CN115727874A - 电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，包括将电子罗盘置于温箱内六个测试位上；分别求解加速度传感器在三轴上的正向校准参数、反向校准参数和磁传感器在三轴上的校准参数；再将电子罗盘置于工作环境中，根据当前温度、当前的测量值，利用校准参数进行补偿。本发明通过6个特殊位置等效形成变化的环境磁场和重力场作用在电子罗盘的传感器上，依据不同环境磁场和重力场作用时传感器敏感轴测量值随温度的变化特性，同时完成加速度传感器和磁传感器温度补偿参数计算，直接对电子罗盘系统的传感器进行温度补偿校准，极大的提升了温度补偿准确性和可靠性，简化了校准步骤，满足批量化生产时电子罗盘传感器温度误差标定需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子罗盘中传感器误差的标定和补偿方法，尤其涉及一种电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法。
背景技术
电子罗盘是基于地球磁场输出载体方位角等信息的设备。随着科学技术飞速发展，电子罗盘广泛应用在航空航天、航海探测、地面导航以及飞行器自动控制等应用领域，电子罗盘系统中使用的传感器正朝着集成化、智能化、微型化的方向发展，随之而来传感器内部热量难以消散，传感器自身温漂特性也越发明显，严重影响磁传感器测量精度，导致电子罗盘航向角精度受外界工作环境影响明显。
在电子罗盘系统中，磁传感器和加速度传感器的测量精度直接影响航向角解算精度和可靠性，业界内通常采用提升传感器信号采集信噪比、三轴加速度传感器正交性、三轴磁传感器正交性等手段来提高电子罗盘航向角分辨力。在高精度电子罗盘系统中，除了上述影响因素外，传感器自身温漂也是一个重要的误差因素。
当前，针对电子罗盘系统中传感器温度误差标定通常的做法及问题有：
(1)直接使用传感器手册中温度特性参数标定和传感器单独标定。引用手册参数是指在编写嵌入式软件时，直接参考手册中传感器温度特性参数来修正传感器测量数据。但引用芯片手册参数标定时，手册中的温度特性参数只是一个参考值，不同批次产品的温度特性参数相同，标定效果很差，难以满足高精度电子罗盘系统对传感器分辨力的要求。
(2)传感器单独标定，该方法是将待测传感器放置在电子罗盘系统中，利用电子罗盘系统内采集电路，将系统周围温度和传感器测量值一并收集起来，再利用误差曲线拟合、最小二乘法等计算方法解算出误差补偿参数，最后再将误差参数写入嵌入式软件中，完成传感器温度误差补偿。该方法不仅能解决不同批次传感器之间的差异，还可以解决从传感器信号输出到单片机信号采集整个信号传递链路的温度误差标定，是比较系统的完成电子罗盘系统的传感器温度误差标定的手段。然而，现有针对电子罗盘系统传感器温度误差标定的方法，需要单独对加速度传感器和磁传感器分别进行标定，耗时费工，极大的降低了产品的研制进度。此外将两种传感器分开标定，两者标定工作时环境不一致，校准参数的关联性不强，从而导致校准参数也不一定精确。特别的，针对磁传感器温度校准，需要使用无磁温箱辅助温度误差标定，然而无磁温箱自身价格昂贵，而且对电子罗盘批产化效果太差，因此急需一种更高效的、更准确的校准方法来实现电子罗盘系统传感器误差标定。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能同时完成加速度传感器和磁传感器温度补偿参数计算，直接对电子罗盘系统进行温度补偿校准，极大的提高了温度补偿准确性和可靠性的，电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，包括以下步骤；
(1)将电子罗盘置于温箱内，在温箱内确定六个测试位，分别为x轴正向、x轴反向、y轴正向、y轴反向、z轴正向和z轴反向，并依次标记为第一个到第六个测试位；
所述电子罗盘包括磁传感器和加速度传感器，在电子罗盘工作温度范围内取n个温度测试点，温箱外壁吸附一磁铁，所述磁铁能在温箱内部形成一个稳定的磁场；
(2)将电子罗盘置于在第j个测试位，j＝1～6；
(3)控制温箱从低到高遍历n个温度点，在第i个温度点处，i＝1～n，测量磁传感器在x、y、z三轴上的磁传感器测量值M*ij、和加速度传感器在x、y、z三轴上的加速度传感器测量值G*ij，满足下列公式所述关系，
M*ij＝m*j×Ti+η*j (1)
得到该测试位下的三轴的磁场值随温度变化系数m*j、三轴的磁场偏移量η*j、三轴的加速度测量值随温度变化系数g*j、三轴的加速度偏移量
式中，*为x、y或z；
(4)电子罗盘依次遍历其余5个测试位，重复步骤(3)，得到所有测试位下的m*j、η*j、g*j、
表示第一个到第六个测试位；
(5)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数和反向校准参数，包括(51)-(53)；
(51)建立校准参数与加速度传感器真实值的关系式如下式(3)；
式中，G*j为加速度传感器在*轴的真实值，k*20、b*20、k*21、b*21为加速度传感器的校准参数；
(52)确定六个坐标点关系；
当加速度传感器*轴与重力正向重合时，G*j＝1，参数g*+、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
的值，得到两个坐标点关系(1，g*+)、
当加速度传感器*轴与重力反向重合时，G*j＝-1，参数g*-、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
得到两个坐标点关系(-1，g*-)、
当加速度传感器*轴与重力方向垂直时，共四个垂直位，G*j＝0，校准参数g*0、
分别等于四个垂直位上，公式(2)中g*j的平均值、
的平均值，得到两个坐标点关系(0，g*0)、
(53)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数、反向校准参数；
将坐标关系(1，g*+)、
(0，g*0)、
带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20+、b*20+、k*21+、b*21+，作为加速度传感器在*轴的正向校准参数；
将坐标关系(-1，g*-)、
(0，g*0)、
值，带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20-、b*20-、k*21-、b*21-，作为加速度传感器在*轴的反向校准参数；
(6)求解磁传感器在*轴上的校准参数，包括(61)-(62)；
(61)对每个测量位，磁传感器真实值M*j等于温度为25℃时，磁传感器测量值M*ij的均值，计算每个测试位的M*j；
(62)将M*j和步骤(3)中的m*j、η*j带入下式(4)(5)，解得磁传感器在*轴上的校准参数k*10、b*10、k*11、b*11；
(7)将电子罗盘置于工作环境中，获取当前环境温度T、磁传感器测得当前*轴的测量值M*c，加速度传感器测得当前*轴的测量值G*c，根据下式计算*轴的磁传感器补偿值M*、加速度传感器补偿值G*；
作为优选：步骤(1)中，在温箱内确定六个测试位的方法为，基于电子罗盘的坐标系和电子罗盘的重力方向确定，坐标轴与重力重合的方向为正向，反之为反向。
作为优选：所述磁场的磁场强度不超过50000nT。
作为优选：所述步骤(53)中，解得加速度传感器在*轴的正向校准参数如下式(8)(9)、反向校准参数如下式(10)(11)；
作为优选：步骤(8)中，当前环境温度T，由电子罗盘自带的温度传感器获得。
关于六个测试位，将电子罗盘放置于在温箱内平台上，以重力g为参考方向，罗盘载体坐标系XYZ与重力方向重合为正向，用符号+表示，反之为反向，用符号-表示。如图1所示为罗盘为Z-方向，同理其余测试位示意图如图2所示，图2展示了六个测试位，从左到右依次为：x轴正向X+、x轴反向X-、y轴正向Y+、y轴反向Y-、z轴正向Z+和z轴反向Z-。
与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了一种新的一体化标定和补偿的方法，通过6个特殊位置等效形成变化的环境磁场和重力场作用在电子罗盘的传感器上，依据不同环境磁场和重力场作用时传感器敏感轴测量值随温度的变化特性，同时完成加速度传感器和磁传感器温度补偿参数计算，直接对电子罗盘系统的传感器进行温度补偿校准，极大的提升了温度补偿准确性和可靠性，简化了校准步骤，满足批量化生产时电子罗盘传感器温度误差标定需要。
附图说明
图1为本发明6个测试位示意图；
图2为加速度传感器校准前后的对比图；
图3为本发明流程图；
图4为X-测试位加速度原始测量值随温度变化情况图；
图5为X-测试位磁场原始测量值随温度变化情况图；
图6为x轴加速度数据校准前后对比结果图；
图7为x轴磁场数据校准前后对比结果图。
图中：1、温箱；2、电子罗盘；3、磁铁。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1到图3，一种电子罗盘2传感器温度误差一体化标定与补偿方法，包括以下步骤；
(1)将电子罗盘2置于温箱1内，在温箱1内确定六个测试位，分别为X轴正向、X轴反向、Y轴正向、Y轴反向、Z轴正向和Z轴反向，并依次标记为第一个到第六个测试位；
所述电子罗盘2包括磁传感器和加速度传感器，在电子罗盘2工作温度范围内取n个温度测试点，温箱1外壁吸附一磁铁3，所述磁铁3能在温箱1内部形成一个稳定的磁场；
(2)将电子罗盘2置于在第j个测试位，j＝1～6；
(3)控制温箱1从低到高遍历n个温度点，在第i个温度点处，i＝1～n，测量磁传感器在x、y、z三轴上的磁传感器测量值M*ij、和加速度传感器在x、y、z三轴上的加速度传感器测量值G*ij，满足下列公式所述关系，
M*ij＝m*j×Ti+η*j (1)
得到该测试位下的三轴的磁场值随温度变化系数m*j、三轴的磁场偏移量η*j、三轴的加速度测量值随温度变化系数g*j、三轴的加速度偏移量
式中，*为x、y或z；
(4)电子罗盘2依次遍历其余5个测试位，重复步骤(3)，得到所有测试位下的m*j、η*j、g*j、
表示第一个到第六个测试位；
(5)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数和反向校准参数，包括(51)-(53)；
(51)建立校准参数与加速度传感器真实值的关系式如下式(3)；
式中，G*j为加速度传感器在*轴的真实值，k*20、b*20、k*21、b*21为加速度传感器的校准参数；
(52)确定六个坐标点关系；
当加速度传感器*轴与重力正向重合时，G*j＝1，参数g*+、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
的值，得到两个坐标点关系(1，g*+)、
当加速度传感器*轴与重力反向重合时，G*j＝-1，参数g*-、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
得到两个坐标点关系(-1，g*-)、
当加速度传感器*轴与重力方向垂直时，共四个垂直位，G*j＝0，校准参数g*0、
分别等于四个垂直位上，公式(2)中g*j的平均值、
的平均值，得到两个坐标点关系(0，g*0)、
(53)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数、反向校准参数；
将坐标关系(1，g*+)、
(0，g*0)、
带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20+、b*20+、k*21+、b*21+，作为加速度传感器在*轴的正向校准参数；
将坐标关系(-1，g*-)、
(0，g*0)、
值，带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20-、b*20-、k*21-、b*21-，作为加速度传感器在*轴的反向校准参数；
(6)求解磁传感器在*轴上的校准参数，包括步骤(61)-(62)；
(61)对每个测量位，磁传感器真实值M*j等于温度为25℃时，磁传感器测量值M*ij的均值，计算每个测试位的M*j；
(62)将M*j和步骤(3)中的m*j、η*j带入下式(4)(5)，解得磁传感器在*轴上的校准参数k*10、b*10、k*11、b*11；
(7)将电子罗盘2置于工作环境中，获取当前环境温度T、磁传感器测得当前*轴的测量值M*c，加速度传感器测得当前*轴的测量值G*c，根据下式计算*轴的磁传感器补偿值M*、加速度传感器补偿值G*；
步骤(1)中，在温箱1内确定六个测试位的方法为，基于电子罗盘2的坐标系和电子罗盘2的重力方向确定，坐标轴与重力重合的方向为正向，反之为反向。所述磁场的磁场强度不超过50000nT。
所述步骤(53)中，解得加速度传感器在*轴的正向校准参数如下式(8)(9)、反向校准参数如下式(10)(11)；
步骤(8)中，当前环境温度T，由电子罗盘2自带的温度传感器获得。
实施例2：参见图1到图7；在实施例1的基础上，我们进行实际测试，首先是校准参数计算过程，下面以x轴为例讲述具体实施过程：
(1)同实施例1步骤(1)，并按照图1对测试系统进行了搭建；
(2)同实施例1步骤(2)，本实施例中，将电子罗盘2放置在X-方向，也及时j＝2，
(3)同实施例1步骤(3)，本实施例中，设置n＝5个温度点，包括-25℃、0℃、25℃、50℃和75℃,控制温箱1从低到高遍历这5个温度点。
测试结果如图4所示，图中横坐标为温度，纵坐标为加速度，可见在X-方向上，x轴上加速度大概在1g左右,其余轴加速度在0g附近，同前文中描述是一致的。按照步骤(3)的流程，我们可以得到罗盘在X-方向时三轴的加速度值随温度变化关系表达式，即上文中公式(2)。就此，我们得到了在X-方向上，三轴的加速度测量值随温度变化系数g*j＝0.000215、三轴的加速度偏移量
由于X-方向为第二个测试位，且为x轴，这里g*j可以写成gx2；
可以写成
此时三轴磁场值随温度变化关系表达式，即上文中的公式(1)。同理可以得到在X-方向，三轴磁场值随温度变化系数m*j＝29.7701、三轴磁场偏移量η*j＝-13279.9993。
(4)同实施例1步骤(4)，在遍历6个测试位后，我们得到了步骤(4)所述的所有温度变化参数m*j、η*j、g*j、
以x轴为例，所得参数如表1表2所示。
表1 x轴加速度数据随温度变化系数表
表2磁场数据随温度变化系数表
表1、表2中，#表示未知数，该表只给出了x轴的数据，其余y轴、z轴数据同理，此处不做展示。
(5)同实施例1步骤(5)，们可以计算加速度x轴的6个坐标点位依次为(1，0.000276)，(1,0.941822)，(0，0.000222)，(0，-0.064906)，(-1，0.000215)，(-1，-1.059218)。最后按照步骤(53)求得加速度传感器在x轴方向正向校准参数k*20+＝0.000054、b*20+＝-0.064906、k*21+＝1.006728、b*21+＝-0.064906,反向校准参数k*20-＝0.000007、b*20-＝0.000222、k*21-＝0.994312、b*21-＝0.000222。就此我们求得了加速度x轴方向的校准参数。y轴、z轴的正向校准参数、反向校准参数，同理。经过该步骤，我们可以得到加速度在x轴、y轴、z轴各自的正向校准参数、反向校准参数。
(6)同实施例1步骤(6)；可以求得磁传感器在x轴方向的校准参数k*10＝-0.003401796、b*10＝0.182894975、k*11＝1.080181167、b*11＝-84.05828702。
至此，电子罗盘2传感器温度飘移的校准参数已经求取完毕。我们将校准参数写入嵌入式软件中，并且设计电子罗盘2将校准前后的数据同时输出来进行校准效果对比测试。
将电子罗盘2静止平放在温箱1环境下，设置温箱1工作温度遍历-20～60℃，正确上电后，利用电脑接收罗盘实时传出的校准前后的传感器数据，测试结果如图6图7所示。
从图6可以看出：o_gx为校准前的x轴原始加速度值，t_gx为校准后的x轴加速度值。分析数据可知，校准前x轴加速度测量值最小为-0.048g，最大为-0.014g，差值为0.034g，且曲线斜率较大。经过我们的校准算法后，加速度校准值最小为0.020g，最大为0.038g，差值为0.018g，曲线更趋向平行，说明校准后加速度传感器的数据随温度的偏移明显降低了，温飘效应减弱了。
从图7可以看出：o_mx为校准前的x轴原始磁场值，t_mx为校准后的x轴磁场值。分析数据可知，磁传感器受温度的影响最大，未校准前，x轴测磁场测量值最大为-21793nT，最小为-29943nT，在整个温度范围内变化了8150nT，整个温度曲线斜率很大。经过我们的校准算法后，磁传感器校准值最大为-25609nT，最小为-26087nT，整个温度范围只变化了478nT，相对于校准前曲线斜率有了很大的改善，说明磁传感器经过校准后，对温度的敏感度降低了，温飘效应得到了抑制。
因此，可见我们的校准方法对电子罗盘2传感器温度误差有很好改善作用，此外，在一个测试位下，我们同时对加速度和磁传感器进行了数据采集，遍历完6个测试位后就可以解算出了全部的校准参数，因此，我们的算法在效率上也有一定提高。确确实实提高了效率和电子罗盘2传感器测量值的准确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，其特征在于：包括以下步骤；
(1)将电子罗盘置于温箱内，在温箱内确定六个测试位，分别为x轴正向、x轴反向、y轴正向、y轴反向、z轴正向和z轴反向，并依次标记为第一个到第六个测试位；
所述电子罗盘包括磁传感器和加速度传感器，在电子罗盘工作温度范围内取n个温度测试点，温箱外壁吸附一磁铁，所述磁铁能在温箱内部形成一个稳定的磁场；
(2)将电子罗盘置于在第j个测试位，j＝1～6；
(3)控制温箱从低到高遍历n个温度点，在第i个温度点处，i＝1～n，测量磁传感器在x、y、z三轴上的磁传感器测量值M*ij、和加速度传感器在x、y、z三轴上的加速度传感器测量值G*ij，满足下列公式所述关系，
M*ij＝m*j×Ti+η*j (1)
得到该测试位下的三轴的磁场值随温度变化系数m*j、三轴的磁场偏移量η*j、三轴的加速度测量值随温度变化系数g*j、三轴的加速度偏移量
式中，*为x、y或z；
(4)电子罗盘依次遍历其余5个测试位，重复步骤(3)，得到所有测试位下的m*j、η*j、g*j、
表示第一个到第六个测试位；
(5)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数和反向校准参数，包括(51)-(53)；
(51)建立校准参数与加速度传感器真实值的关系式如下式(3)；
式中，G*j为加速度传感器在*轴的真实值，k*20、b*20、k*21、b*21为加速度传感器的校准参数；
(52)确定六个坐标点关系；
当加速度传感器*轴与重力正向重合时，G*j＝1，参数g*+、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
的值，得到两个坐标点关系(1，g*+)、
当加速度传感器*轴与重力反向重合时，G*j＝-1，参数g*-、
分别等于当前测试位下，*轴方向上公式(2)中的g*j和
得到两个坐标点关系(-1，g*-)、
当加速度传感器*轴与重力方向垂直时，共四个垂直位，G*j＝0，校准参数g*0、
分别等于四个垂直位上，公式(2)中g*j的平均值、
的平均值，得到两个坐标点关系(0，g*0)、
(53)求解加速度传感器在*轴的正向校准参数、反向校准参数；
将坐标关系(1，g*+)、
(0，g*0)、
带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20+、b*20+、k*21+、b*21+，作为加速度传感器在*轴的正向校准参数；
将坐标关系(-1，g*-)、
(0，g*0)、
值，带入公式(3)，解得k*20、b*20、k*21、b*21，分别标记为k*20-、b*20-、k*21-、b*21-，作为加速度传感器在*轴的反向校准参数；
(6)求解磁传感器在*轴上的校准参数，包括(61)-(62)；
(61)对每个测量位，磁传感器真实值M*j等于温度为25℃时，磁传感器测量值M*ij的均值，计算每个测试位的M*j；
(62)将M*j和步骤(3)中的m*j、η*j带入下式(4)(5)，解得磁传感器在*轴上的校准参数k*10、b*10、k*11、b*11；
(7)将电子罗盘置于工作环境中，获取当前环境温度T、磁传感器测得当前*轴的测量值M*c，加速度传感器测得当前*轴的测量值G*c，根据下式计算*轴的磁传感器补偿值M*、加速度传感器补偿值G*；
2.根据权利要求1所述的电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，其特征在于：步骤(1)中，在温箱内确定六个测试位的方法为，基于电子罗盘的坐标系和电子罗盘的重力方向确定，坐标轴与重力重合的方向为正向，反之为反向。
3.根据权利要求1所述的电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，其特征在于：所述磁场的磁场强度不超过50000nT。
4.根据权利要求1所述的电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，其特征在于：所述步骤(53)中，解得加速度传感器在*轴的正向校准参数如下式(8)(9)、反向校准参数如下式(10)(11)；
5.根据权利要求1所述的电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法，其特征在于：步骤(8)中，当前环境温度T，由电子罗盘自带的温度传感器获得。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211426042.2A CN115727874A (zh) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法 |
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| CN202211426042.2A CN115727874A (zh) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 电子罗盘传感器温度误差一体化标定与补偿方法 |
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| CN117686952A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-12 | 北京理工大学前沿技术研究院 | 一种基于多磁传感器联合进行平面校正的方法和系统 |
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2022
- 2022-11-15 CN CN202211426042.2A patent/CN115727874A/zh active Pending
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