应的欧拉角为Ef列向量，置零姿态Az对应的欧拉角为Ez列向量，磁偏角d对应的欧拉角为Ed＝[d 0 0]^T，则最终姿态Ab对应的欧拉角Eb列向量可由以下公式得出：

Eb＝Ef–Ez+Ed。

进一步的，所述安装姿态Af包括欧拉角、四元数或方向余弦中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种实现电子罗盘全方位安装的装置，该装置包括：

用户校准求参模块，用于校准时采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

用户校准求值模块，用于测量时将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

坐标变换模块，用于根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

姿态求值模块，用于将所述安装方式数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

置零清零模块，用于将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

偏差处理模块，用于将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。

本发明的有益效果为：用户校准求参模块通过采样传感器数据并计算得到用户校准参数，传感器数据和用户校准参数经过用户校准求值模块得到校准数据，校准数据和安装方式经过坐标变换模块得到安装数据，安装数据经过姿态求值模块得到安装姿态；安装姿态经过置零清零模块得到置零姿态，安装姿态和置零姿态及和磁偏角经过偏差处理模块得到罗盘姿态，实现对电子罗盘的全方位安装，从而极大的利用了罗盘的使用空间，从而在保证电子罗盘精度的同时使得电子罗盘安装更加便捷，进而有效提高电子罗盘的安装效率，进而提升用户使用电子罗盘过程中的体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种实现电子罗盘全方位安装的方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种实现电子罗盘全方位安装的装置的示意图。

图中：

P、用户校准求参模块；D、用户校准求值模块；R、坐标变换模块；A、姿态求值模块；Z、置零清零模块；B、偏差处理模块。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种实现电子罗盘全方位安装的方法及装置。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的实现电子罗盘全方位安装的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，校准时，以默认的安装方式采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

步骤S102，测量时，将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

步骤S103，根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

步骤S104，将所述安装数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

步骤S105，置零时，将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

步骤S106，将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。

在一个实施例中，所述根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df还包括以下步骤：

分别定义地理坐标系和所述电子罗盘的默认本体坐标系；

根据用户选择的安装方式进行坐标转换得到对应于安装方式的本体坐标系。

在一个实施例中，所述地理坐标系为n，假设定义为北东地坐标系，满足右手定则；则所述默认本体坐标系d中，坐标轴X_d为所述电子罗盘的本体从中心指向前面，坐标轴Y_d为所述电子罗盘的本体从中心指向右面，坐标轴Z_d为所述电子罗盘的本体从中心指向下面；

其中，所述电子罗盘满足右手定则的本体坐标系b总共有24种，设定Z_b的方向，可以选择电子罗盘的前后左右上下六个方向，再设定X_b的方向，只能选择剩下的两个轴的四个方向，Z_b和X_b的方向选定了，则Y_b的方向也就确定了；

所述本体坐标系b，与24种安装方式一一对应，由默认本体坐标系d经过坐标转换得到；

举例说明，我们假设安装方式0对应默认的本体坐标系d，安装方式1本体坐标系为X_b指右，Y_b指后，Z_b指下，则安装方式1对应的本体坐标系可由默认本体坐标系绕Z_d顺时针旋转90°得到；

坐标转换公式如下：

由此，我们可以得到与24种安装方式相对应的24种本体坐标系。

在一个实施例中，所述地理坐标系和所述本体坐标系的坐标转换关系为：

从所述地理坐标系n到所述本体坐标系b的旋转关系矩阵从所述本体坐标系b到所述地理坐标系n的旋转关系矩阵所述矩阵是所述矩阵的转置和逆；

其中，所述矩阵与所述矩阵的关系表达公式为：

在一个实施例中，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b均为满足右手定则或左手定则的三维坐标系，并且，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b原点均选为所述电子罗盘本体的重心位置。

在一个实施例中，将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab，以欧拉角为例说明：

安装方式姿态Af对应的欧拉角为Ef列向量，置零姿态Az对应的欧拉角为Ez列向量，磁偏角d对应的欧拉角为Ed＝[d 0 0]^T，则最终姿态Ab对应的欧拉角Eb列向量可由以下公式得出：

Eb＝Ef–Ez+Ed。

在一个实施例中，所述安装姿态Af包括欧拉角、四元数或方向余弦中的至少一种。

如图2所示，根据本发明的实施例，还提供了一种实现电子罗盘全方位安装的装置。

该装置包括：

用户校准求参模块P，用于校准时采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

用户校准求值模块D，用于测量时将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

坐标变换模块R，用于根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

姿态求值模块A，用于将所述安装方式数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

置零清零模块Z，用于将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

偏差处理模块B，用于将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。工作原理：电子罗盘在具体安装时，根据三维坐标系的特点，只要确定了X轴和Y轴的方向，那么Z轴的方向也就确定了，把电子罗盘的前后，左右和上下作为本体坐标系的三个轴，由此我们可以很容易的知道电子罗盘的本体坐标系总共有24种(先确定X轴正向，有3个轴6个方向；再确定Y轴正向，有2个轴4个方向；X轴和Y轴确定，Z轴就确定了)。坐标变换模块R可以将用户安装方式决定的本体坐标系(24种中其中的一种)与地理坐标系对应起来。

用户安装不可避免的会出现误差，这时需要使用置零功能来记录安装误差。置零清零模块Z可以实现置零功能和清零功能。偏差处理模块B可以消除用户的安装误差，真正实现全方位的安装。

为了简化计算，我们可以使用一种本体坐标系作为默认的本体坐标系，传感器数据处理，工厂校准，用户校准都可以使用默认的本体坐标系，只是在要计算姿态前才将其转换为用户安装的本体坐标系。

电子罗盘总共只有24种本体坐标系，我们只要在坐标变换模块R中实现这24种转换，再加上置零功能，就可以实现一种全方位安装的电子罗盘。其中，传感器数据Dr为传感器(磁力计，加速度计，陀螺仪)的原始数据或者经过工厂校准后的数据。

该方法及装置可以扩展到IMU(惯性测量单元)及AHRS(航姿参考系统)上。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，用户校准求参模块P通过采样传感器数据Dr并计算得到用户校准参数Pc，传感器数据Dr和用户校准参数Pc经过用户校准求值模块D得到校准数据Dc，校准数据Dc和安装方式f经过坐标变换模块R得到安装数据Df，安装数据Df经过姿态求值模块A得到安装姿态Af；安装姿态Af经过置零清零模块Z得到置零姿态Az，安装姿态Af和置零姿态Az及和磁偏角d经过偏差处理模块B得到罗盘姿态Ab，实现对电子罗盘的全方位安装，从而极大的利用了罗盘的使用空间，从而在保证电子罗盘精度的同时使得电子罗盘安装更加便捷，进而有效提高电子罗盘的安装效率，进而提升用户使用电子罗盘过程中的体验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

校准时，以默认的安装方式采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

测量时，将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

将所述安装数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

置零时，将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。

2.根据权利要求1所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，所述根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df还包括以下步骤：

分别定义地理坐标系和所述电子罗盘的默认本体坐标系；

根据用户选择的安装方式进行坐标转换得到对应于安装方式的本体坐标系。

3.根据权利要求2所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，所述地理坐标系为n，定义为北东地坐标系，满足右手定则；则所述默认本体坐标系d中，坐标轴X_d为所述电子罗盘的本体从中心指向前面，坐标轴Y_d为所述电子罗盘的本体从中心指向右面，坐标轴Z_d为所述电子罗盘的本体从中心指向下面；

其中，所述电子罗盘满足右手定则的本体坐标系b总共有24种，设定Z_b的方向，可以选择电子罗盘的前后左右上下六个方向，再设定X_b的方向，只能选择剩下的两个轴的四个方向，Z_b和X_b的方向选定了，则Y_b的方向也就确定了；

所述本体坐标系b，与24种安装方式一一对应，由默认本体坐标系d经过坐标转换得到；

若安装方式0对应默认的本体坐标系d，安装方式1本体坐标系为X_b指右，Y_b指后，Z_b指下，则安装方式1对应的本体坐标系可由默认本体坐标系绕Z_d顺时针旋转90°得到；

坐标转换公式如下：

由此，我们可以得到与24种安装方式相对应的24种本体坐标系。

4.根据权利要求3所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，所述地理坐标系和所述本体坐标系的坐标转换关系为：

从所述地理坐标系n到所述本体坐标系b的旋转关系矩阵从所述本体坐标系b到所述地理坐标系n的旋转关系矩阵所述矩阵是所述矩阵的转置和逆；

其中，所述矩阵与所述矩阵的关系表达公式为：

5.根据权利要求4所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b均为满足右手定则或左手定则的三维坐标系，并且，所述地理坐标系n与所述本体坐标系b原点均选为所述电子罗盘本体的重心位置。

6.根据权利要求5所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab，以欧拉角为例说明：

安装方式姿态Af对应的欧拉角为Ef列向量，置零姿态Az对应的欧拉角为Ez列向量，磁偏角d对应的欧拉角为Ed＝[d 0 0]^T，则最终姿态Ab对应的欧拉角Eb列向量可由以下公式得出：

Eb＝Ef–Ez+Ed。

7.根据权利要求6所述的实现电子罗盘全方位安装的方法，其特征在于，所述安装姿态Af包括欧拉角、四元数或方向余弦中的至少一种。

8.一种实现电子罗盘全方位安装的装置，其特征在于，该装置包括：

用户校准求参模块，用于校准时采集传感器数据Dr并计算传感器的用户校准参数Pc；

用户校准求值模块，用于测量时将所述传感器数据Dr和所述用户校准参数Pc通过预先配置的算法计算校准数据Dc；

坐标变换模块，用于根据用户选择的安装方式f和所述校准数据Dc进行坐标系转换得出安装方式数据Df；

姿态求值模块，用于将所述安装方式数据Df通过预先配置的算法计算输出所述电子罗盘的安装方式姿态Af；

置零清零模块，用于将所述安装方式姿态Af通过预先配置的置零清零规则得到用户安装误差所对应的电子罗盘的置零姿态Az；

偏差处理模块，用于将所述安装方式姿态Af与所述置零姿态Az及磁偏角d通过预设方法去除用户的安装误差和磁偏角d的偏差得到罗盘的最终姿态Ab。