CN110579620A - 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统 - Google Patents

一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110579620A
CN110579620A CN201911024265.4A CN201911024265A CN110579620A CN 110579620 A CN110579620 A CN 110579620A CN 201911024265 A CN201911024265 A CN 201911024265A CN 110579620 A CN110579620 A CN 110579620A
Authority
CN
China
Prior art keywords
data
module
magnetometer
angular velocity
processing
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.)
Pending
Application number
CN201911024265.4A
Other languages
English (en)
Inventor
贾臻
孙华苗
闵家麒
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.)
SHENZHEN AEROSPACE DONGFANGHONG DEVELOPMENT CO LTD
Original Assignee
SHENZHEN AEROSPACE DONGFANGHONG DEVELOPMENT CO LTD
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 SHENZHEN AEROSPACE DONGFANGHONG DEVELOPMENT CO LTD filed Critical SHENZHEN AEROSPACE DONGFANGHONG DEVELOPMENT CO LTD
Priority to CN201911024265.4A priority Critical patent/CN110579620A/zh
Publication of CN110579620A publication Critical patent/CN110579620A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/64—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P3/66—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance using electric or magnetic means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统，该方法包括：步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。本发明的有益效果是：本发明通过磁强计测量角速度，扩大了磁强计的使用范围，磁强计价格低廉，完成多种功能，既可以进行磁场大小，方向的判断，同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。

Description

一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统
技术领域
本发明涉及微小卫星领域，尤其涉及一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统。
背景技术
微小卫星在轨运行过程中，磁强计主要用于测量磁场，配合磁力矩器完成降低卫星自转角速度、消除动量轮过多的角动量等功能。
当前磁强计的使用，主要是使用其测量磁场大小，结合测量得出的矢量方向与已知磁场方向进行比对，确定姿态角度，使用用途受到严重制约。
发明内容
本发明提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法，包括依次执行如下步骤：
步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；
步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；
步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，所述设定阈值为1500nT。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，对步骤1的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
本发明还提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的系统，包括：
采集模块：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
数据处理模块：对采集模块的采集数据进行处理，计算数据的模值；
判断模块：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则运行解算模块，否则测试时间累加一个周期，然后运行采集模块；
解算模块：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
作为本发明的进一步改进，在所述判断模块中，所述设定阈值为1500nT。
作为本发明的进一步改进，在所述数据处理模块中，对采集模块的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
作为本发明的进一步改进，在所述数据处理模块中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
作为本发明的进一步改进，在所述解算模块中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
本发明的有益效果是：本发明通过磁强计测量角速度，扩大了磁强计的使用范围，磁强计价格低廉，完成多种功能，既可以进行磁场大小，方向的判断，同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。
附图说明
图1是矢量旋转关系图；
图2是角度偏差图；
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
既然磁强计可以测量角度，那么更进一步，利用短时间相邻两次的数据，对转动角度进行估计，可以扩大磁强计的使用用途，使得其具有陀螺的功能。
本发明主要使用单轴磁强计算进行平面转动角速度测量。选择的磁强计采集磁场强度范围一般-85000nT～85000nT。结合工程实践经验，经过校准的磁强计，采集偏差会在1500nT以内。选择平面二维模型，不选择三维模型的主要原因在于三维欧拉角耦合严重，矩阵辨识误差累计，通过二维模型也可以间接得到三维欧拉角，通过三个正交单轴磁强计两两计算来实现。
假设1：磁强计数据采样时间＜＜被测物体测试过程经历的时间Δt。
假设2：测试过程中，磁强计保持水平位置旋转或者静止不变。或者采集周期、测试角速度的时间＜＜被测物体移动或者转动速度。
在地面固定位置，分别进行两次磁场采集，第一次采样N个数据，将数据中野值剔除，然后进行均值处理或者卡尔曼滤波后得到有效数据xa，ya。经过Δt，转动θ角度，在此过程中采样N个数据，将数据中野值剔除，然后进行均值处理或者卡尔曼滤波后得到有效数据xb、yb。分别计算两次测量得到的模值，即有以下结论：
磁强计采集到的有效数据第一次为xa、ya，第二次为xb、yb，且均满足x,y∈[-85000,85000]。
图1为矢量旋转关系图。
采集数据之间存在以下转动关系：
其中，k11＝cosθ、k12＝-sinθ、k21＝sinθ、k22＝cosθ；θ为磁强计每次采集之间角度的变化量。
角速度则为ω＝θ/Δt。
Δt为两次采样经历的时间。
理论上，求解得到的θ是一个确定值，但是通过参数估计算法得到的矩阵，一般会得到4个θ值。例如，计算矩阵采用广义逆的求解方法，可以直接解出转角θ1,θ2,θ3,θ4，求解到的四个角速度，两两偏差在0.04度以内即为有效，否则重新采集。
地磁场水平面内最大磁场大概38000nT左右，而磁强计的采集最大偏差1500nT，对角度造成的偏差估计值为1500/38000＝0.039度，角度偏差如图2所示。
如图3所示，本发明公开了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法，包括依次执行如下步骤：
步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；
步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值1500nT，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；
步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
在所述步骤2中，对步骤1的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
在所述步骤2中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
在所述步骤4中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
对模值的判断是基于外界干扰的识别，如果磁强计没有转动，此时周围有大功率用电设备临时工作，造成磁场突然改变，是不能得到有效角速度的，这里需要说明的是，周围用电设备长期稳定运行，且不造成磁强计输出饱和的情况下，对测量角速度是没有影响的。阈值1500nT的设计是基于磁强计本身测量偏差的波动最大情况设计的，具体数值以磁强计自身精度来设计。
本发明还公开了一种通过磁强计对角速度进行测量的系统，包括：
采集模块：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
数据处理模块：对采集模块的采集数据进行处理，计算数据的模值；
判断模块：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则运行解算模块，否则测试时间累加一个周期，然后运行采集模块；
解算模块：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
在所述判断模块中，所述设定阈值为1500nT。
在所述数据处理模块中，对采集模块的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
在所述数据处理模块中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
在所述解算模块中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
本发明通过磁强计测量角速度，扩大了磁强计的使用范围，磁强计价格低廉，完成多种功能，既可以进行磁场大小，方向的判断，同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。
本发明的方法测量仅考虑两次测量的相对变化量，对安装误差，加工精度都没有要求，同时对周围磁环境没有特殊要求，稳定就可以满足，扩大了使用对象。
如果有高速采集设备，后续可以进一步计算加速度，同时在处理数据中的干扰，可以考虑智能优化算法，保证数据精度，在此基础上，也可以将该方法应用于移动或者转动物体。同时可以进行三维欧拉角的角速度计算，但是需要进行解耦，以及解决三轴一体磁强计自身输出轴存在耦合的问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种通过磁强计对角速度进行测量的方法，其特征在于，包括依次执行如下步骤：
步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；
步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；
步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述设定阈值为1500nT。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，对步骤1的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
6.一种通过磁强计对角速度进行测量的系统，其特征在于，包括：
采集模块：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；
数据处理模块：对采集模块的采集数据进行处理，计算数据的模值；
判断模块：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则运行解算模块，否则测试时间累加一个周期，然后运行采集模块；
解算模块：对相邻两次有效数据进行角速度解算。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述判断模块中，所述设定阈值为1500nT。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述数据处理模块中，对采集模块的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述数据处理模块中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。
10.根据权利要求6至9任一项所述的系统，其特征在于，在所述解算模块中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。
CN201911024265.4A 2019-10-25 2019-10-25 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统 Pending CN110579620A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911024265.4A CN110579620A (zh) 2019-10-25 2019-10-25 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911024265.4A CN110579620A (zh) 2019-10-25 2019-10-25 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110579620A true CN110579620A (zh) 2019-12-17

Family

ID=68815382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911024265.4A Pending CN110579620A (zh) 2019-10-25 2019-10-25 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110579620A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110967144A (zh) * 2019-12-18 2020-04-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种磁力矩器标定装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090058803A1 (en) * 2007-08-23 2009-03-05 Stmicroelectronics S.R.L. Pointing and control device and method for a computer system
CN105865492A (zh) * 2016-05-31 2016-08-17 清华大学 两轴磁强计在线误差补偿方法及系统
US9939273B2 (en) * 2016-05-20 2018-04-10 Site Sensing Inc. Attitude estimating device, attitude estimating method, and storage medium
KR20180070266A (ko) * 2016-12-16 2018-06-26 주식회사 한화 탄 자세추정 장치 및 방법
CN110030992A (zh) * 2019-04-04 2019-07-19 湖南国科赢纳科技有限公司 一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法
US10409283B2 (en) * 2017-03-31 2019-09-10 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Vehicle motion control system and method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090058803A1 (en) * 2007-08-23 2009-03-05 Stmicroelectronics S.R.L. Pointing and control device and method for a computer system
US9939273B2 (en) * 2016-05-20 2018-04-10 Site Sensing Inc. Attitude estimating device, attitude estimating method, and storage medium
CN105865492A (zh) * 2016-05-31 2016-08-17 清华大学 两轴磁强计在线误差补偿方法及系统
KR20180070266A (ko) * 2016-12-16 2018-06-26 주식회사 한화 탄 자세추정 장치 및 방법
US10409283B2 (en) * 2017-03-31 2019-09-10 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Vehicle motion control system and method
CN110030992A (zh) * 2019-04-04 2019-07-19 湖南国科赢纳科技有限公司 一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOHANNAD YOMN ELSAYED: "Surface Micromachined Combined Magnetometer/Accelerometer for Above-IC Integration", 《JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS》 *
S. V. LOZANOVA: "2D Silicon Magnetometer", 《PROCEDIA ENGINEERING》 *
陶浪舟 等: "基于磁传感器组合的运动物体姿态解算", 《传感器与微系统》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110967144A (zh) * 2019-12-18 2020-04-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种磁力矩器标定装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Fast complementary filter for attitude estimation using low-cost MARG sensors
Wu et al. Fast linear quaternion attitude estimator using vector observations
CN108592950B (zh) 一种单目相机和惯性测量单元相对安装角标定方法
CN106597017B (zh) 一种基于扩展卡尔曼滤波的无人机角加速度估计方法及装置
CN101726295B (zh) 考虑加速度补偿和基于无迹卡尔曼滤波的惯性位姿跟踪方法
CN106979780B (zh) 一种无人车实时姿态测量方法
CN108036785A (zh) 一种基于直接法与惯导融合的飞行器位姿估计方法
CN109084806B (zh) 标量域mems惯性系统标定方法
CN109682377A (zh) 一种基于动态步长梯度下降的姿态估计方法
CN110702113B (zh) 基于mems传感器的捷联惯导系统数据预处理和姿态解算的方法
CN106709222B (zh) 基于单目视觉的imu漂移补偿方法
Hoang et al. Yaw/Heading optimization by drift elimination on MEMS gyroscope
US10731983B2 (en) Magnetic field compensation method, associated device and computer program
CN103644910A (zh) 基于分段rts平滑算法的个人自主导航系统定位方法
CN109870273A (zh) 基于动量守恒的航天器在轨质心辨识方法
CN106017452A (zh) 双陀螺抗扰动寻北方法
US20170074689A1 (en) Sensor Fusion Method for Determining Orientation of an Object
CN112461224A (zh) 一种基于已知姿态角的磁力计标定方法
Hoang et al. Pre-processing technique for compass-less madgwick in heading estimation for industry 4.0
CN106595669B (zh) 一种旋转体姿态解算方法
CN103123487B (zh) 一种航天器姿态确定方法
Xu et al. A robust incremental-quaternion-based angle and axis estimation algorithm of a single-axis rotation using MARG sensors
Wu et al. Simultaneous hand–eye/robot–world/camera–IMU calibration
CN110579620A (zh) 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统
Cui et al. Calibration of MEMS accelerometer using kaiser filter and the ellipsoid fitting method

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
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191217

RJ01 Rejection of invention patent application after publication