CN112762916B - 磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法通过获取磁罗盘的指针坐标；根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，以计算所述磁罗盘参数，其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数。该磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质能够简化磁罗盘参数的计算过程。

Description

磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
随着科学技术的进步，无人机对载体姿态测量精度的要求越来越高。磁罗盘在无人机组合导航系统中用于提供绝对航向信息，而航向的精度直接决定着系统定位的精度。为了获得高精度、高可靠性的航向信息，就必须对磁罗盘误差进行有效的标定与补偿。
现有磁罗盘标定技术主要有两类：一类是借助外界信息的标定方法，如借助六面体或转台进行多位置标定，或依靠速率传感器、GPS等进行标定；此类方法精度高，但是对标定设备要求极高，十分容易引入外界磁干扰，从而导致结果不准确，给系统航向精度带来了不必要的损失。第二类是不借助外界信息的自标定方法，基于最佳椭圆假设，使用基于扩展卡尔曼滤波和Unscented卡尔曼滤波的方法，对磁罗盘进行实时标定，这种方法对三轴软硬磁干扰都进行了补偿，但补偿效果受滤波初值影响较大，且计算复杂。
发明内容
本发明发明的目的在于提供一种磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质，以简化磁罗盘参数的标定过程。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提出了一种磁罗盘参数标定方法，包括：
获取磁罗盘的指针坐标；
根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；
将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，计算所述磁罗盘参数，其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数。
优选地，所述待估计的参数向量为
Figure BDA0002890729940000021
j表示时刻，且j为大于或等于1的正整数；采用以下公式计算所述待估计的参数向量：
Figure BDA0002890729940000022
其中，Kj表示j时刻增益矩阵，且
Figure BDA00028907299400000210
Zj为j时刻量测向量，且Zj为预设值，Hj为j时刻量测矩阵，且
Figure BDA00028907299400000211
Pj-1表示j时刻误差协方差矩阵，且Pj＝(I-KjHj)Pj-1，I表示单位矩阵。
优选地，所述磁罗盘模型方程为：
Figure BDA0002890729940000023
Figure BDA0002890729940000024
Figure BDA0002890729940000025
Figure BDA0002890729940000026
Figure BDA0002890729940000027
Figure BDA0002890729940000028
其中，bx表示磁罗盘在x轴方向的零偏误差，by表示磁罗盘在y轴方向的零偏误差，kx表示磁罗盘在x轴方向的比例系数，ky表示磁罗盘在y轴方向的比例系数；
所述磁罗盘模型方程与所述待估计的参数向量之间的关系为：
Figure BDA0002890729940000029
所述将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，以计算所述磁罗盘参数，包括：
根据公式(1)-(8)计算所述磁罗盘的零偏误差bx，by和所述磁罗盘的比例系数kx，ky。
优选地，在计算出所述磁罗盘参数之后，所述方法还包括：
根据所述磁罗盘参数对所述磁罗盘的指针坐标进行校正。
优选地，采用以下公式对所述磁罗盘的指针坐标进行校正，包括：
xc＝(xm+bx)·kx (9)
yc＝(ym+by)·ky (10)
其中，xc表示校正后的磁罗盘的指针x轴坐标，yc表示校正后的磁罗盘的指针y轴坐标。
本发明实施例还提出了一种磁罗盘参数标定装置，包括：
获取单元，用于获取磁罗盘的指针坐标；
第一计算单元，用于根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；
第二计算单元，用于将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，以计算所述磁罗盘参数，其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数。
优选地，所述磁罗盘参数标定装置还包括：校正单元，该校正单元用于根据所述磁罗盘参数对所述磁罗盘的指针坐标进行校正。
优选地，所述校正单元采用以下公式进行校正：
xc＝(xm+bx)·kx
yc＝(ym+by)·ky
其中，xc表示校正后的磁罗盘的指针x轴坐标，yc表示校正后的磁罗盘的指针y轴坐标。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有磁罗盘参数标定程序，所述处理器用于执行所述磁罗盘参数标定程序时实现所述的磁罗盘参数标定方法的步骤。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述磁罗盘参数标定方法的步骤。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
上述磁罗盘参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质，通过获取磁罗盘的指针坐标，并根据该指针坐标计算待估计的参数向量，然后输入根据磁罗盘的特性预先建立磁罗盘模型方程中，以计算磁罗盘参数。该方法操作和计算过程都较为简单，与采用卡尔曼滤波算来来计算磁罗盘参数的方法相比较，计算出来的磁罗盘参数受初值影响小，能够有效地提高磁罗盘参数的计算效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中磁罗盘参数标定方法的流程图；
图2是磁罗盘的坐标系的示意图；
图3是本发明一实施例中磁罗盘参数标定装置的原理框图。
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作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、连接应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的磁罗盘参数标定方法，可应用在各种导航系统中，例如无人机导航系统。在一实施例中，如图1所示，提供一种磁罗盘参数标定方法，包括如下步骤：
S10：获取磁罗盘的指针坐标。
其中，磁罗盘的指针坐标是指磁罗盘的指针在坐标系上的二维坐标，指针指向的位置则为指针坐标，示例性地，该坐标系可如图2所示。具体地，可以通过控制磁罗盘的指针沿着水平面方向旋转一定角度即可获得磁罗盘的指针坐标。
S20：根据指针坐标计算待估计的参数向量。
S30：将待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，以计算磁罗盘参数，其中，磁罗盘参数包括磁罗盘的零偏误差和磁罗盘的比例系数。
其中，磁罗盘模型方程的设置原理为：假设磁罗盘的指针坐标为：Magm＝[xm ym]T，校正后的磁罗盘的指针坐标为：Magc＝[xc yc]T，磁罗盘零偏误差为：Magb＝[bx by]T，磁罗盘比例系数为：Magk＝[kx ky]T，假设校正后磁罗盘水平坐标平面的值在一个圆形上，那么有：
Figure BDA0002890729940000051
则校正后的磁罗盘的指针坐标与原始的磁罗盘的指针坐标关系如下：
xc＝(xm+bx)·kx
yc＝(ym+by)·ky (12)
将式(12)带入式(11)得到：
Figure BDA0002890729940000052
将式(13)展开并整理可得：
Figure BDA0002890729940000061
假设：
Figure BDA0002890729940000062
Figure BDA0002890729940000063
Figure BDA0002890729940000064
Figure BDA0002890729940000065
假设式(14)的右边为：
Figure BDA0002890729940000066
结合式(15)，式(14)右边可改写为：
Figure BDA0002890729940000067
根据式(15)(16)，式(14)可改写为：
Figure BDA0002890729940000068
由式(16)可得，磁罗盘模型方程：
Figure BDA0002890729940000069
上述过程为磁罗盘模型方程的原理，在清楚磁罗盘模型方程的原理之后，本实施例将讲解如何计算磁罗盘参数：
首先，定义待估计的参数向量为：
Figure BDA00028907299400000610
定义量测矩阵为：
Figure BDA00028907299400000611
量测向量为Zj，Pj＝diag[100 100100100]，Rj＝[0.2]，然后将量测向量Zj与量测矩阵Hj代入递推最小二乘估计公式可计算待估计的参数向量，其中，递推最小二乘估计公式为：
Figure BDA00028907299400000612
Figure BDA00028907299400000613
Pj＝(I-KjHj)Pj-1 (20c)
在计算出待估计的参数向量之后，由磁罗盘模型方程式(18)可得：
Figure BDA0002890729940000071
由此可计算出g、a、b、d、e。
最后，将a、b、d、e代入式(15)中可计算出磁罗盘参数：磁罗盘的零偏误差bx，by和所述磁罗盘的比例系数kx，ky。
上述实施例通过获取磁罗盘的指针坐标，并根据该指针坐标计算待估计的参数向量，然后输入根据磁罗盘的特性预先建立磁罗盘模型方程中，以计算磁罗盘参数。该方法操作和计算过程都较为简单，与采用卡尔曼滤波算来来计算磁罗盘参数的方法相比较，计算出来的磁罗盘参数受初值影响小，能够有效地提高磁罗盘参数的计算效率。
在计算出所述磁罗盘参数之后，可以根据磁罗盘参数对磁罗盘的指针坐标进行补偿校正，从而输出高精度的磁罗盘数据，进而为导航系统提供高精度的导航信息。
具体地，对磁罗盘的指针坐标进行补偿校正可以根据上述磁罗盘模型方程的设置原理进行：由于校正后的磁罗盘的指针坐标与原始的磁罗盘的指针坐标关系为：
Figure BDA0002890729940000072
因此，在计算出磁罗盘参数：磁罗盘的零偏误差bx，by和所述磁罗盘的比例系数kx，ky之后，可将这些磁罗盘参数代入磁罗盘的指针坐标校正公式中，可计算出校正后的磁罗盘的指针坐标。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
在一实施例中，提供一种磁罗盘参数标定装置，该磁罗盘参数标定装置与上述实施例中磁罗盘参数标定方法一一对应。如图3所示，该磁罗盘参数标定装置包括：
获取单元10，用于获取磁罗盘的指针坐标；
第一计算单元20，用于根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；
第二计算单元30，用于将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，以计算所述磁罗盘参数，其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数。
另外，该磁罗盘参数标定装置还包括：校正单元，用于根据磁罗盘参数对磁罗盘的指针坐标进行校正。且该校正单元采用以下公式进行校正：
xc＝(xm+bx)·kx
yc＝(ym+by)·ky
其中，xc表示校正后的磁罗盘的指针x轴坐标，yc表示校正后的磁罗盘的指针y轴坐标。
关于磁罗盘参数标定装置的具体限定可以参见上文中对于磁罗盘参数标定装置方法的限定，在此不再赘述。上述磁罗盘参数标定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下上述磁罗盘参数标定装置方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述磁罗盘参数标定装置方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁罗盘参数标定方法，其特征在于，包括：
获取磁罗盘的指针坐标；
根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；
将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，计算所述磁罗盘参数；其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数；
所述待估计的参数向量为
Figure FDA0003919205000000011
j表示时刻，且j为大于或等于1的正整数；采用以下公式计算所述待估计的参数向量：
Figure FDA0003919205000000012
其中，Kj表示j时刻增益矩阵，且
Figure FDA0003919205000000013
Zj为j时刻量测向量，且Zj为预设值，Hj为j时刻量测矩阵，且
Figure FDA0003919205000000014
Pj-1表示j时刻误差协方差矩阵，且Pj＝(I-KjHj)Pj-1，I表示单位矩阵；
所述磁罗盘模型方程为：
Figure FDA0003919205000000015
Figure FDA0003919205000000016
Figure FDA0003919205000000017
Figure FDA0003919205000000018
Figure FDA0003919205000000019
Figure FDA00039192050000000110
其中，bx表示磁罗盘在x轴方向的零偏误差，by表示磁罗盘在y轴方向的零偏误差，kx表示磁罗盘在x轴方向的比例系数，ky表示磁罗盘在y轴方向的比例系数；
所述磁罗盘模型方程与所述待估计的参数向量之间的关系为：
Figure FDA00039192050000000111
所述将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，计算所述磁罗盘参数，包括：
根据公式(1)-(8)计算所述磁罗盘的零偏误差bx，by和所述磁罗盘的比例系数kx，ky；
所述方法还包括：
根据所述磁罗盘参数对所述磁罗盘的指针坐标进行校正。
2.如权利要求1所述的磁罗盘参数标定方法，其特征在于，采用以下公式对所述磁罗盘的指针坐标进行校正，包括：
xc＝(xm+bx)·kx (9)
yc＝(ym+by)·ky (10)
其中，xc表示校正后的磁罗盘的指针x轴坐标，yc表示校正后的磁罗盘的指针y轴坐标。
3.一种磁罗盘参数标定装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取磁罗盘的指针坐标；
第一计算单元，用于根据所述指针坐标计算待估计的参数向量；
第二计算单元，用于将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，计算所述磁罗盘参数，其中，所述磁罗盘参数包括所述磁罗盘的零偏误差和所述磁罗盘的比例系数；
所述磁罗盘参数标定装置还包括：校正单元，用于根据所述磁罗盘参数对所述磁罗盘的指针坐标进行校正；
所述待估计的参数向量为
Figure FDA0003919205000000021
j表示时刻，且j为大于或等于1的正整数；采用以下公式计算所述待估计的参数向量：
Figure FDA0003919205000000022
其中，Kj表示j时刻增益矩阵，且
Figure FDA0003919205000000023
Zj为j时刻量测向量，且Zj为预设值，Hj为j时刻量测矩阵，且
Figure FDA0003919205000000024
Pj-1表示j时刻误差协方差矩阵，且Pj＝(I-KjHj)Pj-1，I表示单位矩阵；
所述磁罗盘模型方程为：
Figure FDA0003919205000000031
Figure FDA0003919205000000032
Figure FDA0003919205000000033
Figure FDA0003919205000000034
Figure FDA0003919205000000035
Figure FDA0003919205000000036
其中，bx表示磁罗盘在x轴方向的零偏误差，by表示磁罗盘在y轴方向的零偏误差，kx表示磁罗盘在x轴方向的比例系数，ky表示磁罗盘在y轴方向的比例系数；
所述磁罗盘模型方程与所述待估计的参数向量之间的关系为：
Figure FDA0003919205000000037
所述将所述待估计的参数向量代入预设的磁罗盘模型方程中，计算所述磁罗盘参数，包括：
根据公式(1)-(8)计算所述磁罗盘的零偏误差bx，by和所述磁罗盘的比例系数kx，ky。
4.如权利要求3所述的磁罗盘参数标定装置，其特征在于，所述校正单元采用以下公式进行校正：
xc＝(xm+bx)·kx
yc＝(ym+by)·ky
其中，xc表示校正后的磁罗盘的指针x轴坐标，yc表示校正后的磁罗盘的指针y轴坐标。
5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有磁罗盘参数标定程序，所述处理器用于执行所述磁罗盘参数标定程序时实现如权利要求1至2任一项所述的磁罗盘参数标定方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述磁罗盘参数标定方法的步骤。
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