CN111149002A - 用于校准磁力计的方法 - Google Patents

用于校准磁力计的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111149002A
CN111149002A CN201880062290.9A CN201880062290A CN111149002A CN 111149002 A CN111149002 A CN 111149002A CN 201880062290 A CN201880062290 A CN 201880062290A CN 111149002 A CN111149002 A CN 111149002A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
magnetometer
orientation
trajectory information
measurement
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.)
Granted
Application number
CN201880062290.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111149002B (zh
Inventor
大卫·维西埃
查尔斯-伊凡·切斯诺
马蒂厄·希尔伊恩
昂德里克·迈耶
大卫·卡鲁索
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.)
Xi Sinawei
Sysnav SAS
Original Assignee
Xi Sinawei
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 Xi Sinawei filed Critical Xi Sinawei
Publication of CN111149002A publication Critical patent/CN111149002A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111149002B publication Critical patent/CN111149002B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • 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
    • G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses
    • 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
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V13/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices covered by groups G01V1/00 – G01V11/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于校准磁力计的方法，包括以下步骤：‑磁力计行进通过(S1)一组路径方位，‑由磁力计获取(S2)磁场的多个测量结果，‑提供(S3)表示固定到磁力的点的位置和取向的轨迹信息，‑将磁场的测量结果与轨迹信息进行匹配(S4)，‑通过使代价函数最小化来确定确定(S5)磁力计的校准参数，代价函数针对多个确定时间至少涉及：校准参数、磁场的测量结果、将磁场的变化与从轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化联系起来的关系。

Description

用于校准磁力计的方法
技术领域
本发明涉及磁力计的领域。更确切地说，涉及用于校准至少一个磁力计的方法。
背景技术
磁场是三维空间中的矢量场，就是说将三个维度的记为
Figure BDA0002424925240000011
的磁场矢量与空间中的每个位置相关联。在某一点处的磁场通过其范数和其取向来表征。
磁力计使得可以测量某一点处的磁场。磁力计可以是单轴磁力计，能够测量在某一方位中的磁场的分量，即磁场矢量
Figure BDA0002424925240000012
在所述磁力计沿其轴线的水平取向上的投影。磁力计还可以是三轴磁力计，能够测量沿其三个轴的磁场，其可以由三个单轴磁力计构成，该三个单轴磁力计刚性连接在一起并且沿不同轴线定向、通常基本正交。
然而，磁力计对磁场的测量是不完美的，使得磁场的测量结果偏离实际磁场。例如，硬铁效应(hard iron effect)可以由特定组件在强磁场处的剩磁而产生并且导致了测量偏差。比例因子也可以使测量结果失真。因此，由于磁力计的物理配置和磁力计的安装而引起的效应也可以影响测量结果。
因此可以例如以以下线性形式来表达三轴磁力计的测量：
Figure BDA0002424925240000013
其中，
Figure BDA0002424925240000014
是用磁力计对磁场的测量结果，
Figure BDA0002424925240000015
是实际磁场，D是被称为比例因子的矩阵，并且
Figure BDA0002424925240000016
是测量偏差。比例因子和测量偏差因此是相对于实际磁场污染了磁场测量结果的测量参数。可取的是估计这些参数以便能够在别处使用磁场的测量结果之前对其进行校正。磁力计的校准取决于确定这些参数并根据这些参数(例如通过反演测量模型的形式)来推导校正结果以使磁力计输出，以便经校正的测量结果最真实地反映实际磁场。
磁力计的精确校准尤其是要求高精度的应用所需要的。特别地，除加速度计以外，磁-惯性单元还可以包括：布置在不同位置处的多个磁力计的网络，其能够同时估计场和磁梯度以便使得可以在导航期间确定尤其是对速度矢量和位置矢量的估计。文献FR2914739B1和EP2541199因此公开了所谓的磁-惯性导航方法。这些测量结果的精度对于重建磁-惯性单元的运动的良好表现来说是至关重要的。
此外，此类磁-惯性单元的磁力计中的每个的相应位置和取向还可以构建影响测量结果的参数。校准还可以包括对这些参数的确定。
已经提出了用于校准磁力计的若干方法。这些方法中的一个在于使磁力计在磁场恒定且无干扰的空间(例如不受干扰的位置中的地球的磁场，诸如农田)中枢转。根据任意取向在恒定磁场中放置的具有仿射反应(affine response)的三轴磁力计见到了可利用椭圆识别的其原始测量(raw measurement)的空间。反向变化使得通过识别以几乎直接方式给出了校准参数的椭圆的参数来将这个原始测量空间退回到经球面校准的测量空间成为可能。
电气和电子工程师协会工业电子会刊，卷.62，no.6，2015年6月1日，3714-3723页，Zhi-Quiang Zhang的文章“wo step calibration methods for miniature inertial andmagnetic sensor units”由此描述一种方法用于校准磁力计，其利用假定为恒定且无干扰的地球的磁场M。
然而，该方法是复杂的，这是因为其需要随时间推移具有均匀且恒定的场(恒定范数)的位置。还必须将要校准的磁力计运送到外部，并且必须单独处理它们。此外，该方法如果使得可以有效地识别出磁传感器的固有参数(偏差，比例因子)，就不会识别出磁力计的网络的几何校准参数(磁力计的相对方位)。
另一方法在于将要校准的磁力计布置在以下所施加的磁场中，例如借助于当前受控Helmholtz线圈而生成的所施加的磁场，以便所生成的磁场是均匀的并且具有恒定范数。由于磁场在幅值和取向上都是已知的，所以其然后足以通过对磁力计输出与所施加磁场进行的比较来使磁力计的误差模型参数化。但是，该方法为了具有不受干扰的所施加的磁场而需要建立复杂的基础设施，该基础设施可能昂贵，笨重且麻烦。另外，还存在所生成的磁场的知识的准确性的问题，也需要对其校准。
专利申请US 2014/222409A1因此公开了一种用于在磁场映射的范围内校准磁力计的方法，包括以下模型，其针对由磁场发生器所施加的磁场感兴趣的体积中的多个不同位置和取向，将磁场值与磁力计的位置和取向进行联系。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地解决这些缺点，并且优选地，尤其旨在提出一种易于实施且精确的用于校准磁力计或磁力计网络的方法。通过利用将磁场的变化与磁力计的运动联系起来的关系使该方法成为可能。
为此，提出了一种用于校准磁力计的方法，包括以下步骤：
磁力计行进通过一组路径方位，所述方位由磁力计的位置和/或由磁力计的取向而彼此区分；
-当磁力计行进通过所述一组路径方位时，由磁力计在采集时间处采集磁场的多个测量结果；
-提供轨迹信息，其表示在行进时间处行进通过一组路径方位时，与磁力计连带的点的位置和取向，
-对于从采集时间和行进时间确定的多个确定时间中的每个确定时间，将磁场的测量结果与轨迹信息进行匹配，
-通过使代价函数最小化来确定磁力计的校准参数，代价函数针对多个确定时间至少涉及：所述校准参数、磁场的测量结果、以及将磁场的变化与从轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化联系起来的关系，将磁场的变化与磁力计的位置和取向的变化联系起来的关系局部地转换磁场的粒子导数的方程：
Figure BDA0002424925240000031
其中，
Figure BDA0002424925240000032
为磁场矢量；
Figure BDA0002424925240000033
为磁场梯度矢量；
Figure BDA0002424925240000034
为磁场的时间导数的矢量；
Figure BDA0002424925240000035
为速度矢量，表示位置的修改；并且Ω为旋转矩阵，表示取向的修改。
该方法因此提出：从关于磁力计的运动的信息中推导处磁力计的校准参数，其下一步使得可以精确测量磁场和潜在地测量磁场梯度。
有利地，可以单独地采用以下特征或以其任何在技术上可能的组合采用以下特征来完成该方法：
-代价函数包括误差项，其涉及从轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化；
-代价函数包含误差项，其涉及传感器测量结果，单独采用所述传感器测量结果使得可以获得轨迹信息，轨迹信息然后与校准参数同时确定；
-代价函数的最小化利用状态观察器来实施；
-代价函数基于在确定时间处对磁场的测量结果的理论估计与在所述确定时间处磁场的测量结果之间的比较，对磁场的理论估计考虑校准参数；
-对磁场的测量结果的理论估计根据以下关系来确定，其将磁场的变化与从轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化联系起来；
-确定磁场的测量结果的理论估计至少根据：
-在先前确定时间处磁场的测量结果，
-与磁力计连带的点在确定时间和先前确定时间之间的位置和取向的变化，其根据轨迹信息来确定，
-校准参数；
-该方法还包括：当磁力计行进通过所述一组路径方位时，在采集时间处采集磁场梯度的多个测量结果，并且磁场的理论估计还根据在先前确定时间处的磁场梯度的测量结果来确定；
-在确定时间处的磁场的测量结果的理论估计根据以下项来确定：
-参考点处的磁场强度，
-在所述参考点处的磁场梯度，以及
-与磁力计连带的点的位置和参考点的位置之间的差，
-与磁力计连带的点的取向和参考点处的取向之间的旋转，
参考点处的磁场强度和所述参考点处的磁场梯度通过最小化代价函数来确定；
-校准参数包括：
-影响磁场的测量结果的第一测磁偏差，和/或
-影响磁场梯度的测量结果的第二测磁偏差，和/或
-影响磁场的测量结果的幅值的比例参数，和/或
-磁力计的空间配置参数；
-匹配在于对以下中的至少一个集合进行插值：
-磁场和磁场梯度的测量结果的集合，
-轨迹信息的集合，
使得每个确定时间对应于磁场的至少一个测量结果和轨迹信息；
-轨迹信息通过使用成像器来提供，成像器在磁力计行进通过第一方位集时在每个行进时间处对磁力计的位置和取向进行找准；
-成像器与磁力计连带，并且固定的对象被布置在所述成像器的视野中，轨迹信息在磁力计行进通过该一组路径方位时从成像器所采集的图像中的对象的找准中导出；
-当磁力计行进通过所述一组路径方位时，机械位移设备将磁力计从第一方位集中的一个方位转移到另一个方位，轨迹信息从所述机械位移设备的方位测量结果或所述机械位移设备的方位设定点中导出；
-磁力计与惯性传感器连带，惯性传感器被配置为在各行进时间中的每个行进时间处确定加速度和角速度，并且轨迹信息从所述加速度和角速度中导出；
-磁力计被布置在磁-惯性单元中。
本发明还涉及自动化数据处理单元，其包括：处理器、存储器、和输入与输出界面，自动化数据处理单元被配置为实施根据本发明的方法，并且尤其被配置为：
-接收由行进通过一组路径方位的磁力计在采集时间处采集的磁场的多个测量结果，所述方位通过磁力计的空间位置和/或通过磁力计的取向而彼此区分，
-接收轨迹信息，其表示在行进时间处行进通过一组路径方位中的方位时与所述磁力计连带的点的位置和取向，
-针对根据采集时间和行进时间确定的多个确定时间中的每个确定时间，将磁场的测量和磁场梯度的测量结果与轨迹信息进行匹配，
-通过使代价函数最小化来确定磁力计的校准参数，代价函数针对多个确定时间至少涉及：所述校准参数、磁场的测量结果、以及将磁场的变化与从轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化联系起来的关系，其中将磁场的变化与磁力计的位置和取向的变化联系起来的关系局部地转换磁场的粒子导数的方程：
Figure BDA0002424925240000061
其中，
Figure BDA0002424925240000062
为磁场矢量；
Figure BDA0002424925240000063
为磁场梯度矢量；
Figure BDA0002424925240000064
为磁场的时间导数的矢量；
Figure BDA0002424925240000065
为速度矢量，表示位置的修改；并且Ω为旋转矩阵，表示取向的修改。
本发明还涉及计算机程序产品，其包括被记录在可由计算机读取的非易失性支撑件上的程序代码指令，用于在所述程序代码指令在计算机上执行时执行根据本发明所述的方法中的步骤。
附图说明
由于涉及作为非限制示例并且参考所附原理图说明的根据本发明的实施例和替代方案的以下说明，本发明将更好理解，在附图中：
-图1为示出了包括要校准的磁力计的设备的示例的图。
-图2为示出了用于实施根据本发明的可能实施例的校准方法的可能配置的图。
-图3为示出了根据本发明的可能实施例的校准方法中的步骤的示意图。
具体实施方式
方位(position)应理解为指位置和取向的组合，其使得可以完全描述对象的空间配置。在具有三个维度的空间的矢量书写中，用具有三个分量(在参考坐标系中的空间坐标)的矢量来定义位置，并且同样地用具有三个分量(相对于坐标参考系的旋转角)的矢量来定义取向。
“轨迹信息(trajectory information)”应理解为指以下数据，其表示在磁力计行进通过一组路径方位时与磁力计连带的点随时间推移的方位。与磁力计连带的点的方位特别地可以是被刚性附接至磁力计的固体。这些数据可以根据对应于每个行进路径方位的行进时间按时间顺序排列。这些数据可以例如是位置和取向或关于其时间的导数，诸如特别是速度或加速度、角速度或角加速度。
自动化数据处理单元诸如例如包括至少一个处理器和存储器的计算机被配置为实施该方法。自动化数据处理单元还被配置为至少接收来自磁力计的磁场的测量结果。优选地，自动化数据处理单元还被配置为接收磁场梯度的测量结果。
在本说明书中，要校准的磁力计为能够沿其三个轴来测量磁场的三轴磁力计。该磁力计可以形成连带地连接至相同传感器的磁力计的网络的部分，诸如例如在磁-惯性单元的情况下，在这种情况下磁力计的网络也使得可以在传感器的参考坐标系中测量磁场梯度。
如所示，图1示出了装配有磁-惯性单元1的磁力计2的网络的示例。这里磁力计2是三轴磁力计，其每个由沿基本彼此垂直的轴线而取向的三个单轴磁力计构成。磁-惯性单元1至少包括8个单轴磁力计，并且通常包括被组织到3个三轴磁力计2中的9个单轴磁力计，如图1中所示。磁力计2与磁-惯性单元1连带形成，即它们在地球参考系下具有基本一致的运动。磁-惯性单元1还包括惯性传感器，诸如加速度计和陀螺仪24，通常是以三轴式布置的3个加速度计和3个陀螺仪。磁-惯性单元1还包括：处理装置21(通常为处理器)、数据存储装置22、以及用于与外部设备进行通信的装置25。
在校准方法的范围内，磁力计2行进通过(步骤S1)一组路径方位，所述路径方位通过磁力计2的位置和/或通过磁力计2的取向而彼此区分开。与现有技术的方法不同，在磁力计2的行进所发生在的磁场上没有均匀性或恒定性约束。因此不必具有所施加的磁场或无干扰磁场。优选地，没有先验地定义一组路径方位，其来自在磁力计2的行进期间的磁力计2的位移。路径方位仅是磁力计2在其行进期间所采取的方位。
为了行进此路径，磁力计2可以仅通过操作者手动操作。还可以提供将磁力计2从一个路径方位移位到另一个路径方位的机械位移设备。例如，该机械位移设备可以是机器臂、传送带、或使得可以使磁力计2的位置和取向变化的任何其他器械。
在磁力计2的行进期间，其在采集时间处采集磁场的多个测量结果(步骤S2)。因此，针对每个采集时间，磁力计2采集磁场的测量结果
Figure BDA0002424925240000081
其取决于磁力计2的位置及其取向。可以对磁力计的测量结果进行滤波以补偿磁场的特定非平稳性。例如，电气装置的电流可以干扰磁场。在50Hz或60Hz下进行滤波(例如陷波滤波)使得可以限制这些干扰。类似地，如果由位置或方位测量系统所生成的磁场是已知的，则其可以从磁力计的测量结果中去除。
提供了表示在行进时间处行进时与磁力计2连带的点的位置和取向的轨迹信息(步骤S3)。不需要该轨迹信息反映磁力计2例如相对于磁场的参考坐标系(通常将会是地球参考系)的绝对位置或绝对取向。实际上，所提出的方法利用了磁场的变化和磁力计2的位置和取向的变化，而没有利用在磁力计2的轨迹的任意点处的磁场的知识。因此足以知道与磁力计2连带的点在行进过程中的位置和取向。
使用与磁力计连带的点而非磁力计2本身具有诸多优点。第一，与磁力计本身相比，通常比较容易精确地定位与磁力计2连带的点的位置和取向。例如，当使用对象和成像器时，将与磁力计2连带的成像器或对象及其位置和取向将被确定。其次，当多个磁力计2被组织到与彼此连带的网络中时，通常如磁-惯性单元1的情况，这使得可以能够实施对具有相同轨迹信息的网络中的所有磁力计2的校准。除了简单和不可忽视的时间节约以外，这还使得可以使各磁力计2彼此的校准保持一致。
可以以不同方式获得轨迹信息。轨迹信息可以通过使用以下成像器来提供，其在磁力计2行进通过路径方位时在每个行进时间处找准磁力计的位置和取向。
可以例如将成像器与磁力计2刚性固定，并且根据在磁力计2和成像器形成的组件的移位期间由成像器采集的图像的处理来确定轨迹信息。可以例如利用成像器的立体视觉、附加的深度相机或惯性传感器来实施同时定位和建图(以缩写SLAM更为人熟知)。特别地，在成像器被附接至合并磁力计2的磁-惯性单元1的情况下，可以使用成像器/加速度计/陀螺仪这三重、使用SLAM或视觉/惯性测距技术来确定轨迹信息。
还可以使用其位置已知的对象或参考点。例如，成像器可以与磁力计2和被布置在所述成像器视野中的固定的对象构成一体。然后轨迹信息可以从在磁力计2行进通过一组路径方位时由成像器采集的图像中的对象的找准中导出。最后，成像器可以被固定在环境中并且光学对象可以固定到系统(例如运动捕捉室)。
图2因此示出了在磁力计2从一个路径方位移动到另一个路径方位时使用对象的配置的示例。这里成像器10是与合并磁力计2的惯性单元连带的相机。对象11被固定在外部参考坐标系(通常为地球参考系)中并且布置在成像器11的视野12中。在该示例中，对象11包括多个规则分布的块13，其每个具有不同图案，以便每个块是可识别的。如有必要，则可以通过将对象放置在成像器前面的不同位置处和不同取向上来预先校准成像器10，以便获得以下一系列图像，其示出了在不同空间配置下的对象11。图像的处理在各图像的每个图像中检测对象11的特定点的投影方位。下一步(例如通过非线性优化方法)使用该检测到的位置以确定成像器10的固有参数，诸如焦距和畸变参数以及针对成像器的光学系统的投影/反向投影函数(de-projection)的表达式所需的光心的位置。此示例的对象11是平坦的对象，其具有易于产生的特点，这是因为其可以被简单印刷在纸张上。也可以在三个维度上使用对象11，这更难以产生但使得校准更容易并且更精确。
对象11被固定，操作者使由成像器10和磁力计1形成的组件移位，同时注意将对象11保持在成像器10的视野12中。可以随机进行或根据预定路径进行移位运动。成像器10在此移位期间采集图像。下一步在每个图像中检测对象11的方位。然后由计算机通过视觉算法针对每个图像来计算成像器10关于所固定的对象11的相对位置，以在与成像器10的拍摄时间对应的行进时间处确定被附接至对象11的参考坐标系中的成像器10的位置。成像器10与磁力计2连带，从而获得以下轨迹信息，其表示在沿着路径行进时与磁力计2连带的点的位置和取向。
显然也可以使用固定的成像器10和与磁力计2连带的对象11。还可以采用多个对象11以便使得运动更自由。如果对磁力计在图像中的位置和取向进行的找准可以从与磁力计2连带的组件的图像中直接完成，则其也可以在没有对象11的情况下进行。也可以提供运动捕捉配置，其中多个光学对象与磁力计2连带而布置。
其他方法也可以获得该轨迹信息。例如，在已经提及的情况下(其中机械位移设备将磁力计2从一个路径方位移位到另一个路径方位)，轨迹信息可以从所述机械位移设备的方位测量结果或方位设定点中导出。特别地，使用机器臂使得可以直接拥有关于机器臂在空间中的位置和机器臂末端的取向的数据，其是与机器臂所承载的磁力计2连带的点。
还可以采用光学无线电导航系统，例如具有与磁力计2连带的接收器，其接收多个站发射的波。接收器的方位在下一步通过以下三角测量法来确定，其将关于每个发射站的相对方位进行合并。因此，可以使用能够提供以下轨迹信息的任何方法，其表示在行进期间与磁力计2连带的点的位置和取向。还可以将多个方法进行组合。
在磁力计2被集成在磁-惯性单元1中的情况下，还可以将加速度计和陀螺仪的测量结果与轨迹信息进行比较，以能够校准加速度计和陀螺仪24，并且特别地，消除来自其的偏差。此外，还可以从加速度计和陀螺仪24的这些测量结果中获得轨迹信息。然后甚至可以通过将下文即将描述的代价函数中的不同偏差进行合并来同时校准磁力计2、加速度计和陀螺仪24。
校准方法是基于对在采集时刻获取、在行进时刻与轨迹信息同步的磁场的测量结果的利用。然而，这两种类型的数据来自不同的来源，并且采集时刻通常不与行进时刻对应。因此，在磁场测量结果与轨迹信息之间需要匹配(步骤S4)。该匹配目的在于将磁场测量结果和轨迹信息进行关联和同步，以便能够针对多个确定时刻中的每个确定时刻来获得可用的磁场的测量结果和轨迹信息，其表示在该确定时刻与磁力计2连带的点的位置和取向。
为此，匹配可以包括在以下当中插值至少一个集合或子集：
-磁场的测量结果和磁场梯度的集合，
-轨迹信息的集合。
例如，可能仅需要对轨迹信息进行插值，这是因为所述信息通常具有低于磁场测量结果的频率。实际上，磁力计2可以在200Hz的频率下容易地获取磁场的测量结果，而轨迹信息可能会更碎片化，特别是在使用成像器10时。然而，也有可能是相反的。应当指出的是，在采集时刻与行进时刻对应的情况下，匹配被限制于在同一时刻(这随后将成为确定时刻)将磁场测量结果和轨迹信息进行关联。
为了对集合进行插值，优选地使用时间样条，但是也可以采用其他方法，诸如例如对磁力计2行进的轨迹进行的离散表示。样条表示特别地使得可以强制轨迹的连续性。优选地，用于插值的样条至少可两次推导。例如，可以对与磁力计连带的点的位置和取向进行插值。样条表示也使得可以使用基于使标准的梯度最小化的方法来最优化不同参数，尤其包含时间同步参数。
例如，当惯性传感器与磁力计2连带时，如在磁-惯性单元1的情况下，则可以通过推导样条来校准这些传感器的加速度或旋转测量结果。实际上，在每个时间步长处的取向样条的导数必须符合陀螺仪的去偏转测量和一致性测量。类似地，在每个时间步长处的位置样条的二阶导数必须符合加速度计的去偏转测量和一致性测量以及符合所估计的重力值。
不同参数诸如惯性传感器的样条系数、惯性偏差、去同步化、和在对象的参考系中的重力的取向、成像器10与加速度计的冲击点之间的位置的差值都可以被优化，以最小化包括几何误差项、加速度误差项的多重判据(multicriteria)代价函数。这些误差项例如被表示为最小平方。当使用成像器10和目标11时，还可以在代价函数中考虑以下投影标准，其基于目标的特定点的理论投影与其在成像器10采集的图像中它们的位置之间的比较。
由于匹配，可以定义多个确定时间，对于其中的每个都具有可用的磁场测量结果和轨迹信息，其表示了在该轨迹时间处的与磁力计连带的点的位置和取向。因此，确定时间从采集时间和行进时间中确定，这是因为这些时间确定了磁场测量结果和轨迹信息的可用性，或潜在的其插值的可用性。类似地，针对每个确定时间还可以具有可用的磁梯度测量结果(如果该测量结果是可用的)。
优选地，确定时间选择得足够近，以防止磁力计2在两个连续的确定时间之间所占据的位置之间的磁场变化太大。特别地，当使用磁场梯度时，优选地，确定时间足够近以能够将磁场梯度视为磁力计在两个连续的确定时间之间所占据的位置之间是局部均匀的。例如，确定时间以小于或等于1s(优选地小于或等于10ms，并且更优选地小于或等于5ms)的持续时间间隔开。类似地，磁力计2优先地在足够的频率下获取测量结果以能够正确考虑磁力计的运动。优选的，磁力计2在大于100Hz(诸如例如200Hz)的频率下获取测量结果。然而，这两个首选项不是一直有用的。特别地，当方法使用积分公式时，也就是说如下文所描述的唯一地使用场的模型作为连接磁场变化与磁力计的位置和取向变化之间的关系，行进时间、采集时间或确定时间可以相距任意距离。
为了确定磁力计2的校准参数(步骤S5)，方法包括最小化代价函数，其针对多个确定时间至少涉及：至少所述校准参数、磁场的测量结果、以及将磁场变化与从轨迹信息中导出的磁力计2的位置和取向变化相连接的关系。
优选地，代价函数基于的是在确定时间处对磁场的理论估计和在所述确定时间处的磁场的测量结果之间的比较，其中该磁场的理论估计考虑了校准参数。通常，对磁场的理论估计根据将磁场变化与从轨迹信息中导出的磁力计2的位置和取向变化相联系的关系来确定，
对磁场的理论估计可以至少根据以下来确定：
-在先前确定时间处磁场的测量结果，
-从轨迹信息中确定的、与磁力计2连带的点在确定时间和先前确定时间之间的位置变化和取向变化，
-校准参数。
优选地，也可以根据在先前确定时间处的磁场梯度的测量结果来确定磁场的理论估计。
作为示例，将磁场的变化与从轨迹信息中导出的磁力计2的位置和取向的变化相连接的关系可以是以下磁场特定导数方程的局部转换：
Figure BDA0002424925240000121
其中
Figure BDA0002424925240000122
为磁场矢量，
Figure BDA0002424925240000123
为磁场梯度矢量；
Figure BDA0002424925240000124
为磁场时间导数的矢量；
Figure BDA0002424925240000125
为速度矢量，表示位置的修改；并且Ω为旋转矩阵，表示旋转速度，并且因此表示取向的修改。下文中，将省略在矢量顶部上的箭头符号，但是很显然：场、测量结果、位置、取向和偏差都是矢量。显然可以使用将磁场变化与磁力计的位置和取向变化进行连接的其他关系，诸如例如使用方程(1)的导数，形式为
Figure BDA0002424925240000131
其中
Figure BDA0002424925240000132
为磁场的n阶导数，并且fn和gn是预先确定的函数，如申请FR1756675中所公开的。
具体而言，该磁场粒子导数方程式通过以下公式在两个确定时间tk和tk+1之间积分：
Figure BDA0002424925240000133
其中，B(tk+1)为在确定时间tk+1处的磁场，在下文中被记为Bk+1；B(tk)为在先前确定时间tk处的磁场，在下文被记为Bk；
Figure BDA0002424925240000134
为在先前确定时间tk处的磁场梯度，在下文被记为
Figure BDA0002424925240000135
Figure BDA0002424925240000136
表示在确定时间tk+1处的磁力计2的取向，在下文中被记为
Figure BDA0002424925240000137
Figure BDA0002424925240000138
表示在先前的确定时间tk处的磁力计2的取向，在下文中被记为
Figure BDA0002424925240000139
Figure BDA00024249252400001310
表示在确定时间tk+1处的磁力计2的位置，在下文中记为
Figure BDA00024249252400001311
Figure BDA00024249252400001312
表示在先前的确定时间tk处的磁力计2的位置，在下文中记为
Figure BDA00024249252400001313
通过简化记法，方程(2)变为：
Figure BDA00024249252400001314
位置
Figure BDA00024249252400001315
和取向
Figure BDA00024249252400001316
从先前提供的轨迹信息中导出。它们可以直接对应于该轨迹信息，或者替代地从其通过计算(例如通过对其进行积分或通过对其进行求导)来获得。也可以将位置或定位与校准参数同时计算。从而，可以在相同的代价函数中将关于磁校准的误差项与关于其他测量结果(称为传感器测量结果)的误差项进行组合，这可以单独使能确定轨迹信息(例如在一个或多个图像或其他参考中的可视化对象或标志的投影)。在此情况下，位置的估计不是优化算法的中间结果而是优化算法的内变量，并且在“定位的计算”和“磁校准”之间没有区别，该算法通过最小化单一且唯一的代价函数来解决这两个问题。尤其在当轨迹信息可以从经最小化的代价函数推导出时的这种情况下，例如(在对象的前面，在SLAM期间，或在运动捕捉室中)一个/多个成像器上的物理点的重投影误差的情况下。该可能性可应用于全部实施例，并且可应用于全部轨迹信息，并且特别地，除了轨迹信息的位置和取向，还可以应用于其导数。
此外，可以将方程(3)改写为位置和取向的修改的函数。通过记
Figure BDA0002424925240000141
为关于在先前确定时间tk的确定时间tk+1所相对的取向，就是说在先前确定时间tk和确定时间tk+1之间的取向的变化，并且通过记
Figure BDA0002424925240000142
为由在先前确定时间tk处的磁力计的位置定义的参考坐标系中的在确定时间tk+1处的磁力计的位置，可以获得：
Figure BDA0002424925240000143
如果磁力计2的测量结果已正确校准，则该函数关系应通过磁力计2的测量结果进行局部验证。要校准的不同参数的存在因此导致产生磁场的测量结果与基于此关系的磁场的理论估计之间的偏差。通过寻求对应用此关系期间出现的偏差进行的最小化，可以确定校准参数的值。为此，构造要最小化的代价函数。针对多个确定时间，可以通过将要校准的(污染磁力计2对磁场的测量结果的)参数在其中进行合并来表达由方程(3)或方程(4)用公式标识的关系。
例如，为简化起见，如果着重于补偿由硬铁效应导致的磁偏置，则在确定时间tk处的磁场的测量结果和此处梯度可以被写为：
Bk＝Bmk-Bb (5)
Figure BDA0002424925240000144
其中Bmk为针对确定时间tk的磁场的测量结果，Bb为影响磁场的测量结果的测磁偏差，
Figure BDA0002424925240000145
为针对确定时间tk测量的磁场梯度，并且v2g(Hb)为影响磁场梯度的测量结果的测磁偏差。测磁偏差因此通过三维矢量Bb和五维矢量Hb而参数化，其中v2g为从矢量转换为梯度的函数，诸如：
Figure BDA0002424925240000146
通过在方程(3)中替换在(5)和(6)中表示的磁场Bk和磁场梯度
Figure BDA0002424925240000147
的表达式，基于对根据上述关系的利用推导的磁场的理论估计与至少一个磁场测量结果的比较，可以获得以下判据：
Figure BDA0002424925240000151
可以通过针对多个确定时间tk添加此判据的范数ρ来构建代价函数：
Figure BDA0002424925240000152
所使用的范数ρ例如可以是范数L2(分量的模的平方根)、或更鲁棒的范数L1(分量的模的和)，或者替代地在M-估计量中使用的任何其他鲁棒范数(例如Huber、Cauchy或Tukey)。分量的模的和可以不包含磁场的全部测量样本，选择样本的步骤可以在上游进行。
然后，关于偏差Bb和Hb(或v2g(Hb))使代价函数最小化可以通过任何计算方法，例如Newton、Gauss-Newton、Levenberg-Marquard类型的迭代算法等以便获得校准参数。由于应用范数的判据(8)在偏差参数中是线性的，因此最小化的决议是很有效的。然而，使用鲁棒范数需要在收敛前进行多次迭代。因此可以有利地使用Gauss-Newton类型的算法。除了基于梯度下降类型的代价函数的优化的方法之外，其他方法诸如例如利用状态观察器类型(Kalman滤波器、扩展Kalman滤波器、Luenberger观察器或其他)的工具也可以被用于使代价函数最小化。从而可以例如根据预测(8)构造扩展Kalman滤波器，其中误差的协方差矩阵表示要最小化的代价函数。
以上示例已经被简化到以下情况，其中仅要校准的参数是恒定测磁偏差。相同的方法也可以被用于确定其他校准参数，诸如测量的比例因子、或磁力计的空间配置参数，诸如例如磁力计关于与磁力计连带的点的取向定位(针对其提供了轨迹信息)。因此，该方法使得可以估计磁力计的网络的几何形状。也可以在磁力计2行进通过路径方位时使用代价函数的最小化来确定磁力计2在其中运动的磁场的参数化模型的参数。
如上所述，该方法可以有利地被用于同时校准多个磁力计2，特别是在磁力计2被集成在磁-惯性单元1中时。在以下示例中，多个磁力计2形成网络，并且要校准的参数旨在不仅补偿影响磁场测量结果的一个或多个测磁偏差，还补偿比例因子。假设根据以下方程以线性方式描述了网络中的磁力计2i的测量结果。
Bmi＝DiB+bi (10)
其中，B为实际磁场并且，Bmi为磁力计i的磁场测量结果(被偏差bi和可以作为对角线或全矩阵的比例因子Di污染)。然而，应该指出的是可以以类似方法来使用其他测磁参数。
回到由方程(1)表达的关系，其中，对网络中的参考磁力计2(索引0)周围的磁场进行一阶局部建模，定位于空间附近的磁力计集的方位dxi处的磁力计2i给出了由磁力计2i进行的磁场的测量结果Bmi：
Figure BDA0002424925240000161
其中B0是在参考磁力计2的方位处的磁场，并且
Figure BDA0002424925240000162
为在参考磁力计2的方位处的磁场梯度。
方程(11)可以在涉及矢量化梯度矩阵
Figure BDA0002424925240000163
的同时逐列地重写：
Figure BDA0002424925240000164
其中，
Figure BDA0002424925240000165
在这里表示对矩阵的Kronecker积。
针对n个三轴磁力计2的集合，测量结果和测磁偏差可以被级联：
Figure BDA0002424925240000166
Figure BDA0002424925240000167
然后可以记为：
Figure BDA0002424925240000168
Cmag的大小等于(n,12)。根据矩阵Cmag的秩，可能存在或不存在关于磁场和磁场梯度的非单值性(ambiguity)。因此，
Figure BDA0002424925240000169
与测量结果Bm之间的关系可以是可逆或不可逆的。如果矩阵的秩小于其行数，则可以通过考虑联系到Maxwell方程(梯度与零迹对称)的约束来减少第一阶场模型的参数的数量。
在这两个情况下将
Figure BDA0002424925240000171
记为线性关系，其验证：
Figure BDA0002424925240000172
其中
Figure BDA0002424925240000173
通过假设磁场整体稳定，可以在磁力计2的整个轨迹上写下将磁场的变化与所述磁力计2的位置和取向的变化联系起来的关系：
Figure BDA0002424925240000174
其中ω为磁力计的转速，并且v是磁力计的移位速度(位置的变化)。因此其包括方程(1)用公式表示的关系的重新表述。
在两个确定时间之间的参考磁力计2的磁场测量结果的变化被联系到从轨迹信息中导出的方位的差。归因于该轨迹信息，可以获得磁力计2的位置和取向的变化。实际上，网络中的磁力计彼此连带，并且轨迹信息表示与这些磁力计2连带的点的位置和取向。优选地，参考磁力计2的位置和取向根据轨迹信息来确定。
通过记
Figure BDA0002424925240000175
其是从在先前确定时间tk处的参考磁力计2的取向、和在确定时间tk+1处的相同参考磁力计2的取向得到的旋转矩阵(已知)，以及记
Figure BDA0002424925240000176
其是由在先前确定时间tk处的相同参考磁力计2形成的参考坐标系中的确定时间tk+1处的相同参考磁力计2的位置(已知)，根据在先前确定时间tk处的磁场和磁场梯度，写出在确定时间tk+1处对场的理论估计：
Figure BDA0002424925240000177
该理论估计可以被简化为参考磁力计2的测量结果(被要校准的参数所污染)的空间。经预测的测量结果
Figure BDA0002424925240000178
然后可以被表示为对偏差
Figure BDA0002424925240000179
和比例因子
Figure BDA00024249252400001710
的估计的函数、以及输入
Figure BDA00024249252400001711
的函数，其中
Figure BDA00024249252400001712
为在先前确定时间tk处参考磁力计2的磁场测量结果。
实际上，在先前确定时间tk处的磁场测量结果使得可以生成先前确定时间tk处的参考磁力计2的方位周围的磁场的局部模型：
Figure BDA0002424925240000181
该局部模型使得可以用公式表示对参考磁力计2的磁场的测量结果的理论估计。从磁场的理论估计到磁场的测量结果的理论估计的通道由应用校准参数的估计来完成，在这种情况下测磁偏差
Figure BDA0002424925240000182
的估计和比例因子
Figure BDA0002424925240000183
的估计为：
Figure BDA0002424925240000184
通过将(19)注入(20)，可以获得以下关系，其将确定时间tk+1处的测量结果的估计联系到在先前确定时间tk处的测量结果并且将其联系到每个磁力计2的模型的参数：
Figure BDA0002424925240000185
该关系使得可以构建以下预测：
Figure BDA0002424925240000186
然后可以根据测量空间中的残差来构建代价函数，其通过以下方式实现：
Figure BDA0002424925240000187
其中，和先前一样，ρ是范数，其可以是范数L2、范数L1或另一范数，并且
Figure BDA0002424925240000188
表示磁力计对磁场的测量结果，其被比例因子和偏差所污染。总和可能不包括全部磁场测量样本，样本的选择步骤可以在上游进行。然后可以通过计算方法例如Newton、Gauss-Newton、Levenberg-Marquard类型等的迭代算法使代价函数关于估计(这里用抑扬音符号记下)最小化，以便获得校准参数。和先前一样，除基于对梯度下降型的代价函数进行优化的方法之外，其他方法也可以被用于使代价函数最小化，诸如例如利用观察器型工具(Kalman滤波器、扩展Kalman滤波器、Luenberger观察器或其他)。因此可以例如根据预测(22)(其中误差的协方差矩阵表示要最小化的代价函数)来构建扩展Kalman滤波器。
应该指出的是，由方程(23)用公式表示的代价函数的最小化可以不是唯一的。最小化然后对应于退化情况。例如，可以示出在某些情况下测磁偏差的某些线性组合是不可观察量，即使只是试图(例如通过假定用于单元的比例因子)估计它们也是如此。在此情况下，可以容易地在可观察的子空间上对由方程(23)表示的代价函数中的测磁偏差的影响进行重新参数化，其通过对变量做出以下改变来实现：
Figure BDA0002424925240000191
其中符号[X]i:j对应于由X的行形成的子矩阵，X的索引介于被包含在内的i和j之间。这等于将代价函数(24)归并到在(9)中表示的代价函数。可能也有必要确定至少一个比例因子、或替代地平均的全局比例因子，以拒绝以下退化情况，在其中所有比例因子都等于0。非唯一性问题的其他解决方案诸如规则化使得可以避免最小化的非唯一性不影响算法的收敛。这些规则化方法通过对沿着不改变代价函数的方向的估计的修改作出限制而对最小化方法的过程起作用。这些论述应用于代价函数的不同公式化。
以上示例作为针对三轴磁力计2的网络的情况的非限制示例给出。还可以鉴于单轴磁力计2的网络来考虑。由(10)表达的测量结果模型然后针对各轴中的每个轴变为：
Bmi＝fi T.B+bi (25)
其中B是实际磁场，并且Bmi为磁场测量结果，fi是维度为3的矢量，其与传感器的灵敏度相关联，并且bi为该传感器的偏差。在此情况下，利用与在三轴磁力计2的网络的情况下提出的推论相同的推论，可以推导另外取决于新参数的相似代价函数：
Figure BDA0002424925240000192
以上示例利用由磁场1的粒子导数的方程建立的关系，可选地利用如(11)中的局部一阶近似。然而，当在其中发生磁力计2的行进的磁场稳定时，可以采用更简单的方法，也就是说不取决于时间但取决于空间。
我们假定有以下n个单轴磁力计2，其具有严格放置在传感器卡上的仿射响应，如磁-惯性单元1的情况下。这些磁力计2的测量可以通过以下来建模：
mi(B)＝＜ai|B＞ +bi (27)
其中，ai表示单轴磁力计2i的三个校准参数，其与关于传感器坐标系中表示的磁场B的单轴磁力计2i的线性响应相关联；并且bi为标量，表示单轴磁力计2的偏差，每个磁力计2被放置在传感器卡上的不同位置处，如果xi记为表示在关于传感器卡的固定参考系中的位置的矢量，则可以写作在确定时间tk处的第一近似：
mi(B,tk)＝＜ai|B(xi,tk)＞+bi (28)
其中B表示作为位置和时间的函数的传感器坐标系中的磁场。当传感器卡在假定稳定的磁场(不取决于时间，但取决于空间)中移动以行进通过一组路径方位时，在磁力计2的参考坐标系中所见的磁场B仅取决于传感器卡在空间中的位置和取向。由于这些位置和取向通过提供的轨迹信息是已知的，而同时针对每个确定时间从磁力计2中导出磁场测量结果，则从系统被放置在非均匀的稳定磁场的时刻，参数ai、xi和bi对于全局比例因子(针对对应于磁场单元的参数ai)而言是可观察量，也就是说其取决于空间。然而，应该指出的是，对应于磁场单元上的测量系统的标准化的参数ai的全局比例因子可能对于诸如磁-惯性单元1的磁测速仪或航向计算的某些应用而言是多余的。
然后要最小化的可能代价函数可以具有以下通用公式：
E＝∑jρ(mi(tj)-((ai|B(xi，tj))+bi))(29)
其中，mi(tj)表示从磁力计2i导出的确定时间tj处的测量结果，针对参数ai、xi和bi以及对定位基准中稳定磁场B的描述，并且ρ为先前解释的范数。
作为示例，如果磁场梯度被视为在空间恒定，则磁场可以通过仿射模型来描述。通过将u记为空间变量，其描述在外部参考坐标系中的位置，可以将磁场描述为：
Figure BDA0002424925240000211
其中，B0(0)为常向量，表示在基准方位处的磁场；并且
Figure BDA0002424925240000212
是具有零迹的对称矩阵，其表示在基准方位处的磁场梯度。
注意：
O(tj)为在时间tj处于外部参考坐标系中的传感器坐标系的原点的方位，
R(tj)为旋转矩阵，表示在时间tj处关于外部参考坐标系的传感器卡的取向，
B0(u)为在外部参考坐标系中的磁场，u的方程可以写为：
B(xi,tj)＝RT(tj)B0(O(tj)+R(tj)xi) (31)
通过将方程(30)与方程(31)进行合并，其为：
Figure BDA0002424925240000213
该表达式(32)可以被注入到作为表达式(29)中的示例给出的代价函数E中。例如，以ρ为范数L2的平方，我们得到：
Figure BDA0002424925240000214
通过使代价函数最小化，从而不仅可以确定比例和取向因子ai和偏差bi，还可以通过对场的描述来确定三个独立参数B0(0)和五个独立参数
Figure BDA0002424925240000215
因此，可以在没有关于除了磁场稳定性之外的磁场的任何信息的情况下进行，这是因为磁场的模型的参数经由代价函数来确定。
该方法还可以类似地将其他磁场模型用作为将磁场的改变与磁力计的位置和取向的修改联系起来的关系来进行应用。因此，通过估计例如该磁场的Hessian或更高阶导数，可以使用具有更高阶展开的磁场模型。
一旦确定了磁力计2的校准参数，就足以将由校准参数得出的校正应用于磁力计2的测量结果以校准磁力计(步骤S6)。例如，为了补偿测磁偏差b，从测量结果中减去在校准期间确定的偏差b的值就足够了。
要注意，本校准方法不仅可以在磁力计的使用之前的磁力计的标准化期间实施，还可以在磁力计的使用期间实施，以便在使用中重新校准所述磁力计。真正地具有轨迹信息就足够了。对于磁-惯性单元尤其如此。
本发明还涉及计算机程序产品，其包括被记录在可由计算机读取的非易失性支撑件上的程序代码指令，用于在所述程序代码指令在计算机上执行时执行根据本发明的方法的步骤。
本发明并不局限于所描述的并且在附图中示出的实施例。在仍然不超出本发明的保护范围的情况下，修改仍然是可能的，尤其是从各种技术特征的构造或技术等同物的替换物的观点来看。

Claims (17)

1.一种用于校准磁力计(2)的方法，包括以下步骤：
-(S1)所述磁力计(2)行进通过一组路径方位，其中所述方位由所述磁力计(2)的位置和/或由所述磁力计(2)的取向而彼此区分，
-(S2)当所述磁力计(2)行进通过所述一组路径方位时，由磁力计(2)在采集时间处采集磁场的多个测量结果，
-(S3)提供轨迹信息，其表示在行进时间处行进通过所述一组路径方位时，与所述磁力计(2)连带的点的位置和取向，
-(S4)针对从所述采集时间和所述行进时间确定出的多个确定时间中的每个确定时间，将磁场的测量结果与所述轨迹信息进行匹配，
-(S5)通过使代价函数最小化来确定所述磁力计(2)的校准参数，所述代价函数针对多个确定时间涉及至少：所述校准参数、磁场的测量结果、以及将磁场的变化与从所述轨迹信息中导出的所述磁力计(2)的位置和取向的变化相联系的关系，其中所述将磁场的变化与所述磁力计的位置和取向的变化相联系的关系局部地表现为磁场的质点导数的如下等式：
Figure FDA0002424925230000011
其中，
Figure FDA0002424925230000012
为磁场矢量；
Figure FDA0002424925230000013
为磁场的梯度矢量；
Figure FDA0002424925230000014
为磁场的时间导数的矢量；
Figure FDA0002424925230000015
为速度矢量，表示位置的修改；并且Ω为旋转矩阵，表示取向的修改。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述代价函数包括关于传感器测量的误差项，其中单独取所述传感器测量使得能获得所述轨迹信息，然后所述轨迹信息与所述校准参数同时确定。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述代价函数的最小化以状态观察器来实施。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述代价函数基于对确定时间处磁场的测量结果的理论估计与所述确定时间处磁场的测量结果之间的比较，其中磁场的理论估计考虑了所述校准参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对磁场的测量结果的理论估计根据将所述磁场的变化与从所述轨迹信息中导出的所述磁力计的位置和取向的变化相联系的关系来确定。
6.根据权利要求4至5中的一项所述的方法，其中，对磁场的测量结果的理论估计至少根据以下项来确定：
-在先前确定时间处磁场的测量结果，
-在所述确定时间和所述先前确定时间之间与磁力计(2)连带的点的位置和取向的变化，其根据所述轨迹信息来确定，
-校准参数。
7.根据前一项权利要求所述的方法，还包括：当所述磁力计(2)行进通过所述一组路径方位时，在采集时间处采集磁场梯度的多个测量结果，并且对磁场的理论估计还根据所述先前确定时间处磁场梯度的测量结果来确定。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在确定时间处对磁场的测量结果的理论估计根据以下项来确定：
-参考点处的磁场强度，
-所述参考点处的磁场梯度，以及
-所述与磁力计连带的点的位置和所述参考点的位置之间的差，
-所述与磁力计连带的点的取向和所述参考点处的取向之间的旋转，
其中参考点处的磁场强度和所述参考点处的磁场梯度通过使所述代价函数最小化来确定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述校准参数包括：
-影响所述磁场的测量结果的第一测磁偏差，和/或
-影响磁场梯度的测量结果的第二测磁偏差，和/或
-影响所述磁场的测量结果的幅值的比例参数，和/或
-所述磁力计的空间配置参数。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述匹配在于在以下中的至少一个集合进行插值：
-磁场和磁场梯度的测量结果的集合，
-轨迹信息的集合，
使得每个确定时间对应于磁场的至少一个测量结果和轨迹信息。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述轨迹信息通过使用以下成像器(10)来提供，其在所述磁力计行进通过第一组方位时在每个行进时间处对所述磁力计(2)的位置和取向进行测位。
12.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述成像器(10)与所述磁力计(2)连带，并且固定的方位标(11)被布置在所述成像器的视野中，其中所述轨迹信息在所述磁力计行进通过所述一组路径方位时从所述成像器所采集的图像中的方位标的测位中导出。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，当所述磁力计行进通过所述一组路径方位时，机械位移设备将所述磁力计(2)从所述第一组方位中的一个方位移位到另一个方位，其中所述轨迹信息从所述机械位移设备的方位测量结果或所述机械位移设备的方位设定点中导出。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述磁力计(2)与惯性传感器(24)连带，所述惯性传感器(24)被配置为在每个行进时间处确定加速度和角速度，并且所述轨迹信息从所述加速度和所述角速度中导出。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述磁力计(2)被布置在磁-惯性单元(1)中。
16.一种自动化数据处理单元，包括：处理器、存储器和输入与输出界面，所述自动化数据处理单元被配置为：
-接收由行进通过一组路径方位的磁力计(2)在采集时间处采集的磁场的多个测量结果，所述方位由所述磁力计的空间位置和/或由所述磁力计的取向而彼此区分，
-接收轨迹信息，其表示在行进时间处行进通过所述一组路径方位中的方位时与所述磁力计(2)连带的点的位置和取向，
-对于根据所述采集时间和所述行进时间确定的多个确定时间中的每个确定时间，将磁场和磁场梯度的测量结果与所述轨迹信息进行匹配，
-通过使代价函数最小化来确定所述磁力计的校准参数，其针对多个确定时间至少涉及：所述校准参数、磁场的测量结果、以及将磁场的变化与从所述轨迹信息中导出的磁力计的位置和取向的变化相联系的关系，其中将磁场的变化与所述磁力计的位置和取向的变化相联系的关系局部地表现为磁场的质点导数的如下等式：
Figure FDA0002424925230000041
其中，
Figure FDA0002424925230000042
为磁场矢量；
Figure FDA0002424925230000043
为磁场梯度矢量；
Figure FDA0002424925230000044
为磁场的时间导数的矢量；
Figure FDA0002424925230000045
为速度矢量，表示位置的修改；并且Ω为旋转矩阵，表示取向的修改。
17.一种计算机程序产品，包括被记录在可由计算机读取的非易失性支撑件上的程序代码指令，用于在所述程序代码指令在计算机上执行时执行根据权利要求1至15所述的方法中的步骤。
CN201880062290.9A 2017-07-26 2018-07-26 用于校准磁力计的方法 Active CN111149002B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1757082 2017-07-26
FR1757082A FR3069649B1 (fr) 2017-07-26 2017-07-26 Procede de calibration d'un magnetometre
PCT/FR2018/051914 WO2019020945A1 (fr) 2017-07-26 2018-07-26 Procede de calibration d'un magnetometre

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111149002A true CN111149002A (zh) 2020-05-12
CN111149002B CN111149002B (zh) 2022-04-05

Family

ID=61003044

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880062290.9A Active CN111149002B (zh) 2017-07-26 2018-07-26 用于校准磁力计的方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11592512B2 (zh)
EP (1) EP3658921B1 (zh)
JP (1) JP7112482B2 (zh)
KR (1) KR102560732B1 (zh)
CN (1) CN111149002B (zh)
ES (1) ES2882377T3 (zh)
FR (1) FR3069649B1 (zh)
WO (1) WO2019020945A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112344959A (zh) * 2020-10-13 2021-02-09 深圳市富临通实业股份有限公司 一种校准低成本imu的方法及系统

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6971234B2 (ja) 2015-12-16 2021-11-24 マフホウズ，モハメド ラシュワン Ｉｍｕ校正
US11994530B1 (en) * 2017-10-27 2024-05-28 Mindmaze Group Sa System, method and apparatus of a motion sensing stack
FR3082612B1 (fr) 2018-06-13 2021-01-01 Sysnav Procede de calibration d'un gyrometre equipant un objet
FR3082611B1 (fr) 2018-06-13 2020-10-16 Sysnav Procede de calibration de magnetometres equipant un objet
WO2020195892A1 (ja) * 2019-03-28 2020-10-01 ソニー株式会社 情報処理装置、プログラム及び情報処理方法
EP3792928A1 (en) * 2019-09-10 2021-03-17 Sword Health, S.A. Detection of incorrect arrangement of inertial measurements units of a motion tracking system
EP3828505A1 (de) * 2019-11-27 2021-06-02 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zum kalibrieren eines an einem fahrzeug angeordneten magnetometers
CN115885190A (zh) * 2020-05-31 2023-03-31 欧里伊恩特新媒体有限公司 利用磁力计校准误差均衡的磁性室内定位
CN111856355B (zh) * 2020-07-16 2023-04-14 北京控制工程研究所 一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法
KR20220128776A (ko) * 2021-03-15 2022-09-22 삼성전자주식회사 지자기 데이터를 이용하여 위치를 감지하는 전자 장치 및 그 제어 방법
CN112964278B (zh) * 2021-03-25 2022-04-22 北京三快在线科技有限公司 确定磁力计校准参数的方法、装置、电子设备及存储介质
CN113866688B (zh) * 2021-09-22 2022-10-04 西北工业大学 一种小姿态角条件下的三轴磁传感器误差校准方法
KR20230069775A (ko) 2021-11-12 2023-05-19 삼성전자주식회사 자력계 교정 방법 및 이를 수행하는 자력계 교정 장치
CN114674301B (zh) * 2022-03-11 2023-01-03 中国人民解放军海军工程大学 一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0503384A1 (en) * 1991-03-12 1992-09-16 Hughes Aircraft Company Three axis magnetometer sensor field alignment and registration
US20110238399A1 (en) * 2008-11-19 2011-09-29 Elbit Systems Ltd. System and a method for mapping a magnetic field
US8577637B2 (en) * 2009-09-28 2013-11-05 Teledyne Rd Instruments, Inc. System and method of magnetic compass calibration
US20140278191A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Kionix, Inc. Systems and Methods for Calibrating an Accelerometer
CN104296776A (zh) * 2013-07-15 2015-01-21 霍尼韦尔国际公司 用于磁力计校准和补偿的系统和方法
CN104582804A (zh) * 2012-08-17 2015-04-29 微软公司 动态磁力计校准
CN106289243A (zh) * 2016-08-03 2017-01-04 上海乐相科技有限公司 一种磁力计自动校准方法及系统
CN106323334A (zh) * 2015-06-25 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 一种基于粒子群优化的磁力计校准方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2728338A1 (fr) * 1994-12-19 1996-06-21 Eurocopter France Procede et dispositif d'identification simultanee et de correction des erreurs dues a des perturbations magnetiques et a de mauvais alignements dans les mesures d'un magnetometre
FR2914739B1 (fr) 2007-04-03 2009-07-17 David Jean Vissiere Systeme fournissant vitesse et position d'un corps en utilisant les variations du champ magnetique evaluees grace aux mesures de un ou des magnetiometres et de une ou des centrales inertielles
US10095815B2 (en) * 2008-11-19 2018-10-09 Elbit Systems Ltd. System and a method for mapping a magnetic field
US7932718B1 (en) * 2009-03-12 2011-04-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy System and method using magnetic anomaly field magnitudes for detection, localization, classification and tracking of magnetic objects
US8645093B2 (en) 2009-11-04 2014-02-04 Qualcomm Incorporated Calibrating multi-dimensional sensor for offset, sensitivity, and non-orthogonality
FR2977313B1 (fr) 2011-06-28 2013-08-09 Centre Nat Etd Spatiales Engin spatial muni d'un dispositif d'estimation d'un vecteur vitesse et procede d'estimation correspondant
JP2013185898A (ja) 2012-03-07 2013-09-19 Yamaha Corp 状態推定装置
KR102351946B1 (ko) 2014-11-11 2022-01-14 인텔 코포레이션 확장 칼만 필터 기반 자율적 자력계 교정 기법
FR3069053B1 (fr) 2017-07-13 2020-10-16 Sysnav Procede d'estimation du mouvement d'un objet evoluant dans un champ magnetique

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0503384A1 (en) * 1991-03-12 1992-09-16 Hughes Aircraft Company Three axis magnetometer sensor field alignment and registration
US20110238399A1 (en) * 2008-11-19 2011-09-29 Elbit Systems Ltd. System and a method for mapping a magnetic field
US8577637B2 (en) * 2009-09-28 2013-11-05 Teledyne Rd Instruments, Inc. System and method of magnetic compass calibration
CN104582804A (zh) * 2012-08-17 2015-04-29 微软公司 动态磁力计校准
US20140278191A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Kionix, Inc. Systems and Methods for Calibrating an Accelerometer
CN104296776A (zh) * 2013-07-15 2015-01-21 霍尼韦尔国际公司 用于磁力计校准和补偿的系统和方法
CN106323334A (zh) * 2015-06-25 2017-01-11 中国科学院上海高等研究院 一种基于粒子群优化的磁力计校准方法
CN106289243A (zh) * 2016-08-03 2017-01-04 上海乐相科技有限公司 一种磁力计自动校准方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112344959A (zh) * 2020-10-13 2021-02-09 深圳市富临通实业股份有限公司 一种校准低成本imu的方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
FR3069649B1 (fr) 2021-01-01
US20200233053A1 (en) 2020-07-23
EP3658921A1 (fr) 2020-06-03
EP3658921B1 (fr) 2021-04-21
CN111149002B (zh) 2022-04-05
ES2882377T3 (es) 2021-12-01
KR102560732B1 (ko) 2023-07-27
FR3069649A1 (fr) 2019-02-01
WO2019020945A1 (fr) 2019-01-31
JP2020528553A (ja) 2020-09-24
JP7112482B2 (ja) 2022-08-03
KR20200041889A (ko) 2020-04-22
US11592512B2 (en) 2023-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111149002B (zh) 用于校准磁力计的方法
EP3491334B1 (en) Method and system for calibrating components of an inertial measurement unit (imu) using scene-captured data
KR101565362B1 (ko) 자이로스코프 컨디셔닝 및 자이로-카메라 정렬
CN103153790B (zh) 使用运动传感器和附接至装置的磁力计的测量数据估计该装置在重力参照系中的偏航角的设备和方法
CN108398128B (zh) 一种姿态角的融合解算方法和装置
US9916659B2 (en) Operating device, operating method, and program therefor
CN112815939B (zh) 移动机器人的位姿估计方法及计算机可读存储介质
EP3411661B1 (en) System and method for calibrating magnetic sensors in real and finite time
US10325005B2 (en) Apparatuses and methods for calibrating magnetometer attitude-independent parameters
CN107860382B (zh) 一种在地磁异常情况下应用ahrs测量姿态的方法
US9863867B2 (en) Automatically updating hard iron and soft iron coefficients of a magnetic sensor
Troni et al. Magnetometer bias calibration based on relative angular position: Theory and experimental comparative evaluation
Coulin et al. Online magnetometer calibration in indoor environments for magnetic field-based SLAM
CN115930959A (zh) 视觉初始化方法、装置及飞行汽车
CN116817896A (zh) 一种基于扩展卡尔曼滤波的姿态解算方法
Köppe et al. Self-calibration-method for an inertial navigation system with three 3D sensors
JP2022144063A (ja) センサ間誤差角推定方法および位置同定方法
CN115839726A (zh) 磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质
Ha et al. A Tilt and heading estimation system for ROVs using Kalman filters

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