CN111765879A - 一种三维电子罗盘装置及实用校准方法 - Google Patents

一种三维电子罗盘装置及实用校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子罗盘设备领域，尤其为一种三维电子罗盘装置及实用校准方法，包括顶盖、传感器面板、底壳以及连接器，所述顶盖、传感器面板和底壳自上而下由螺栓螺纹联结，所述传感器面板和连接器通过排针连接，所述底壳一侧设有分度盘平面，所述分度盘平面侧面设有多组分度盘侧板。本发明实用校准方法中的交叉耦合校准主要针对三轴磁力计的非正交安装误差以及线性度误差进行处理，水平校准可以消除硬磁干扰及部分软磁干扰，倾斜补偿校准主要融合三轴加速度计数据，从而实现电子罗盘的三维定向，可有效提高电子罗盘的方位角精度，而且主要的校准步骤集中在出厂校准，客户校准部分简单实用有效，更加拓宽了三维电子罗盘的应用领域。

Description

一种三维电子罗盘装置及实用校准方法
技术领域
本发明涉及电子罗盘设备领域，具体为一种三维电子罗盘装置及实用校准方法。
背景技术
科技进步逐渐支撑着社会经济发展命脉，导航定向技术也慢慢融入了人们日常生活，在如今科技腾飞的大环境下，导航定向技术已经在航空航天、舰艇航载、智能武器精准打击，甚至单兵系统应用，更是在近几年来，应用于无人机、AGV小车、无人车、智能机器人和自动驾驶领域，根据应用的环境不同涌现出了多种导航方式：GPS卫星导航，国内的北斗系统，惯性导航，地图匹配导航，雷达导航，视觉导航，以及多信息融合的组合导航层出不穷，但随着MEMS技术的发展，导航设备的体积大小、使用快捷等方面也逐步被人们关注，不仅在导航定向精度上要求，而且需要提高设备响应速度，诸如GPS导航会在隧道或者建筑遮挡环境会丢星失锁，寻北仪寻北时间比较长，且须在静态环境工作，惯性导航不能用于长时间导航，且一般自对准时间较长，总之各有优劣，很难在应用需求上统一满足，电子罗盘采用了MEMS集成技术，利用天然的地球磁场，无需长时间定向，其低成本，低功耗，高性能，高精度的特点得到众多工程领域亲睐。
电子罗盘集成三轴加速度计和三轴磁力计，分别测量比力加速度和磁场矢量，是理论上理想的定向组合，但是由于地球磁场是弱磁场，往往实际的应用场合都会存在不同程度的磁干扰，导致磁方位角不准，所以对电子罗盘的校准是能够实际应用的关键前提，传统的校准方法是直接测量0-360°之间的多位置角度，利用无磁转台记录下每个位置的角度误差，进行线性插值的方法补偿，也就是罗差补偿，可以有效应用，不过环境变化时，就需要重新进行罗差校正，且过程繁琐，大多数场合不满足这种校准条件，因此一种三维电子罗盘的实用校准方法对电子罗盘的应用尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维电子罗盘装置及实用校准方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三维电子罗盘装置及实用校准方法，包括顶盖、传感器面板、底壳以及连接器，所述顶盖、传感器面板和底壳自上而下由螺栓螺纹联结，所述传感器面板和连接器通过排针连接，所述底壳一侧设有分度盘平面，所述分度盘平面上环形设有多组分度盘侧板。
优选的，所述传感器面板上设置有三轴加速度计和三轴磁力计，坐标系采用北东地X-Y-Z笛卡尔系。
优选的，所述实用校准方法包括：交叉轴耦合校准、水平校准和倾斜补偿校准。
优选的，所述交叉耦合校准主要针对三轴磁力计的非正交安装误差以及线性度误差进行处理，该校准应在相对远离磁干扰的环境进行，属于前端数据校准，水平校准消除硬磁干扰及部分软磁干扰，倾斜补偿校准主要融合三轴加速度计数据，将磁力计输出的矢量投影在水平面上，从而实现电子罗盘的三维定向。
优选的，所述实用校准方法步骤：
第一步：采集记录磁力计原始数据，进行交叉耦合校准，根据三轴磁力计交叉耦合模型计算参数：
Figure BDA0002294688710000021
其中Mi(i＝x,y,z)是校准后的磁力计矢量，Ki(i＝x,y,z)表示刻度系数，eij(i,j＝x,y,z)表示三个两两正交轴之间的非正交误差项，Mbi(i＝x,y,z)表示磁力计的原始值，bi0(i＝x,y,z)表示磁力计的零偏值；利用十二位置法，采集滑动平均后的原始磁力计矢量，由交叉耦合模型通过最小二乘法得出各项系数；
第二步：第一步交叉耦合校准后得到的Mraw＝[Mx My Mz]T，进行第二步水平校准，对Mraw采样在平台上缓慢旋转一周以上，记录保存数据；由于地球磁场矢量在水平面的投影是一固定矢量，且指向磁北方向，可根据这一特性采集旋转一周过程中的Mx和My值；然后预测X和Y方向的磁矢量在旋转一周的过程是一个标准圆形：Mn2＝Mx 2+My 2,但实际上由于周围环境的磁场干扰，会导致其实际模型变为一个偏心椭圆，经过非线性约束的最小二乘拟合后得到一个标准化的圆如图3，此时也就是所谓的二维校准，可以满足水平环境使用的校准方法；
第三步：在第二步中的二维校准基础上，进行第三步倾斜补偿校准，对于多数工况，电子罗盘会工作在非水平的环境下，需引入Z轴磁力计的量Mz；
第四步：将三轴磁力计的矢量投影在水平面上，利用加速度计求出电子罗盘的水平姿态角roll和pitch，加速度计和磁力计的坐标系方向与电子罗盘方向一致(b系前右下系)。
roll＝atan2(-Ay，-Az)
pitch＝asin(Ax)；
第五步：将电子罗盘的Z轴沿水平旋转，并采集记录Mz,并预测标定后的三维磁矢量图形是一椭球形：
Figure BDA0002294688710000041
，除了Mi和R，正好有九个未知量，可以通过变形，将a～i与权利要求1中的模型对应，联合第二步中的水平数据可解出新的磁矢量Hm＝[Hmx,Hmy,Hmz]T；
第六步：将矢量Hm投影到水平面上，得出水平分量Xvalue和Yvalue:
Figure BDA0002294688710000042
第七步：由第三步中得到的Xvalue和Yvalue计算方位角：Yaw＝atan2(Yvalue,Xvalue)，北偏东为正。
优选的，所述分度盘侧板设有八组，且所述分度盘侧板将分度盘平面等分为八个区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明实用校准方法包括：交叉轴耦合校准、水平校准和倾斜补偿校准；其中，交叉耦合校准主要针对三轴磁力计的非正交安装误差以及线性度误差进行处理，该校准应在相对远离磁干扰的环境进行，属于前端数据校准；水平校准可以消除硬磁干扰及部分软磁干扰；倾斜补偿校准主要融合三轴加速度计数据，将磁力计输出的矢量投影在水平面上，从而实现电子罗盘的三维定向，本发明校准方法可有效提高电子罗盘的方位角精度，而且主要的校准步骤集中在出厂校准，客户校准部分简单实用有效，更加拓宽了三维电子罗盘的应用领域。
附图说明
图1为本发明提出的三维电子罗盘装置及实用校准方法的结构图；
图2为本发明提出的三维电子罗盘装置及实用校准方法的分度盘结构图；
图3为本发明提出的三维电子罗盘装置及实用校准方法的二维校准图；
图4为本发明提出的三维电子罗盘装置及实用校准方法的实用校准方法流程图。
图中：1-顶盖、2-传感器面板、3-底壳、4-连接器、5-分度盘平面、6-分度盘侧板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一种三维电子罗盘装置及实用校准方法，包括顶盖1、传感器面板2、底壳3以及连接器4，顶盖1、传感器面板2和底壳3自上而下由螺栓螺纹联结，传感器面板2和连接器4通过排针连接，传感器面板2上设置有三轴加速度计和三轴磁力计，坐标系采用北东地X-Y-Z笛卡尔系，底壳3一侧设有分度盘平面5，分度盘平面5上环形设有多组分度盘侧板6，分度盘侧板6设有八组，且分度盘侧板6将分度盘平面5等分为八个区域，实用校准方法包括：交叉轴耦合校准、水平校准和倾斜补偿校准，交叉耦合校准主要针对三轴磁力计的非正交安装误差以及线性度误差进行处理，该校准应在相对远离磁干扰的环境进行，属于前端数据校准，水平校准消除硬磁干扰及部分软磁干扰，倾斜补偿校准主要融合三轴加速度计数据，将磁力计输出的矢量投影在水平面上，从而实现电子罗盘的三维定向，实用校准方法步骤：
第一步：采集记录磁力计原始数据，进行交叉耦合校准，根据三轴磁力计交叉耦合模型计算参数：
Figure BDA0002294688710000061
其中Mi(i＝x,y,z)是校准后的磁力计矢量，Ki(i＝x,y,z)表示刻度系数，eij(i,j＝x,y,z)表示三个两两正交轴之间的非正交误差项，Mbi(i＝x,y,z)表示磁力计的原始值，bi0(i＝x,y,z)表示磁力计的零偏值；利用十二位置法，采集滑动平均后的原始磁力计矢量，由交叉耦合模型通过最小二乘法得出各项系数；
第二步：第一步交叉耦合校准后得到的Mraw＝[Mx My Mz]T，进行第二步水平校准，对Mraw采样在平台上缓慢旋转一周以上，记录保存数据；由于地球磁场矢量在水平面的投影是一固定矢量，且指向磁北方向，可根据这一特性采集旋转一周过程中的Mx和My值；然后预测X和Y方向的磁矢量在旋转一周的过程是一个标准圆形：Mn2＝Mx 2+My 2,但实际上由于周围环境的磁场干扰，会导致其实际模型变为一个偏心椭圆，经过非线性约束的最小二乘拟合后得到一个标准化的圆如图3，此时也就是所谓的二维校准，可以满足水平环境使用的校准方法；
第三步：在第二步中的二维校准基础上，进行第三步倾斜补偿校准，对于多数工况，电子罗盘会工作在非水平的环境下，需引入Z轴磁力计的量Mz；
第四步：将三轴磁力计的矢量投影在水平面上，利用加速度计求出电子罗盘的水平姿态角roll和pitch，加速度计和磁力计的坐标系方向与电子罗盘方向一致(b系前右下系)。
roll＝atan2(-Ay，-Az)
pitch＝asin(Ax)；
第五步：将电子罗盘的Z轴沿水平旋转，并采集记录Mz,并预测标定后的三维磁矢量图形是一椭球形：
Figure BDA0002294688710000071
，除了Mi和R，正好有九个未知量，可以通过变形，将a～i与权利要求1中的模型对应，联合第二步中的水平数据可解出新的磁矢量Hm＝[Hmx,Hmy,Hmz]T；
第六步：将矢量Hm投影到水平面上，得出水平分量Xvalue和Yvalue:
Figure BDA0002294688710000072
第七步：由第三步中得到的Xvalue和Yvalue计算方位角：Yaw＝atan2(Yvalue,Xvalue)，北偏东为正。
如图2所示，可将电子罗盘置于分度盘平面5一侧，电子罗盘底壳3的侧边靠上分度盘侧板6，根据分度盘的八个侧板，记录电子罗盘输出磁方位角，每隔45°换一个位置，计算相对误差量，用误差量的标准差衡量电子罗盘的校准质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种三维电子罗盘装置及实用校准方法，包括顶盖(1)、传感器面板(2)、底壳(3)以及连接器(4)，其特征在于：所述顶盖(1)、传感器面板(2)和底壳(3)自上而下由螺栓螺纹联结，所述传感器面板(2)和连接器(4)通过排针连接，所述底壳(3)一侧设有分度盘平面(5)，所述分度盘平面(5)上环形设有多组分度盘侧板(6)。
2.根据权利要求1所述的三维电子罗盘装置及实用校准方法，其特征在于：所述传感器面板(2)上设置有三轴加速度计和三轴磁力计。
3.根据权利要求1所述的三维电子罗盘装置及实用校准方法，其特征在于：所述实用校准方法包括：交叉轴耦合校准、水平校准和倾斜补偿校准，且坐标系采用北东地(X-Y-Z)笛卡尔系。
4.根据权利要求3所述的三维电子罗盘装置及实用校准方法，其特征在于：所述交叉耦合校准主要针对三轴磁力计的非正交安装误差以及线性度误差进行处理，该校准应在相对远离磁干扰的环境进行，属于前端数据校准，水平校准消除硬磁干扰及部分软磁干扰，倾斜补偿校准主要融合三轴加速度计数据，将磁力计输出的矢量投影在水平面上，从而实现电子罗盘的三维定向。
5.根据权利要求1所述的三维电子罗盘装置及实用校准方法，其特征在于：所述实用校准方法步骤：
第一步：采集记录磁力计原始数据，进行交叉耦合校准，根据三轴磁力计交叉耦合模型计算参数：
Figure FDA0002294688700000011
其中Mi(i＝x，y，z)是校准后的磁力计矢量，Ki(i＝x，y，z)表示刻度系数，eij(i，j＝x，y，z)表示三个两两正交轴之间的非正交误差项，Mbi(i＝x，y，z)表示磁力计的原始值，bi0(i＝x，y，z)表示磁力计的零偏值；利用十二位置法，采集滑动平均后的原始磁力计矢量，由交叉耦合模型通过最小二乘法得出各项系数；
第二步：第一步交叉耦合校准后得到的Mraw＝[Mx My Mz]T，进行第二步水平校准，对Mraw采样在平台上缓慢旋转一周以上，记录保存数据；由于地球磁场矢量在水平面的投影是一固定矢量，且指向磁北方向，可根据这一特性采集旋转一周过程中的Mx和My值；然后预测X和Y方向的磁矢量在旋转一周的过程是一个标准圆形：Mn2＝Mx 2+My 2，但实际上由于周围环境的磁场干扰，会导致其实际模型变为一个偏心椭圆，经过非线性约束的最小二乘拟合后得到一个标准化的圆如图3，此时也就是所谓的二维校准，可以满足水平环境使用的校准方法；
第三步：在第二步中的二维校准基础上，进行第三步倾斜补偿校准，对于多数工况，电子罗盘会工作在非水平的环境下，需引入Z轴磁力计的量Mz；
第四步：将三轴磁力计的矢量投影在水平面上，利用加速度计求出电子罗盘的水平姿态角roll和pitch，加速度计和磁力计的坐标系方向与电子罗盘方向一致(b系前右下系)：
roll＝atan2(-Ay，-Az)
pitch＝asin(Ax)；
第五步：将电子罗盘的Z轴沿水平旋转，并采集记录Mz，并预测标定后的三维磁矢量图形是一椭球形：
Figure FDA0002294688700000021
Figure FDA0002294688700000022
除了Mi和R，正好有九个未知量，可以通过变形，将a～i与权利要求1中的模型对应，联合第二步中的水平数据可解出新的磁矢量Hm＝[Hmx，Hmy，Hmz]T；
第六步：将矢量Hm投影到水平面上，得出水平分量Xvalue和Yvalue:
Figure FDA0002294688700000031
第七步：由第三步中得到的Xvalue和Yvalue计算方位角：Yaw＝atan2(Yvalue，Xvalue)，北偏东为正。
6.根据权利要求1所述的三维电子罗盘装置及实用校准方法，其特征在于：所述分度盘侧板(6)设有八组，且所述分度盘侧板(6)将分度盘平面(5)等分为八个区域。
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