CN112985461A - 一种基于gnss测向的磁传感器校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，所述方法包括：获取无人机的特征数据样本，并进行处理，得到第一校准参数；所述第一校准参数对所述无人机的特征数据样本进行校验，若检测通过，得到第二校准参数；判断所述第二校准参数是否通过阈值范围检测，若通过，得到第三校准参数，所述第三校准参数修正原始磁感应强度数据，得到修正后的无人机航向信息；判断所述修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息是否匹配，若不匹配，则重新进行无人机航向信息校准。本发明提出的基于GNSS测向的磁传感器校准方法，该方法对无人机的飞行状态没有限制，对数据采集数量要求较低，且能够有效排除磁传感器和环境异常造成的偏差。

Description

一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法

技术领域

本发明属于无人机导航技术领域，具体为一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法。

背景技术

无人机的航向信息是确保无人机安全飞行不可或缺的导航信息之一，磁传感器模块主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向，其依靠体积小、航向精度高、倾斜范围宽、频响高、低功耗的优点，被广泛应用于通信导航技术领域，通过将计算出的磁北极方向减去当地的磁偏角得到无人机的航向信息。

磁传感器模块受周围环境的影响以及自身器件的影响，往往存在一定的误差，所以不能直接使用磁传感器测量的数据得到航向角。因此，在使用磁传感器之前需要对其进行校准。

一般磁传感器校准方法都是基于椭球模型和椭圆模型，在地面进行校准。椭球模型主要用于磁传感器三轴校准，椭圆模型主要用于水平二轴校准。椭球或者椭圆模型都需要对磁传感器载体进行整数周的转动操作来采集数据，然后计算校准参数，使得椭球和椭圆接近球和圆形。该方法规定了无人机的运动轨迹与姿态。

对于传统的地面校准磁传感器的方法，由于没有考虑无人机上的电磁干扰，引起的磁传感器的误差，故地面校准的效果一般。并且对于长时长距飞行的无人机，会由于无人机的周围磁场发生显著变化而导致地面校准效果降低。同时地面进行磁传感器校准，比较费时费力。

现有的空中磁传感器校准办法，一般是依据椭圆或者椭球模型，其需要磁传感器载体在空中进行整周的转动，其方法只是将地面的校准过程在空中自动进行。该类方法由于需要无人机进行特定的飞行，对无人机本身的作业任务存在影响。并且对于长时长距的飞行，该方法不能修正磁传感器的校准参数。

发明内容

本发明提供一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其目的是为了解决现有技术中传统的地面校准磁传感器的方法和现有的空中磁传感器校准办法中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，所述方法包括：

获取无人机的特征数据样本，并进行处理，得到第一校准参数；

所述第一校准参数对所述无人机的特征数据样本进行校验，若校验通过，得到第二校准参数；

判断所述第二校准参数是否通过阈值范围检测，若通过，得到第三校准参数，所述第三校准参数修正原始磁感应强度数据，得到修正后的无人机航向信息；

判断所述修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息是否匹配，若不匹配，则重新进行无人机航向信息校准。

进一步的，所述特征数据样本包括：

GNSS测向状态信息、地磁信息、姿态角信息或原始三轴磁感应强度信息。

进一步的，将所述特征数据样本进行处理的过程为：

对所述特征数据样本进行计算，得到与所述特征数据样本相对应的标准三轴磁感应强度信息；

对所述标准三轴磁感应强度信息和原始三轴磁感应强度信息进行处理，得到与所述标准三轴磁感应强度信息和原始三轴磁感应强度信息对应的矩阵和向量信息；

对所述矩阵和向量信息进行处理，得到第一校准参数。

进一步的，所述将所述标准三轴磁感应强度信息进行处理的方式具体为：

利用最小二乘法迭代得到一个四维的线性代数问题，得到对应的矩阵和向量信息。

进一步的，所述将所述对应的矩阵和向量信息进行处理的方式具体为：

设计共轭梯度迭代求解器处理所述矩阵和向量信息，得到三维数轴每个轴上的四个校准参数。

进一步的，所述第一校准参数对所述无人机的特征数据样本进行检测，具体为：

剔除特征数据样本中不符合标准的数据点，若剔除的特征数据样本多于预设值，则重新获取无人机的特征数据样本，重新处理得到第一校准参数，并利用所述第一校准参数对特征数据样本进行检测；

若剔除的特征数据样本少于预设值，则补充相应个数的特征数据样本，再重新处理补充后的特征数据样本，得到第二校准参数。

进一步的，所述剔除特征数据样本中不符合标准的数据点中，对所述标准的定义为：

将所述第一校准参数回带到校准模型中，根据校准后的修正样本值和标准样本值相减，根据设定该差值的阈值，判断样本点是否符合标准，所述设定该差值的阈值可以根据校准精度适应性设定。

进一步的，所述对第二校准参数进行检测，具体为：

判断所述第二校准参数是否通过阈值范围检测；

若第二校准参数的检测结果未通过，则重新获取第二校准参数；

若第二校准参数的检测结果通过，则得到第三校准参数。

进一步的，所述第三校准参数：

将所述第三校准参数存储，作为下一架次无人机飞行时的初始校准参数；

将所述第三校准参数用于修正原始磁感应强度数据，得到修正后的无人机航向信息。

进一步的，所述修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息是否匹配具体为：

将修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息作差并取绝对值，对所述绝对值与最大允许偏差进行比对，若所述绝对值大于所述最大允许偏差值，则重新获取修正后的无人机航向信息。

本发明提供了一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，具有如下有益技术效果：

本发明记载的技术方案属于空中磁传感器校准办法，首先，在数据采集处理以及校准参数的计算中，由于本发明的磁传感器校准原理是对未校准磁传感器数据与标准的磁传感器数据进行拟合过程中，而在标准的磁传感器数据计算过程中，其包含的参数对无人机飞行姿态与轨迹没有进行限制，因此该过程对飞行姿态和轨迹没有限制，而且该方案当采集的数据量达到一定阈值数目后，就可以很好反映校准磁传感器数据与标准磁传感器数据的关系，且该阈值数目所涵盖的采样航向角度范围低于整周的角度，因此对采集数据量也没有硬性限制，可以在采集数据量达到一定阈值后进行校准参数计算，不需要对无人机完成360度方向上的采集才进行校准参数的计算；

其次，利用校准参数去检测采样点的异常情况，以及对于校准参数进行阈值范围检测，这两种方案能够有效排除磁传感器和环境异常造成的校准偏差，优化磁传感器校准效果。

再有就是将修正后的航向信息与GNSS航向信息进行比较，实现了对校准后的磁传感器航向角偏差的实时监控，其优点在于，当无人机进行长距离飞行后，由于无人机所处的地磁环境改变或者磁传感器的漂移会导致校准效果变差，上述技术方案可以很好地解决这个问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1为基于GNSS测向的磁传感器校准方法的流程图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为了获得准确的校正参数，得到实时正确的航向信息，需要以下几个模块：

GNSS测向模块、飞控计算模块、磁传感器模块、地磁模型模块、数据采集处理模块、参数计算模块、校准检测模块、校准管理模块。

其中，GNSS测向模块负责向数据采集处理模块提供GNSS航向信息，向地磁模型模块提供无人机当前日期与经纬度信息；

飞控计算模块负责向数据采集处理模块提供姿态角、GNSS测向状态、飞行状态信息，以及存储磁传感器校准参数；

磁传感器模块负责向数据采集处理模块、校准管理模块和飞控计算模块提供磁传感器三轴磁感应强度，磁航向信息；

地磁模型模块负责向数据采集处理模块提供无人机所处区域的磁倾角、偏角以及磁感应强度信息；

数据采集处理模块通过收集到的数据计算得到标准磁感应强度数据，并迭代生成参数计算模块需要的矩阵和向量信息；

参数计算模块负责计算磁传感器校准参数，然后把校准参数传送给校准检测模块；

校准检测模块负责对数据采集处理模块中的处理点进行异常点检测以及对于校准参数进行阈值约束检测，根据检测结果对数据采集处理模块进行操作，并将检测结果返回给校准管理模块和飞控计算模块；

校准管理模块负责对磁传感器校准后的效果进行实时检测，并依据效果判断是否重复校准过程。

如图1所示，在无人机处于飞行状态时，根据GNSS测向状态信息，判断是否进入地磁模型模块；其判断的标准是无人机是否处于飞行状态以及测向信息是否可用，通过地磁模型模块返回的地磁信息和GNSS测向模块返回的GNSS航向信息，即一个标识位，如果该标识位为TURE，则判断无人机处于飞行状态且地磁模型模块开始工作，地磁模型模块开始采集无人机所在区域的磁倾角、磁偏角、磁感应强度等信息，并将上述信息发送至数据采集处理模块。

数据采集处理模块获取地磁模型模块返回的地磁信息、GNSS测向模块实时返回的GNSS航向信息、飞控计算模块的姿态角信息和磁传感器模块的原始三轴磁感应强度信息，参数计算模块负责计算磁传感器的第一校准参数，具体为：由公式：M_标准值＝C·M_原始值+B计得，M_原始值表示原始磁传感器三轴数据。

M_标准值由以下模型得到：

其中H₀表示水平磁感线强度，β表示磁倾角，ψ表示通过GNSS测向得到的标准磁航向，θ，φ分别表示滚转角与俯仰角。

其中，

B矩阵中bias_x、bias_y、bias_z分别表示X、Y、Z三个轴的零偏误差，C矩阵中的主对角线上的三个参数C_xx、C_yy、C_zz分别表示X、Y、Z三个轴的尺度因子，其余项表示交叉因子。

C矩阵和B矩阵为这三个轴校准需要的全部参数，C_xx,C_xy,C_xz,bias_x为X轴的待校准参数，C_yx,C_yy,C_yz,bias_y为Y轴的待校准参数，C_zx,C_zy,C_zz,bias_z为Z轴的待校准参数。

由上述模型计算可得与原始三轴磁感应强度信息相对应的标准三轴磁感应强度信息，对原始三轴磁感应强度信息和标准三轴磁感应强度信息进行最小二乘法迭代，得到一个四维的线性代数问题，从而得到对应的矩阵和向量信息；设计共轭梯度迭代求解器计算所述矩阵和向量信息，得到三维数轴X、Y、Z每个轴上的四个校准参数。将所述校准参数发送至校准检测模块。

需要知道的是在无人机飞行过程中采集处理数据，标准磁传感器数据的获取根据上述M_标准值获得，该公式不需要对无人机飞行姿态与轨迹进行限制，任何姿态与轨迹下都可以计算出所述M_标准值。

而且对采集数据量也没有硬性限制，由于本发明记载的磁传感器校准原理是对未校准磁传感器数据与标准的磁传感器数据进行拟合，当采集的数据量达到一定阈值数目后，在具体实践过程中，当采集的数据量包含180个以上的角度后，就可以进行校准计算了，且具有显著的校准效果。该阈值数目所涵盖的采样航向角度范围低于整周的角度。因此可以在采集数据量达到一定阈值后进行校准参数计算，不需要对无人机完成360个方向上的数据采集才进行参数计算。

校准检测模块接收所述第一校准参数，基于模型参数和特征数据样本，利用第一校准参数去检测采样点的异常情况，剔除特征数据样本点中不符合标准的特征数据样本，所述不符合标准的特征数据样本点的定义为：将第一校准参数回带到校准模型中，根据校准后的修正样本值和标准样本值相减，根据设定该差值的阈值，判断特征数据样本点的好与差，所述设定该差值的阈值可以根据校准精度适应性设定。

判断剔除不符合标准的特征数据样本点的个数，如果剔除不符合标准的特征数据样本点的个数多于预设值，则返回至数据处理采集模块重新获取特征数据样本，重新进行处理得到新的校准参数，直至利用得到的校准参数进行检测时，剔除的不符合标准的特征数据样本点的个数满足预设值，其中该预设值可根据校准精度自行设定。如果剔除不符合标准的特征数据样本点的个数满足预设值，则需要对剔除的特征数据样本点个数进行相应的补充。当获得的校准参数对应的特征数据样本点满足预设值时，将所述第一校准参数记为第二校准参数，再对所述第二校准参数进行阈值范围检测，如果检测结果超出预设阈值范围，则返回至数据处理采集模块重新获取特征数据样本，重新进行处理得到新的第二校准参数，对新的第二校准参数进行阈值范围检测，直至第二校准参数满足预设阈值范围，当第二校准参数满足预设阈值范围时，所述预设阈值范围可根据校准精度自行设定。将所述通过检测的第二校准参数记为第三校准参数；将所述第三校准参数发送至飞控计算模块存储，当下一架次无人机进行飞行时，可以用所述第三校准参数作为初始校准参数进行校准。将所述第三校准参数发送至校准管理模块和控制计算模块。上述记载的技术方案能够有效排除磁传感器和环境异常造成的校准偏差，优化磁传感器校准效果。

根据所述第三校准参数修正原始磁感应强度数据，并由此得到修正后的无人机磁航向信息，将无人机磁航向信息减去无人机所处位置的地磁偏角，则得到无人机的航向信息，将修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息进行比较，具体为，将修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息作差并取绝对值，并将该绝对值与最大允许偏差值进行比较，如果所述绝对值大于最大允许偏差值，则返回至数据处理采集模块重新获取特征数据样本，重新进行计算得到新的第三校准参数，得到新的修正后的无人机航向信息。上述方法实现了对校准后的磁传感器航向角偏差的实时监控，其优点在于，当无人机进行长距离飞行后，由于无人机所处的地磁环境改变或者磁传感器的漂移会导致校准效果变差，为保证优良的校准效果，提出上述技术方案用以解决该问题。

至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。

提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。

在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或可选择的步骤。

Claims (10)

1.一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述方法包括：

获取无人机的特征数据样本，并进行处理，得到第一校准参数；

所述第一校准参数对所述无人机的特征数据样本进行校验，若校验通过，得到第二校准参数；

判断所述第二校准参数是否通过阈值范围检测，若通过，得到第三校准参数，所述第三校准参数修正原始磁感应强度数据，得到修正后的无人机航向信息；

判断所述修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息是否匹配，若不匹配，则重新进行无人机航向信息校准。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述特征数据样本包括：

GNSS测向状态信息、地磁信息、姿态角信息或原始三轴磁感应强度信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，将所述特征数据样本进行处理的过程为：

对所述特征数据样本进行计算，得到与所述特征数据样本相对应的标准三轴磁感应强度信息；

对所述标准三轴磁感应强度信息和原始三轴磁感应强度信息进行处理，得到与所述标准三轴磁感应强度信息和原始三轴磁感应强度信息对应的矩阵和向量信息；

对所述矩阵和向量信息进行处理，得到第一校准参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述将所述标准三轴磁感应强度信息和原始三轴磁感应强度信息进行处理的方式具体为：

利用最小二乘法迭代得到一个四维的线性代数问题，得到对应的矩阵和向量信息。

5.根据权利要求3所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述将所述对应的矩阵和向量信息进行处理的方式具体为：

设计共轭梯度迭代求解器处理所述矩阵和向量信息，得到三维数轴每个轴上的四个校准参数。

6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述第一校准参数对所述无人机的特征数据样本进行检测，具体为：

剔除特征数据样本中不符合标准的数据点，若剔除的特征数据样本多于预设值，则重新获取无人机的特征数据样本，重新处理得到第一校准参数，并利用所述第一校准参数对特征数据样本进行检测；

若剔除的特征数据样本少于预设值，则补充相应个数的特征数据样本，再重新处理补充后的特征数据样本，得到第二校准参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述剔除特征数据样本中不符合标准的数据点，对所述标准的定义为：

将所述第一校准参数回带到校准模型中，根据校准后的修正样本值和标准样本值相减，根据设定该差值的阈值，判断样本点是否符合标准，所述设定该差值的阈值可以根据校准精度适应性设定。

8.根据权利要求1所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述对第二校准参数进行检测，具体为：

判断所述第二校准参数是否通过阈值范围检测；

若第二校准参数的检测结果未通过，则重新获取第二校准参数；

若第二校准参数的检测结果通过，则得到第三校准参数。

9.根据权利要求8所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述第三校准参数：

将所述第三校准参数存储，作为下一架次无人机飞行时的初始校准参数；

将所述第三校准参数用于修正原始磁感应强度数据，得到修正后的无人机航向信息。

10.根据权利要求1所述的一种基于GNSS测向的磁传感器校准方法，其特征在于，所述修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息是否匹配具体为：

将修正后的无人机航向信息与GNSS航向信息作差并取绝对值，对所述绝对值与最大允许偏差进行比对，若所述绝对值大于所述最大允许偏差值，则重新获取修正后的无人机航向信息。

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