CN110954081A

CN110954081A - 一种磁罗盘快速校准装置及方法

Info

Publication number: CN110954081A
Application number: CN201911360695.3A
Authority: CN
Inventors: 伍东凌; 吕冰; 孟诚; 邓超凡; 姜浩
Original assignee: 710th Research Institute of CSIC
Current assignee: 710th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-04-03

Abstract

本发明公开了一种磁罗盘快速校准装置及方法，包括安装壳体及修正模块；安装壳体为多面体结构，包含至少十二个面，内部用于安装磁罗盘；磁罗盘采集各个姿态下三轴磁场数据和三轴加速度数据，传递给修正模块；修正模块建立关于三轴磁传感器校准前、后三轴磁场数据之间的误差模型，利用所述各个姿态下三轴磁场数据求解误差模型，将校准前的三轴磁场数据代入误差模型后得到磁罗盘校准后的三轴磁场数据，结合三轴加速度数据求解后输出校准后的磁罗盘姿态角。本发明校准方法简单，校准效率高。

Description

一种磁罗盘快速校准装置及方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及一种磁罗盘快速校准装置及方法。

背景技术

在导航领域中，磁罗盘由于其自身特有的捷联特性和体积、精度等方面的优势在飞机、舰船、水下无人航行器、单兵领域等方面得到广泛应用。磁罗盘出厂时，必须对自身存在的灵敏度、零偏、三轴非正交度等误差进行校准，经校准后，方位角、俯仰角、横滚角精度达到规定的技术指标要求后才能交付用户使用。在出厂校准过程中，传统方法需要用到三轴磁场线圈系统、高精度无磁转台等复杂精密设备，传统校准方法操作复杂，校准效率较低，因此，需要设计一种磁罗盘快速校准方法及装置，用于提高磁罗盘出厂校准效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁罗盘快速校准装置及方法，校准方法简单，校准效率高。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种磁罗盘快速校准装置，所述校准装置包括安装壳体及修正模块；

所述安装壳体为多面体结构，包含至少十二个面，内部用于安装磁罗盘；磁罗盘采集各个姿态下三轴磁场数据和三轴加速度数据，传递给修正模块；修正模块建立关于三轴磁传感器校准前、后三轴磁场数据之间的误差模型，利用所述各个姿态下三轴磁场数据求解误差模型，将校准前的三轴磁场数据代入误差模型后得到磁罗盘校准后的三轴磁场数据，结合三轴加速度数据求解后输出校准后的磁罗盘姿态角。

进一步地，所述安装壳体为正多面体。

进一步地，所述安装壳体外表面依次标注数字编号，按数字编号顺序依次摆放磁罗盘。

进一步地，所述误差模型的求解方法如下：

将误差模型取二范数整理作为卡尔曼滤波器的量测方程，将误差模型中的三轴磁传感器误差参数作为卡尔曼滤波器的状态向量，将单位矩阵作为卡尔曼滤波器的状态转移矩阵，以此建立卡尔曼滤波器方程，利用十二种以上不同姿态下的三轴磁场数据求解卡尔曼滤波器方程，解算得到状态向量的估计值即三轴磁传感器误差参数，由此得到误差模型。

一种磁罗盘快速校准方法，校准方法步骤如下：

步骤一，采用上述的校准装置，将磁罗盘固定安装在校准装置内，改变校准装置摆放位置，得到磁罗盘不同的姿态，采集十二种以上不同姿态下的磁罗盘三轴磁场数据；

步骤二，建立关于三轴磁传感器校准前、后三轴磁场数据之间的误差模型，利用所述三轴磁场数据求解误差模型中的三轴磁传感器误差参数，得到误差模型；

步骤三，重新采集磁罗盘三轴磁场数据和三轴加速度数据，将重新采集的磁罗盘三轴磁场数据代入误差模型后得到校准后的三轴磁场数据，结合三轴加速度数据求解得到磁罗盘的俯仰角、横滚角及方位角，由此输出校准后的磁罗盘姿态角。

进一步地，所述方位角的求解方法为：将校准后的三轴磁场数据转化为水平坐标系下X、Y轴方向的磁场数据；然后将所述水平坐标系下X、Y轴方向的磁场数据代入磁方位角计算公式中求解出磁罗盘方位角。

进一步地，所述步骤二中的误差模型是利用泊松模型建立的。

进一步地，所述步骤二中三轴磁传感器误差参数的求解方法具体为：

将误差模型取二范数整理作为卡尔曼滤波器的量测方程，将误差模型中的三轴磁传感器误差参数作为卡尔曼滤波器的状态向量，将单位矩阵作为卡尔曼滤波器的状态转移矩阵，以此建立卡尔曼滤波器方程，利用十二种以上不同姿态下的三轴磁场数据求解卡尔曼滤波器方程，解算得到状态向量的估计值即三轴磁传感器误差参数。

进一步地，所述步骤三中俯仰角、横滚角的求解方法为：利用地理坐标系与载体坐标系之间的变换关系计算。

有益效果：

1、本发明的校准方法不借助复杂精密设备，利用修正模块结合采集的多组数据进行校准，操作简单，校准效率高。

2、本发明的校准装置结构简单，为磁罗盘校准提供所需要的多种姿态，方便易于实现。

3、本发明的校准装置为正多面体，使得各姿态所对应的面均匀分布，尽可能涵盖球面各个方向，采集数据的精度更高。

附图说明

图1为磁罗盘姿态角及坐标系定义示意图；

图2为磁罗盘校准装置结构示意图；

图3为磁罗盘方位角解算流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

磁罗盘由三轴磁传感器、三轴加速度传感器以及数据采集处理系统构成，三轴磁传感器用于测量三轴方向磁场数据，三轴加速度传感器用于测量三轴方向加速度数据。

本实施例提供了一种磁罗盘快速校准方法，地理坐标系是指当地北东地坐标系，与一般地理坐标系定义所不同的是，地理坐标系X轴指向磁北而不是真北，Y轴与X轴垂直指向东方，Z轴沿着水平面垂直方向向下。如图1所示，方位角测量范围为0°～360°，指向磁北时为0°，顺时针旋转为正；俯仰角测量范围为-90°～90°，水平时为0°，往上抬头为正，向下低头为负；横滚角测量范围为-180°～180°，水平时为0°，右倾为正，左倾为负；磁罗盘箭头方向为前向方向，对应三轴磁传感器X轴和三轴加速度传感器A轴，磁罗盘右向方向对应三轴磁传感器Y轴和三轴加速度传感器B轴，磁罗盘垂直向下方向对应三轴磁传感器Z轴和三轴加速度传感器C轴。

磁罗盘俯仰角β、横滚角γ的计算方法为：地球重力加速度在地理坐标系中的水平方向上没有投影分量，三轴加速度传感器只在C轴方向上的值不为零，为g。则有：

式中，

为磁罗盘载体坐标系下测得的三轴加速度值，

为地理坐标系到载体坐标系的坐标旋转矩阵，将(1)式展开可得：

通过对式(2)求解，可计算出俯仰角β、横滚角γ：

由于磁罗盘载体坐标系与地理坐标系是不重合的，而求解磁罗盘方位角，需要利用地理坐标系下X轴和Y轴方向的磁场数据进行计算，因此需要利用姿态旋转矩阵，将磁罗盘载体坐标系下三轴磁场数据变换到地理坐标系下，才能求解方位角α。

现有根据欧拉变换可得磁罗盘载体坐标系与地理坐标系间的坐标旋转矩阵表示为：

载体坐标系下测得的三轴磁场值分别为H_X、H_Y、H_Z，令式(5)中方位角α为0，利用坐标旋转矩阵

将H_X、H_Y、H_Z变换到地理坐标系下得到水平方向两轴磁场值分别为M_X、M_Y，对应的计算公式如公式(6)所示。

M_X＝H_Xcosβ+H_Ysinβsinγ+H_Zsinβcosγ

M_Y＝H_Ycosγ-H_Zsinγ (6)

得到地理坐标系下水平方向即水平坐标系下两轴磁场值M_X、M_Y后，利用磁方位角计算公式(7)可计算出磁罗盘方位角。

α＝arctan2(M_X,M_Y) (7)

从以上公式中可以看出，要计算出准确的磁罗盘方位角，必须采集得到磁罗盘载体坐标系下准确的三轴磁场值，由于磁传感器自身存在灵敏度、零偏等误差，同时三轴磁传感器装配过程中也存在一定的非正交度等误差，因此出厂校准时，必须将这些误差消除，才能保证磁罗盘的方位角、俯仰角、横滚角测量精度达到相应技术指标要求。

假设磁罗盘直接采集得到的三轴磁场数据(校准前数据)为mag_a＝[B_X B_Y B_Z]^T，校准后得到的三轴磁场数据为mag_b＝[H_X H_Y H_Z]^T，根据泊松模型构建误差模型如式(8)所示。

mag_b＝K(mag_a+Z) (8)

式中，K为三轴磁传感器灵敏度误差、非正交度误差构成的参数矩阵，Z为三轴磁传感器零偏误差构成的参数矩阵。

将式(8)取二范数整理可得式(9)，

在校准过程中，由于磁罗盘是在一定区域内摆放各种姿态采集数据，该区域地磁场||mag_b||为已知值，求解模型参数c₁～c₁₀通过卡尔曼滤波完成，c₁～c₁₀为三轴磁传感器误差参数，参数矩阵K、Z由三轴磁传感器误差参数c₁～c₁₀构成。

卡尔曼滤波器的状态向量为：

X＝[c₁ c₂ c₃ c₄ c₅ c₆ c₇ c₈ c₉ c₁₀]^T

将式(9)作为卡尔曼滤波器的量测方程，卡尔曼滤波器的状态转移矩阵为单位矩阵I。

建立卡尔曼滤波器系统状态方程XI与量测方程后，卡尔曼滤波器求解过程基本方程如式(10)所示。

式中，k为计算时输入数据的次数，Q_k-1为卡尔曼滤波器系统噪声序列的方差矩阵；R_k为量测噪声序列的方差矩阵；

和P_k-1为滤波器的状态估计初值，Φ_k,k-1为滤波器状态转移矩阵，

为滤波的状态一步预测，P_k/k-1为一步预测均方误差，K_k为卡尔曼滤波增益，

为滤波状态估计，P_k为状态估计误差，Z_k为状态量即||mag_b||，H_k为量测矩阵，

为量测方程。量测矩阵H_k由式(9)得到，量测方程

中包含c₁～c₁₀。

如图3所示，给定滤波器初值

和P₀，采集十二种以上不同姿态下的磁罗盘三轴磁场数据B_X、B_Y、B_Z并将该数据输入卡尔曼滤波器方程式(10)中，递推计算出k时刻的状态估计

得到的卡尔曼滤波器状态向量的估计值

即为需要求解的参数c₁～c₁₀。

得到参数c₁～c₁₀后，带入式(8)中得到校准三轴磁场数据所用的误差模型。

重新采集磁罗盘的三轴磁场数据和三轴加速度数据，将校准前的三轴磁场数据代入式(8)中得得到校准后的三轴磁场数据H_X、H_Y、H_Z，然后利用式(6)～(7)计算得到磁罗盘的方位角α；将三轴加速度数据代入式(3)、(4)求解得到磁罗盘的俯仰角β、横滚角γ，由此输出校准后的磁罗盘姿态角俯仰角β、横滚角γ以及方位角α。

计算得到的参数c₁～c₁₀的准确性取决于卡尔曼滤波器量测输入数据是否能够均匀稳定的分布在空间内。理论上讲，为了得到较为准确的参数，最少需要10组量测输入数据，并且量测输入数据越多，解算的参数c₁～c₁₀越精确，但在实际校准过程中，量测输入数据量越大，解算效率越低，并且会增加采集数据的工作量。一般采集12～32组数据即可精确的解算出模型参数。

为便于在出厂校准过程中高效均匀的采集磁罗盘不同姿态下的数据，采用了一种校准装置，校准装置包括安装壳体及修正模块；修正模块内包含上述磁罗盘校准及姿态角解算方法，将校准前的三轴磁场数据代入误差模型后得到磁罗盘校准后的三轴磁场数据，结合三轴加速度数据求解后输出校准后的磁罗盘姿态角，无需借助其他精密仪器。

安装壳体为多面体结构，包含至少十二个面，内部用于安装磁罗盘，每一个面对应磁罗盘的一种姿态，采集各个姿态下三轴磁场数据和三轴加速度数据，用于后续校准运算。如附图2所示，本实施例中安装壳体为正多面体，至少为正12面体，也可为正16面体、正18面体，安装壳体外表面依次标注数字编号，在一个磁场环境均匀稳定的区域，将安装壳体各个面依次摆放，该安装壳体上标注的编号仅仅是为了便于快速完成校准工作，实际采集过程中，可按任意顺序采集数据，同样可以完成校准工作。

使用时，将磁罗盘安装在多面体安装壳体内，多面体各个表面依次标注了编号，只需按编号顺序依次摆放，采集磁罗盘在这些姿态下输出的磁罗盘三轴磁场数据，为磁罗盘校准提供所需参数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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

1.一种磁罗盘快速校准装置，其特征在于，所述校准装置包括安装壳体及修正模块；

2.如权利要求1所述的磁罗盘快速校准装置，其特征在于，所述安装壳体为正多面体。

3.如权利要求1所述的磁罗盘快速校准装置，其特征在于，所述安装壳体外表面依次标注数字编号，按数字编号顺序依次摆放磁罗盘。

4.如权利要求1所述的磁罗盘快速校准装置，其特征在于，所述误差模型的求解方法如下：

5.一种磁罗盘快速校准方法，其特征在于，校准方法步骤如下：

步骤一，采用如权利要求1所述的校准装置，将磁罗盘固定安装在校准装置内，改变校准装置摆放位置，得到磁罗盘不同的姿态，采集十二种以上不同姿态下的磁罗盘三轴磁场数据；

6.如权利要求5所述的磁罗盘快速校准方法，其特征在于，所述方位角的求解方法为：将校准后的三轴磁场数据转化为水平坐标系下X、Y轴方向的磁场数据；然后将所述水平坐标系下X、Y轴方向的磁场数据代入磁方位角计算公式中求解出磁罗盘方位角。

7.如权利要求5所述的磁罗盘快速校准方法，其特征在于，所述步骤二中的误差模型是利用泊松模型建立的。

8.如权利要求5所述的磁罗盘快速校准方法，其特征在于，所述步骤二中三轴磁传感器误差参数的求解方法具体为：

9.如权利要求5所述的磁罗盘快速校准方法，其特征在于，所述步骤三中俯仰角、横滚角的求解方法为：利用地理坐标系与载体坐标系之间的变换关系计算。