CN114111841B - 数据校准方法与数据校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种数据校准方法与数据校准装置。数据校准方法包括：获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据；根据多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。本发明实施例中的数据校准方法与数据校准装置降低了磁力计的测量误差。

Description

数据校准方法与数据校准装置
技术领域
本发明涉及导航仪器校准技术领域，更具体而言，涉及一种数据校准方法与数据校准装置。
背景技术
在导航系统中，加速度计和陀螺仪组成惯性测量单元，在某些精度要求较高的情况下，加速度计和陀螺仪自身的误差和漂移造成惯性测量单元输出的姿态和航向参数精度无法满足导航系统的要求。由于磁力计具有估计误差不累计的优点，因此磁力计常被用来补偿陀螺仪的漂移，从而提高姿态角的测量精度。由惯性测量单元和磁力计组成的导航系统，可以提高姿态角和偏航角的测量精度。但是，磁力计的输出值受到周围磁场环境干扰而产生误差，因此，亟需设计一种数据校准方法与数据校准装置，来降低磁力计的测量误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种数据校准方法与数据校准装置，降低了磁力计的测量误差。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于磁力计的数据校准方法，磁力计和加速度计搭载于同一载体，包括：
获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据；
根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
利用所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。
可选地，所述多个磁力计三轴测量数据和所述多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。
可选地，所述磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域。
可选地，所述根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵包括：
基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域；
基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据；
基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。
可选地，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据前，所述数据校准方法还包括：
建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型；
其中，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据代入上述方程，可求解上述方程的系数，即所述软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域包括：
根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角；
基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系；
基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角；
基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据包括：
在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序进行选取。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。
可选地，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据包括：
利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准所述多个磁力计三轴测量数据。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于磁力计的数据校准装置，磁力计和加速度计搭载于同一载体，包括：
测量数据获取单元，用于获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据；
椭球拟合运算单元，用于根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
校准单元，用于利用所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。
可选地，所述多个磁力计三轴测量数据和所述多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。
可选地，所述磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域。
可选地，所述根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于所述磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵包括：
基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域；
基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据；
基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。
可选地，所述数据校准装置还包括：
模型建立单元，用于建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型；
其中，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据代入上述方程，可求解上述方程的系数，即所述软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域包括：
根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角；
基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系；
基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角；
基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据包括：
在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序进行选取。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。
可选地，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据包括：
利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准所述多个磁力计三轴测量数据。
根据本发明实施例的数据校准方法与数据校准装置，根据多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。软磁补偿矩阵校准磁力计所受到的软磁干扰，硬磁补偿矩阵校准磁力计所受到的硬磁干扰，降低了磁力计的测量误差。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了本发明实施例的数据校准方法的整体流程示意图；
图2示出了本发明实施例的磁力计的结构示意图；
图3示出了本发明实施例的数据校准方法的椭球拟合运算的流程示意图；
图4示出了本发明实施例的数据校准方法的磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型表面区域的算法流程示意图；
图5示出了本发明实施例的数据校准方法的磁力计三轴测量数据选取的流程示意图；
图6示出了本发明实施例的数据校准装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了本发明实施例的数据校准方法的流程示意图。具体包括以下步骤：
在步骤S110中，获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据。
在该步骤中，获取磁力计采集的多个磁力计三轴测量数据和加速度计采集的多个加速度计三轴测量数据。多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。磁力计和加速度计搭载于同一载体，载体例如为飞行器、机器人、汽车、移动终端等。载体处于地球磁场中，地球磁场是一种地球固有矢量场，其磁场信号稳定、便于测量，具有全天候、隐蔽性好、可靠性高等优点，广泛用于航空、航海、航天导航系统中。
加速度计检测载体在载体坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向上的加速度分量。磁力计检测载体在载体坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向上的磁感应强度分量。图2示出了本发明实施例的磁力计的结构示意图。如图2所示，磁力计包括X轴传感器210、Y轴传感器220、Z轴传感器230、选通器240、放大器250和模数转换器260。X轴传感器210、Y轴传感器220和Z轴传感器230是各向异性磁致电阻(AMR)传感器，分别测量载体在载体坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向上的磁阻信号。磁阻信号表征磁感应强度的大小。选通器240将X轴、Y轴和Z轴方向上的磁阻信号依次传输给放大器250。模数转换器260将放大后的X轴、Y轴和Z轴方向上的磁阻信号转换为数字信号。在一些实施例中，载体中设置有微控制单元，微控制单元可通过串行数据接口对磁力计进行设置，以及采集磁力计检测的磁力计三轴测量数据。
在一些实施例中，每隔一定时间间隔获取一次磁力计采集的磁力计三轴测量数据和加速度计采集的加速度计三轴测量数据。例如，利用定时器，每隔20ms获取一次磁力计采集的磁力计三轴测量数据和加速度计采集的加速度计三轴测量数据。一般来说，加速度计和磁力计的数据测量频率速率大于等于50Hz。
在一些实施例中，利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准步骤S110中获取的多个磁力计三轴测量数据。初始的软磁补偿矩阵例如是W_inverted[3,3]＝{{0.9961,0.0048,0.0072},{0.0048,1.0135,0.0061},{0.0072,0.0061,0.9907}}，初始的硬磁补偿矩阵例如是offset[3]＝{-5.3609,54.4549,10.1006}，单位是毫高斯(mg)。初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵可以通过matlab仿真软件仿真预先采集的加速度计三轴测量数据和磁力计三轴测量数据来获得。
在步骤S120中，根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。
这里的磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，可以在步骤S110前建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型。磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；预设数量的磁力计三轴测量数据代入上述方程，可求解上述方程的系数，即软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
在该步骤中，根据多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。需要说明的是，磁力计随着载体同步运动，导致磁力计测量误差的因素主要有系统误差和环境磁场的磁干扰。系统误差包括在制造过程中的零偏、非正交误差、刻度因子误差等，系统误差可通过对磁力计进行使用前校正来消除。而环境磁场的磁干扰主要来自载体内部更重铁磁性物质和电子设备所产生的磁场，来源复杂且随载体的工作状态不断变化。环境磁场的磁干扰造成的测量误差远大于磁力计的系统误差。环境磁场的磁干扰根据性质可分为硬磁干扰和软磁干扰。硬磁干扰主要由载体上铁磁性物质的剩磁产生，这些剩磁所产生的干扰磁场在短时间内不随时间而变化。软磁干扰主要由载体上的软磁材料在地球磁场中被磁化而产生。在本发明实施例中，软磁补偿矩阵用于校准软磁干扰，硬磁补偿矩阵用于校准硬磁干扰。
图3示出了本发明实施例的数据校准方法的的椭球拟合运算流程示意图。图3示出了图1中的步骤S120中生成软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵的具体流程，包括以下步骤：
在步骤S310中，基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域。
磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域。需要说明的是，由于载体处于地球磁场和环境磁场的磁干扰中，故磁力计所处磁场环境的磁场模型为椭球体模型。在导航坐标系(例如北东地(NED)坐标系)中，载体的姿态描述为俯仰角pitch、偏航角yaw和横滚角roll。俯仰角pitch是载体绕导航坐标系的Y轴旋转的角度，偏航角yaw是载体绕导航坐标系的Z轴旋转的角度，横滚角roll是载体绕导航坐标系的X轴旋转的角度。在一些实施例中，预先设置俯仰角pitch步进和偏航角yaw步进，俯仰角pitch步进是载体绕导航坐标系的Y轴旋转的角度步进。偏航角yaw步进是载体绕导航坐标系的Z轴旋转的角度步进。按照俯仰角pitch步进和偏航角yaw步进，将磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型的表面划分为多个表面区域。多个表面区域可以映射为二维数组Map，二维数组Map的行下标Map_yaw表征偏航角yaw，二维数组的列下标Map_pitch表征俯仰角pitch。在一些实施例，考虑到俯仰角pitch在-90°至90°范围内变化，偏航角yaw在360°范围内变化，俯仰角pitch步进可以选择6°、9°和12°中的任一个，偏航角yaw步进可以选择6°、8°和10°中的任一个。以俯仰角pitch步进为9°，偏航角yaw步进为8°为例，在导航坐标系(例如北东地(NED)坐标系)中，磁力计校准椭球体模型的表面在Y轴方向分为20份，在X轴方向分为45份，也即是，磁力计校准椭球体模型的表面总共分为900个表面区域。900个表面区域可以映射为二维数组Map[45,20]。磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个互不重叠的小区域。小区域的数量大约有900个，足够多的区域划分，在选取映射到磁力计校准椭球体表面不同区域的磁力计三轴输出测量数据时，增加了判断的频次，从而保证了获取的三轴磁力计数据足够分散，有利于模型的拟合。
在该步骤中，基于多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算多个磁力计三轴测量数据映射到椭球体模型的表面区域。图4示出了本发明实施例的数据校准方法的磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型表面区域的算法流程示意图。图4示出了图3中的步骤S320中计算磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域的具体流程，需要计算多个磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域时，只需要重复执行步骤S410-步骤S440即可。具体包括以下步骤：
在步骤S410中，根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角。
在该步骤中，根据载体坐标系下加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的载体的横滚角roll和俯仰角pitch。
载体的横滚角roll和俯仰角pitch的计算公式为：
其中，是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，Gpx是载体在载体坐标系的X轴方向上的加速度分量，Gpy是载体在载体坐标系的Y轴方向上的加速度分量，Gpz是载体在载体坐标系的Z轴方向上的加速度分量，α是常量，取值近似为5％。
在步骤S420中，基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系。
在该步骤中，基于载体的横滚角roll和俯仰角pitch，将磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系。
将磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系的计算公式为公式(1)，公式(1)经过变换后为：
其中，
将公式(5)至(9)代入公式(4)，可得出的值。其中，Bfx是载体在导航坐标系的X轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bfy是载体在导航坐标系的Y轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bfz是载体在导航坐标系的Z轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bpx为载体在载体坐标系的X轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bpy是载体在载体坐标系的Y轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bpz是载体在载体坐标系的Z轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，若本发明实施例的数据校准方法是第一次执行，则W-1是初始化的软磁补偿矩阵(即W_inverted)，V为初始化的硬磁补偿矩阵，若本发明实施例的数据校准方法不是第一次执行，则W-1是上一次执行本发明实施例的数据校准方法后得到的软磁补偿矩阵，V上一次执行本发明实施例的数据校准方法后得到的硬磁补偿矩阵，δ是从水平方向向下测量的地磁场倾角，在地球表面上从南磁极的-90°到赤道附近的零度到北磁极的+90°，本发明实施例可以不考虑δ。
在步骤S430中，基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角。
在该步骤中，基于导航坐标系下的磁力计三轴测量数据，计算载体的偏航角yaw。
载体的偏航角yaw的公式为：
其中，ψ是载体的偏航角yaw，Bfx是载体在导航坐标系的X轴方向上磁力计三轴测量数据的分量，Bfy是载体在导航坐标系的Y轴方向上磁力计三轴测量数据的分量。
在步骤S440中，基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域。
在该步骤中，基于载体的俯仰角pitch和偏航角yaw，计算磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域。在一些实施例中，基于载体的俯仰角pitch和偏航角yaw，计算磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域对应的二维数组Map的行下标Map_yaw和列下标Map_pitch。基于表面区域对应的二维数组Map的行下标Map_yaw和列下标Map_pitch，得到磁力计三轴测量数据映射到的磁力计校准椭球体模型的表面区域。
磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域对应的二维数组Map的行下标Map_yaw和列下标Map_pitch的计算公式为：
Map_yaw＝(int)(int_yaw/RESX_DEG) (11)
Map_pitch＝(int)(int_pitch/RESY_DEG) (12)
其中，int_yaw是载体的偏航角yaw取整后的结果，int_pitch是载体的俯仰角pitch加90°后取整的结果，RESX_DEG是偏航角yaw步进，RESY_DEG是俯仰角pitch步进。
在步骤S320中，基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据。
在该步骤中，基于多个磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的磁力计三轴测量数据。在一些实施例中，按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据。预设数量的映射到椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据中第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。对映射到磁力计校准椭球体模型不同表面区域的磁力计三轴测量数据根据时间先后顺序选取预设时间范围内的测量数据，要求预设时间比较短(例如12s)，只有在有限的时间内才能保证所获取的三轴磁力计数据处于同一磁场环境下，避免因磁场环境的变化而选取到不同磁场环境下的测量数据，这样提高了拟合的磁力计校准椭球体模型的准确性。图5示出了本发明实施例的数据校准方法的磁力计三轴测量数据选取的流程示意图。图5示出了图3中的步骤S330中在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的磁力计三轴测量数据的具体流程。具体包括以下步骤：
在步骤S510中，获取磁力计三轴测量数据。
在步骤S520中，判断动态链表中存储的磁力计三轴测量数据的数量count_valid是否等于0，如果是，则执行步骤S530。如果否，则执行步骤S540。数量count_valid的初始值为0。
在步骤S530中，建立动态链表，动态链表用于存储预设数量的映射到磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据。
在步骤S540中，判断动态链表中存储的磁力计三轴测量数据的数量count_valid是否等于预设数量VALID_NUM。如果是，则动态链表中存储的磁力计三轴测量数据即为预设数量的映射到磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据。如果否，则执行步骤S550。在一些实施例中，预设数量VALID_NUM可以设为120。
在步骤S550中，判断动态链表中当前存储的磁力计三轴测量数据中是否存在映射到与步骤S510中获取的磁力计三轴测量数据相同的磁力计校准椭球体模型的表面区域的磁力计三轴测量数据。如果否，则执行步骤S560，如果是，则执行步骤S570。
在步骤S560中，在动态链表尾部新增一个节点，将步骤S510中获取的磁力计三轴测量数据、步骤S510中获取磁力计三轴测量数据的测量时刻、以及步骤S510中获取的磁力计三轴测量数据所映射到的磁力计校准椭球体模型的表面区域对应的二维数组Map的行下标Map_yaw和列下标Map_pitch存储至新增节点。动态链表中存储的磁力计三轴测量数据的数量count_valid加1。然后执行步骤S570。在一些实施例中，可以为磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型的多个表面区域对应的二维数组Map建立标签，将动态链表中存储的磁力计三轴测量数据对应二维数组Map的元素Map[Map_yaw][Map_pitch]的标签标记为1，将动态链表中未存储的磁力计三轴测量数据对应二维数组Map的元素Map[Map_yaw][Map_pitch]的标签标记为0。通过查看二维数组Map的元素Map[Map_yaw][Map_pitch]的标签，可以确定与二维数组Map的元素Map[Map_yaw][Map_pitch]对应的磁力计校准椭球体模型的表面区域的相应的磁力计三轴测量数据是否已经存储在动态链表中。
在步骤S570中，确保动态链表尾部节点和头部节点中存储的测量时刻差值小于等于预设时间范围，也即是比较动态链表尾部节点和头部节点中存储的测量时刻的差值，如果差值大于预设时间范围，则删除头部节点，数量count_valid减1，原头部节点中存储的磁力计三轴测量数据对应二维数组Map的元素Map[Map_yaw][Map_pitch]的标签标记为0，直到动态链表尾部节点和头部节点中存储的测量时刻差值小于等于预设时间范围(例如12s)。然后，返回执行步骤S510。
在步骤S330中，基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。
在该步骤中，基于预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵、硬磁补偿矩阵和磁场强度。
在步骤S130中，利用所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。
在该步骤中，利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。在一些实施例中，磁力计三轴输出数据的计算公式为：
Bc＝W-1(Bp-V) (13)
其中，Bc为磁力计三轴输出数据，Bp为当前时刻的磁力计三轴测量数据，W-1为步骤S330中得到的软磁补偿矩阵，V为步骤S330中得到的硬磁补偿矩阵。
图6示出了本发明实施例的数据校准装置的结构示意图。在一些实施例中，数据校准装置、磁力计和加速度计搭载于同一载体。如图6所示，数据校准装置包括：测量数据获取单元610、椭球拟合运算单元620和校准单元630。
测量数据获取单元610，用于获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据。椭球拟合运算单元620，用于根据多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。校准单元630，用于利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。
可选地，所述多个磁力计三轴测量数据和所述多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。
可选地，所述磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域。
可选地，所述根据所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于所述磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵包括：
基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域；
基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据；
基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵。
可选地，所述数据校准装置还包括：
模型建立单元，用于建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型；
其中，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据代入上述方程，可求解上述方程的系数，即所述软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，计算所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域包括：
根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角；
基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系；
基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角；
基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域。
可选地，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据，包括：
在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序进行选取。
可选地，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。
可选地，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据包括：
利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准所述多个磁力计三轴测量数据。
由于上述装置的实现细节在上文的方法实施例的详细介绍中已经描述，为节约篇幅，故不赘述。
根据本发明实施例的数据校准方法与数据校准装置，根据多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据，基于磁力计校准椭球体模型进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。软磁补偿矩阵校准磁力计所受到的软磁干扰，硬磁补偿矩阵校准磁力计所受到的硬磁干扰，降低了磁力计的测量误差。
基于多个磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域，选择预设数量的映射到磁力计校准椭球体表面不同表面区域的磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵，提高了用于计算软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵的磁力计三轴测量数据映射到磁力计校准椭球体模型的表面区域的分散性，提高了软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵准确性，进而降低了磁力计的测量误差。
利用软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。用于计算软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵的预设数量的映射到椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内，尽可能保证采集预设数量的映射到磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的磁力计三轴测量数据的测量时刻的磁场环境与当前时刻的磁场环境一致，提高了软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵准确性，进而降低了磁力计的测量误差。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种用于磁力计的数据校准方法，磁力计和加速度计搭载于同一载体，包括：
获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据；
建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域；
根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角；
基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系；
基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角；
基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域；
基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据；
基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
利用所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据。
2.根据权利要求1所述的数据校准方法，其中，所述多个磁力计三轴测量数据和所述多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。
3.根据权利要求1所述的数据校准方法，其中，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据前，所述数据校准方法还包括：
所述磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据代入上述公式，可求解上述公式的系数，即所述软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
4.根据权利要求1所述的数据校准方法，其中，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据，包括：
在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据。
5.根据权利要求4所述的数据校准方法，其中，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序进行选取。
6.根据权利要求4所述的数据校准方法，其中，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。
7.根据权利要求1所述的数据校准方法，其中，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据包括：
利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准所述多个磁力计三轴测量数据。
8.一种用于磁力计的数据校准装置，磁力计和加速度计搭载于同一载体，包括：
测量数据获取单元，用于获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据；
椭球拟合运算单元，用于根据所述加速度计三轴测量数据，计算所述加速度计三轴测量数据对应的所述载体的横滚角和俯仰角；基于所述载体的横滚角和俯仰角，将所述磁力计三轴测量数据的坐标系由载体坐标系转换为导航坐标系；基于导航坐标系下的所述磁力计三轴测量数据，计算所述载体的偏航角；基于所述载体的俯仰角和偏航角，计算所述磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域；基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据；基于所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据，进行椭球拟合运算，得到软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵；
校准单元，用于利用所述软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准当前时刻的磁力计三轴测量数据，得到磁力计三轴输出数据，
模型建立单元，用于建立磁力计所处磁场环境的磁力计校准椭球体模型；其中，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的表面被划分为多个表面区域。
9.根据权利要求8所述的数据校准装置，其中，所述多个磁力计三轴测量数据和所述多个加速度计三轴测量数据的测量时刻一一对应。
10.根据权利要求8所述的数据校准装置，其中，所述磁力计校准椭球体模型是根据载体在空间自由旋转下拟合的椭球体模型，所述磁力计校准椭球体模型的计算公式如下：
Bp是磁力计三轴测量数据矩阵；W是软磁矩阵；是载体的横滚角roll，θ是载体的俯仰角pitch，ψ是载体的偏航角yaw，Rx(φ)，Ry(θ)，Rz(ψ)分别是对应的旋转矩阵；B是地球磁场矩阵；δ是地磁场倾角，V是硬磁矩阵；所述预设数量的所述磁力计三轴测量数据代入上述公式，可求解上述公式的系数，即所述软磁补偿矩阵及硬磁补偿矩阵。
11.根据权利要求8所述的数据校准装置，其中，所述基于所述多个磁力计三轴测量数据映射到所述磁力计校准椭球体模型的表面区域，在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的所述磁力计三轴测量数据，包括：
在所述多个磁力计三轴测量数据中，选择预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据。
12.根据权利要求11所述的数据校准装置，其中，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据按照所述多个磁力计三轴测量数据的测量时刻的先后顺序进行选取。
13.根据权利要求11所述的数据校准装置，其中，所述预设数量的映射到所述磁力计校准椭球体模型的不同的表面区域的所述磁力计三轴测量数据中的第一个测量数据与最后一个测量数据的测量时间间隔在预设时间范围内。
14.根据权利要求8所述的数据校准装置，其中，所述获取多个磁力计三轴测量数据和多个加速度计三轴测量数据包括：
利用初始的软磁补偿矩阵和硬磁补偿矩阵校准所述多个磁力计三轴测量数据。
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