CN113639763B - 基于地磁传感器的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地磁传感器的温度补偿方法，该方法通过对传感器的温度误差的研究分析设计出温度误差漂移模型，然后由温度传感器和地磁传感器来测得不同温度下地磁在各个敏感轴上的分量数据，在拟合出温度漂移系数之后，得到温度修正系数和零偏，并结合模型得出在不同温度下补偿后的各敏感轴数据。本发明通过仿真分析温度补偿前后磁传感器的输出对比，验证该方法能有效对温度误差进行补偿，有效提高了地磁数据的测量精度和测量飞行控制精度，且方法简单高效，可以被工程实际应用。

Description

基于地磁传感器的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种传感器数据的补偿和处理方法，具体涉及一种基于地磁传感器的温度标定方法。

背景技术

当前磁传感器技术在旋转体姿态测量中占据着越来越重要的地位，通过它测定周围磁场的分布变化来判断被测物体的运动姿态等信息，由此来相应地改变旋转体运动的轨迹，有着安全、高效的特点。但是磁传感器在抗干扰方面还存在一定的不足，当温度发生较大变化时，磁传感器的精确度和灵敏度会受到相应的影响，目前最常见的温度补偿方法有灵敏度系数温度补偿和零点温度补偿等，两种方法在补偿时，需要引入惠斯登电桥电路、并联电阻补偿电路和串联电阻补偿电路进行补偿，其结构相对较为复杂，且对补偿电路的安装和选型有一定的需求，相对较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地磁传感器的温度补偿方法，能够尽可能地减少地磁传感器在采集地磁数据时受温度的影响，降低测量误差。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于地磁传感器的温度补偿方法，该方法包括：

建立载体坐标系：载体坐标系用于模拟地磁传感器的安装位置和试验环境；

安装地磁传感器：地磁传感器的安装方法与载体坐标系建立方法一致；

温度误差分析：温度误差分析用于决定后续温度误差模型的建立方式和参数选择，建立方式为一次和二次曲线拟合，参数选择包括地磁原始值、温度影响系数和零偏影响系数；

建立温度误差模型：温度误差模型分为两个部分，一是偏置常数温度漂移，另一部分是比例系数温度漂移，并结合地磁传感器的输出和姿态特点，建立一组温度误差方程；

标定方程：标定方程是根据温度误差模型的原始方程，反推出参考温度下的地磁实测值；

数据采集和标定试验：数据处理采集和标定试验部分是将系统置于不同温度下进行地磁数据的采集并记录；

数据处理：数据处理部分是根据数据采集和标定试验得到的数据进行处理，分为三个主要步骤，分别为参考温度下的修正系数和零偏计算、每个温度下的温度修正系数和零偏计算以及拟合温度修正曲线，得到拟合结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明针对地磁传感器在较大温差下有着不同的输出结果来研究设计了完善的温度补偿方案，先利用温度和地磁数据求出温度系数，利用地磁数据和求得的温度补偿系数与零偏，仿真验证了此方法的可行性和正确性，最大程度上保证了测量结果的真实性、准确度。

附图说明

图1为本发明的思路流程图。

图2为本发明的载体坐标系图。

图3为本发明的地磁传感器安装示意图。

图4为本发明在零上45摄氏度时，以测量系统指向北向为例，温度补偿前后地磁采样结果对比图。

图5为本发明在零下10摄氏度时，以测量系统指向北向为例，温度补偿前后地磁采样结果对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明一种基于地磁传感器的温度补偿方法作进一步详细说明。

如图1所示，该方法包括的步骤有载体坐标系建立、地磁传感器的安装、温度误差分析、建立温度误差模型、标定方程、数据采集和标定试验、数据处理、补偿前后数据对比。图2的载体坐标系模拟了地磁传感器的安装位置和试验环境；图3的地磁传感器的安装方法与载体坐标系建立方法一致，也与实际试验时传感器位置一致；温度误差分析决定了后续温度漂移模型的建立方式和参数选择；建立方式和参数选择具体取决于温度误差分析中的变量和常量系数，本发明的建立方式为一次和二次曲线拟合，参数选择了地磁原始值、温度影响系数和零偏影响系数系数；温度误差模型分为两个部分，一是偏置常数温度漂移，另一部分是比例系数温度漂移，并结合地磁传感器的输出和姿态特点，可以建立一组温度误差方程；标定方程是根据温度误差模型的原始方程，反推出参考温度下的地磁实测值；数据处理采集和标定试验部分是将系统(旋转体测量装置)置于不同温度下进行地磁数据的采集并记录；数据处理部分是根据数据采集和标定试验得到的数据进行处理，分为三个主要步骤，分别为参考温度下的修正系数和零偏、每个温度下的温度修正系数和零偏，以及拟合温度修正曲线，得到拟合结果。

载体坐标系，建立的时候首先找出模型的中心点，以此为原点，将ox轴正向定为模型右翼的方向，而oz轴则是垂直于ox，oy轴组成的平面，并且方向由平面指向下方，如图2所示；地磁传感器型号是HMC1052磁传感器，安装时用两个磁传感器，利用每个磁传感器存在着两个互相垂直的敏感轴的特性进行安装；将传感器的两个轴分别称为A,B轴，对于传感器S1，可以它的A轴与载体纵轴重合，然后让B轴与oy轴重合；对于传感器S2。它的两个轴和传感器S1的两个轴处于同一个平面，并且它的A轴与oy的夹角为λ，如图3所示。

温度误差分析，不同于较为复杂的灵敏度系数温度补偿法和零点温度补偿法，采用的是建立温度漂移模型以及拟合温度漂移系数进行补偿。分析温度误差与温度、地磁数据之间的影响参数，具体影响参数为偏置常数温度漂移和比例系数温度漂移两部分，根据这两部分影响参数建立温度误差模型。

对于温度漂移误差模型，其模型表达式如下：

式中

为实测温度T下的三轴地磁实测值，

为参考温度T₀下的三轴地磁实测值，

为参考温度T₀下的零偏影响系数；

为实测温度T下的温度影响系数，

为实测温度T下的零偏影响系数。

可以推导出标定方程，即参考温度T₀下的补偿后的三轴地磁实测值可表示为：

数据采集和标定试验的步骤具体为：

首先准备好稳压电源、上位机(计算机)、温控箱(20摄氏度作为基准温度)。

(1)将旋转体测量装置放置在温箱内，以不超过5℃/min的变温速率降至 -40℃后保温1小时；

(2)将无磁平台按磁北方向调至水平位置；

(3)将旋转体测量装置从保温箱去出，用保温套包裹，安装至无磁转台上；

(4)旋转体测量装置上电。记录仪开始采样，釆样频率100Hz；

(5)将旋转体测量装置绕旋转体轴慢速转动三圈，连续采样；

(6)然后分别将转台的朝向水平转动90°、180°、270°、360°，在每个位置上将旋转体测量装置绕旋转体轴慢速转动三圈，连续采样；

(7)去除旋转体测量装置用保温套，让其自然升温，升至-20℃左右，加上保温套，重复步骤(1)～(6)；

(8)重复(7)，再依次对0℃、环境温度等两种温度下进行测试；

(9)将旋转体测量装置放置在温箱内，以不超过5℃/min的变温速率升至 55℃后保温1小时，重复步骤(2)～(8)，测试温度为55℃、35℃、自然温度。

数据处理步骤具体为:

1)参考温度下的修正系数和零偏计算

假设以20℃作为参考温度，即T₀为20℃，设在该温度T₀下共进行4次测量 (0°、90°、180°、270°)。

(1)、x轴偏置计算

x轴温度标定方法如下：

H″_x，0(T₀)＝H′_x,0(T₀)+B₁(T₀) (1)

H″_x,90(T₀)＝H′_x,90(T₀)+B₁(T₀) (2)

H″_x,180(T₀)＝H′_x,180(T₀)+B₁(T₀) (3)

H″_x,270(T₀)＝H′_x,270(T₀)+B₁(T₀) (4)

式中H″_x,i(T₀)为角度i下次x轴测量的平均值，H′_x,i(T₀)为无偏置的理论地磁值，B₁(T₀)为x轴的偏置值。

由(1)+(3)和(2)+(4)，可得

将上述两个计算结果取平均值，可作为x轴的偏置的估计值。

(2)、y轴和z轴偏置计算

y轴温度标定方法如下：

H″_ymax,0(T₀)＝H′_ymax,0(T₀)+B₂(T₀) (5)

H″_ymin,0(T₀)＝H′_ymin,0(T₀)+B₂(T₀) (6)

H″_ymax,90(T₀)＝H′_ymax,90(T₀)+B₂(T₀) (7)

H″_ymin,90(T₀)＝H′_ymin,90(T₀)+B₂(T₀) (8)

H″_ymax,180(T₀)＝H′_ymax,180(T₀)+B₂(T₀) (9)

H″_ymin,1800(T₀)＝H′_ymin,180(T₀)+B₂(T₀) (10)

H″_ymax,270(T₀)＝H′_ymax,270(T₀)+B₂(T₀) (11)

H″_ymin,270(T₀)＝H′_ymin,270(T₀)+B₂(T₀) (12)

式中H″_ymax,i(T₀)为角度i下y轴测量的最大值，H′_{ymax ,i}(T₀)为无偏置的理论最大值， B₂(T₀)为y轴的偏置值。

由(5)至(12)，可得

将上述四个计算结果取平均值，可作为y轴的偏置的估计值。

z轴温度标定方法与y相同。

2)每个温度下的温度修正系数和零偏计算

(1)、x轴的温度标定：

假设以20℃作为参考温度，即T₀为20℃，设在温度T(T≠T₀)下共进行n 次测量(0°、90°、180°、270°)，x轴温度标定方法如下：

H″_xi(T)＝C₁(T)[H″_xi(T₀)-B₁(T₀)]+B₁(T)i＝1,…,n

式中H″_xi(T)为第i次x轴测量的平均值。利用上式，采用最小二乘法可确定温度 T下的C₁(T)和B₁(T)(C₁(T₀)＝1)。(一次拟合)

(2)、y轴和z轴的温度标定：

H″_ymax,i(T)＝C₂(T)[H″_ymax,i(T₀)-B₂(T₀)]+B₂(T)，i＝1，…，n

H″_ymin，i(T)＝C₂(T)[H″_ymin，i(T₀)-B₂(T₀)]+B₂(T)，i＝1，…，n

利用上式，采用最小二乘法可确定温度T下的C₁(T)和B₁(T)(C₂(T₀)＝1)。(一次拟合)

3)拟合温度修正曲线

测量计算得到各轴的C_k(T_i)、B_k(T_i)，k＝1,2,3；i＝1,…,n，可采用二次曲线进行拟合，得到温度标定曲线C_k(T)～T、B_k(T)～T。

C₁(T)、C₂(T)、C₃(T)、B₁(T)、B₂(T)、B₃(T)均为温度T的二次函数，即 f(T)＝a₀+a₁T+a₂T²,其中a₀、a₁、a₂为装定参数，a的下角标与B、C的下角标对应。

计算得到的补偿公式见表1，试验环境信息见表2。

表1试验环境下测得的温度修正系数和零偏表达式

表2试验地区位置信息

表1中内容为本发明所在试验环境下，得到的温度修正系数和零偏与温度t 的关系式，t的单位为摄氏度。表2为本发明的试验地区位置信息表。

根据补偿公式得到的不同温度下的补偿前后的地磁数据见图4和图5。可以看出，补偿后的X、Y、Z三轴地磁数据波动较补偿前，大幅度减少；X、Y、Z 三轴地磁数据近似一致，并在不同温度下无明显差别，温度补偿完成。

Claims (9)

1.一种基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，该方法包括：

建立载体坐标系：载体坐标系用于模拟地磁传感器的安装位置和试验环境；

安装地磁传感器：地磁传感器的安装方法与载体坐标系建立方法一致；

温度误差分析：温度误差分析用于决定后续温度误差模型的建立方式和参数选择，建立方式为一次和二次曲线拟合，参数选择包括地磁原始值、温度影响系数和零偏影响系数；

建立温度误差模型：温度误差模型分为两个部分，一是偏置常数温度漂移，另一部分是比例系数温度漂移，并结合地磁传感器的输出和姿态特点，建立一组温度误差方程；

标定方程：标定方程是根据温度误差模型的原始方程，反推出参考温度下的地磁实测值；

数据采集和标定试验：将系统置于不同温度下进行地磁数据的采集并记录；步骤具体为：

首先准备好稳压电源、上位机、温控箱；

(1)将旋转体测量装置放置在温箱内，以不超过5℃/min的变温速率降至-40℃后保温1小时；

(2)将无磁平台按磁北方向调至水平位置；

(3)将旋转体测量装置从保温箱去出，用保温套包裹，安装至无磁转台上；

(4)旋转体测量装置上电,记录仪开始采样，釆样频率100Hz；

(5)将旋转体测量装置绕旋转体轴慢速转动三圈，连续采样；

(6)然后分别将转台的朝向水平转动90°、180°、270°、360°，在每个位置上将旋转体测量装置绕旋转体轴慢速转动三圈，连续采样；

(7)去除旋转体测量装置用保温套，让其自然升温，升至-20℃左右，加上保温套，重复步骤(1)～(6)；

(8)重复(7)，再依次对0℃、环境温度两种温度下进行测试；

(9)将旋转体测量装置放置在温箱内，以不超过5℃/min的变温速率升至55℃后保温1小时，重复步骤(2)～(8)，测试温度为55℃、35℃、自然温度；

数据处理：根据数据采集和标定试验得到的数据进行处理，分为三个主要步骤，分别为参考温度下的修正系数和零偏计算、每个温度下的温度修正系数和零偏计算以及拟合温度修正曲线，得到拟合结果。

2.根据权利要求1所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的载体坐标系建立时，首先找出模型的中心点，以此为原点，将ox轴正向定为模型右翼的方向，而oz轴则是垂直于ox，oy轴组成的平面，并且方向由平面指向下方。

3.根据权利要求1所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的地磁传感器的安装是用两个磁传感器，利用每个磁传感器存在着两个互相垂直的敏感轴的特性进行安装；将传感器的两个轴分别称为A、B轴，对于传感器S1，以A轴与载体纵轴重合，然后让B轴与oy轴重合；对于传感器S2；其两个轴和传感器S1的两个轴处于同一个平面，并且它的A轴与oy的夹角为λ。

4.根据权利要求3所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的地磁传感器型号是HMC1052磁传感器。

5.根据权利要求1所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的温度误差分析，是分析温度误差与温度、地磁数据之间的影响参数，具体影响参数为偏置常数温度漂移和比例系数温度漂移两部分，根据这两部分影响参数建立温度误差模型。

6.根据权利要求1或5所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的温度误差模型，其模型表达式如下：

式中

为实测温度T下的三轴地磁实测值，

为参考温度T₀下的三轴地磁实测值，

为参考温度T₀下的零偏影响系数；

为实测温度T下的温度影响系数，

为实测温度T下的零偏影响系数。

7.根据权利要求6所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的标定方程，即参考温度T₀下的补偿后的三轴地磁实测值可表示为：

8.根据权利要求1所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，该方法选择20摄氏度作为温度标准。

9.根据权利要求1所述的基于地磁传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述的数据处理步骤具体为：

1)参考温度下的修正系数和零偏计算

以实验室环境的20℃作为参考温度，即T₀为20℃，在该温度T₀下共进行4次测量；

(1)x轴偏置计算

x轴温度标定方法如下：

H″_x,0(T₀)＝H′_x,0(T₀)+B₁(T₀) (1)

H″_x,90(T₀)＝H′_x,90(T₀)+B₁(T₀) (2)

H″_x,180(T₀)＝H′_x,180(T₀)+B₁(T₀) (3)

H″_x,270(T₀)＝H′_x,270(T₀)+B₁(T₀) (4)

式中H″_x,i(T₀)为角度i下的x轴测量的平均值，H′_x,i(T₀)为无偏置的理论地磁值，B₁(T₀)为x轴的偏置值；

由(1)+(3)和(2)+(4)，可得

将上述两个计算结果取平均值，可作为x轴的偏置的估计值；

(2)y轴和z轴偏置计算

y轴温度标定方法如下：

H″_ymax,0(T₀)＝H′_ymax,0(T₀)+B₂(T₀) (5)

H″_ymin,0(T₀)＝H′_ymin,0(T₀)+B₂(T₀) (6)

H″_ymax,90(T₀)＝H′_ymax,90(T₀)+B₂(T₀) (7)

H″_ymin,90(T₀)＝H′_ymin,90(T₀)+B₂(T₀) (8)

H″_ymax,180(T₀)＝H′_ymax,180(T₀)+B₂(T₀) (9)

H″_ymin,180(T₀)＝H′_ymin,180(T₀)+B₂(T₀) (10)

H″_ymax,270(T₀)＝H′_ymax,270(T₀)+B₂(T₀) (11)

H″_ymin,270(T₀)＝H′_ymin,270(T₀)+B₂(T₀) (12)

式中H″_ymax,i(T₀)为角度i下的y轴测量的最大值，H′_ymax,i(T₀)为无偏置的理论最大值，B₂(T₀)为y轴的偏置值；

由(5)至(12)，可得

将上述四个计算结果取平均值，作为y轴的偏置的估计值；z轴温度标定方法与y相同；

2)每个温度下的温度修正系数和零偏计算

(1)x轴的温度标定：

假设以20℃作为参考温度，即T₀为20℃，设在温度T下共进行n次测量，T₀≠T，x轴温度标定方法如下：

H″_xi(T)＝C₁(T)[H″_xi(T₀)-B₁(T₀)]+B₁(T)i＝1,…,n

式中H″_xi(T)为第i次x轴测量的平均值；利用上式，采用最小二乘法可确定温度T下的C₁(T)和B₁(T)，C₁(T₀)＝1；

(2)y轴和z轴的温度标定：

H″_ymax,i(T)＝C₂(T)[H″_ymax,i(T₀)-B₂(T₀)]+B₂(T),i＝1,…,n

H″_ymin,i(T)＝C₂(T)[H″_ymin,i(T₀)-B₂(T₀)]+B₂(T),i＝1,…,n

利用上式，采用最小二乘法可确定温度T下的C₁(T)和B₁(T)，C₂(T₀)＝1；

3)拟合温度修正曲线

测量计算得到各轴的C_k(T_i)、B_k(T_i)，k＝1,2,3；i＝1,…,n，采用二次曲线进行拟合，得到温度标定曲线C_k(T)～T、B_k(T)～T；

C₁(T)、C₂(T)、C₃(T)、B₁(T)、B₂(T)、B₃(T)为温度T的二次函数，即f(T)＝a₀+a₁T+a₂T²，其中a₀、a₁、a₂为装定参数。

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