CN109798884B - 一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，包括以下步骤：S1：建立X‑Y‑Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面；S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X‑Y‑Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；S4：在XOY平面内进行动态实时校准；S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准。本发明计算简捷，易于实现，能广泛应用于多旋翼无人机磁力计的动态实时校准。
Description
技术领域
本发明涉及无人机动态校准领域，更具体地，涉及一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法。
背景技术
随着多旋翼无人机的广泛应用，机载小型惯性导航系统逐渐成为人们的研究热点。惯性导航系统是无人机飞控获取自身姿态信息的主要来源和稳定飞行的保障，它由三轴陀螺仪、加速度计和磁力计构成，组成了一个高效的模块应用于消费级、行业等领域各类无人机。陀螺仪和加速度计又被称为惯性传感器，陀螺仪能测量载体在惯性坐标系下的角速度，积分求出角位移；加速度计测量和计算出载体在三个轴向的非重力加速度。磁力计是指各种用来测量磁场强度和方向，定位设备方位的模块，也称磁力仪或高斯计。磁力计在多旋翼无人机的惯性导航系统中提供绝对偏航信息，其精度决定了飞控姿态解算的精度，对无人机的飞行极其重要。地球磁场的强度约为0.5-0.6高斯，多旋翼无人机在飞行中其机载磁力计的测量精度会受到板载电路电磁特性、电机和空间环境磁场的干扰，导致飞控接收到错误的航向信息。
通常磁力计校准方法均是采用静态校准。即将磁力计绕空间旋转，板载电路电磁特性干扰可以通过该方法进行修正校准。在无人机飞行过程中，静态校准之后的磁力计数据会随时间积累产生偏移，同时电机和随机出现的环境磁场也将对磁力计产生干扰，目前还没有方法可以对上述偏差进行校准修正，多旋翼无人机在空中飞行时的磁力计校准问题存在严重缺陷。
当有外部磁场干扰时，磁力计测量数据偏差较大，导致测量精确度下降。对于磁力计的校准问题有一些学者进行了研究。有学者针对三轴磁力计校正模型系数之间存在的相关性，提出的基于遗传算法三轴磁力计校正系数求解，很好地解决了磁力计校正系数之间的相关性问题，但该方法模型复杂、计算量大，实际效果不明确；有人提出的一种基于最小二乘的磁力计椭球拟合静态校准方法，解决了一类静态校准问题。有人针对其他设备的磁力计的校准问题，提出的“8”字旋转方式的动态校准方法，但是该方法对空中的机载磁力计的校准难以实现。在已有的研究中，校准主要集中在静态校准，同时，无人机在空中稳定飞行过程中不可能实现空间各角度360°旋转，部分动态校准方法的研究多在实际飞行过程中很难实现，无法应用在动态校准中。
发明内容
本发明提供一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，实现无人机飞行过程中磁力计动态实时校准。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，由多旋翼无人机中的飞控处理器完成校准过程，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立X-Y-Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；
S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面；
S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X-Y-Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；
S4：在XOY平面内进行动态实时校准；
S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准。
由于无人机在空中稳定飞行过程中机体会出现小角度的偏转，磁力计实时生成磁场数据点，根据此时的磁场数据点重新设计磁力计校准的方法，将数据点映射于坐标系的三个平面，分别进行动态实时校准，实现无人机飞行过程中磁力计动态实时校准。
优选地，步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准，圆心迭代法因其稳定性好，精确度高，将其用于校准XOY平面。
优选地，步骤S5中XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态实时校准，由于无人机自身的震动，会在XOZ平面和YOZ平面造成干扰，而最小二乘法的抗干扰能力强，因此利用最小二乘法来校准XOZ平面和YOZ平面。
优选地，步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准，包括以下步骤：
S4.1：磁力计实时生成的其中两点磁场数据点在XOY平面的映射点为B1、B2，C1为所有的磁场数据点拟合成一个椭球表面后形成的椭球中心点在XOY平面的映射点，E为B1B2中点，利用B1、B2、原点O，计算向量
S4.2：将磁力计生成的每个磁场数据点加上
此时，C1经校准后为C2：
S4.3：重复S4.1和S4.2，依次得到C3、C4、C5…，逐次接近原点O直至与原点O重合，实现XOY平面磁力计的动态实时校准。
XOY平面与地面水平，经过一次校准之后，球心坐标由移动到，再任取两点，重复进行上述过程，进一步更新迭代得到球心坐标，如此进行下去，飞控处理器便可利用该方法实时处理磁力计数据，球心将逐步与原点0重合，实现磁力计实时校准。
优选地，步骤S5中XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态校准，包括以下步骤：
S5.1：将磁力计实时生成的磁场数据点分别映射于XOZ平面和YOZ平面，XOZ平面和YOZ平面均使用以下步骤进行动态实时校准；
S5.2：对XOZ平面或YOZ平面上，由磁场数据点映射的到若干数据点，选取其中n个数据点D1到Dn，利用最小二乘法将D1到Dn拟合为一端圆弧并求取圆弧的圆心；
S5.3：选取下一组数据点减去所述圆心坐标，得到新的数据点，完成一次校准；
S5.4：利用新的数据点再次利用最小二乘法拟合圆弧求取圆心，完成下一次校准；
S5.5：对磁力计实时生成的磁场数据点不断重复步骤S5.2至步骤S5.4，完成动态实时校准。
优选地，磁力计采用LSM303DTR，所述的LSM303DTR包括一个三轴磁力计和一个三轴加速计。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
在XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准，实现稳定性好，精确度高的动态实时校准，在XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态校准，实现抗干扰能力强动态实时校准，同时，该方法计算简捷，易于实现，能广泛应用于多旋翼无人机磁力计的动态实时校准。
附图说明
图1为一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法流程图。
图2为利用圆心迭代法在XOY平面上动态实时校准示意图1。
图3为利用圆心迭代法在XOY平面上动态实时校准示意图2。
图4为利用最小二乘法在YOZ平面或XOZ平面上拟合示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，如图1，包括以下步骤：
S1：建立X-Y-Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；
S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面，磁力计采用LSM303DTR，所述的LSM303DTR包括一个三轴磁力计和一个三轴加速计；
S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X-Y-Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；
S4：在XOY平面内进行动态实时校准；
S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准。
步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准。
步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准，包括以下步骤：
S4.1：磁力计实时生成的其中两点磁场数据点在XOY平面的映射点为B1、B2，C1为所有的磁场数据点拟合成一个椭球表面后形成的椭球中心点在XOY平面的映射点，E为B1B2中点，利用B1、B2、原点O，计算向量
S4.2：将磁力计生成的每个磁场数据点加上
此时，C1经校准后为C2：
S4.3：重复S4.1和S4.2，依次得到C3、C4、C5…，如图2、图3，逐次接近原点O直至与原点O重合，实现XOY平面磁力计的动态实时校准。
步骤S5中XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态实时校准。
S5.1：将磁力计实时生成的磁场数据点分别映射于XOZ平面和YOZ平面，XOZ平面和YOZ平面均使用以下步骤进行动态实时校准；
S5.2：对XOZ平面或YOZ平面上，由磁场数据点映射的到若干数据点，选取其中n个数据点D1到Dn，利用最小二乘法将D1到Dn拟合为一端圆弧并求取圆弧的圆心，如图4；
S5.3：选取下一组数据点减去所述圆心坐标，得到新的数据点，完成一次校准；
S5.4：利用新的数据点再次利用最小二乘法拟合圆弧求取圆心，完成下一次校准；
S5.5：对磁力计实时生成的磁场数据点不断重复步骤S5.2至步骤S5.4，完成动态实时校准。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，由多旋翼无人机中的飞控处理器完成校准过程，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立X-Y-Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；
S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面；
S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X-Y-Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；
S4：在XOY平面内进行动态实时校准；
S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准；
步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准；
步骤S5中XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态实时校准；
步骤S4中XOY平面中采用圆心迭代法进行动态实时校准，包括以下步骤：
S4.1：磁力计实时生成的其中两点磁场数据点在XOY平面的映射点为B1、B2，C1为所有的磁场数据点拟合成一个椭球表面后形成的椭球中心点在XOY平面的映射点，E为B1B2中点，利用B1、B2、原点O，计算向量
S4.2：将磁力计生成的每个磁场数据点加上
此时，C1经校准后为C2：
S4.3：重复S4.1和S4.2，依次得到C3、C4、C5…，逐次接近原点O直至与原点O重合，实现XOY平面磁力计的动态实时校准；
步骤S5中XOZ平面和YOZ平面内均采用最小二乘法进行动态校准，包括以下步骤：
S5.1：将磁力计实时生成的磁场数据点分别映射于XOZ平面和YOZ平面，XOZ平面和YOZ平面均使用以下步骤进行动态实时校准；
S5.2：对XOZ平面或YOZ平面上，由磁场数据点映射得到若干数据点，选取其中n个数据点D1到Dn，利用最小二乘法将D1到Dn拟合为一段圆弧并求取圆弧的圆心；
S5.3：选取下一组数据点减去所述圆心坐标，得到新的数据点，完成一次校准；
S5.4：利用新的数据点再次利用最小二乘法拟合圆弧求取圆心，完成下一次校准；
S5.5：对磁力计实时生成的磁场数据点不断重复步骤S5.2至步骤S5.4，完成动态实时校准。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，所述的磁力计采用LSM303DTR，所述的LSM303DTR包括一个三轴磁力计和一个三轴加速计。
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