CN115773750B - 一种磁航向角测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及惯性测量技术领域，公开了一种磁航向角测量装置及方法，包括三轴磁力计、单轴光纤陀螺仪、处理器；所述三轴磁力计用于采集三个敏感轴上的磁场数据；所述单轴光纤陀螺仪用于采集转动轴实时转动角速率数据；所述处理器用于对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并通过实时磁航向角公式计算得到实时磁航向角；将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式中，通过计算得到实时的磁航向角θt；本发明提出了一种基于三轴磁力计和单轴光纤陀螺的磁航向角测量装置，并基于所发明的装置提出了一种磁航向角实时测量方法，有效解决了磁航向角测量的精度和测量装置成本、体积之间的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及惯性测量技术领域，更具体地说，它涉及一种磁航向角测量装置及方法。
背景技术
姿态测量系统能够提供载体的姿态信息，是飞机、车辆、智能机器人等移动载体不可或缺的一部分。目前的姿态测量系统是磁力计、加速度计和陀螺仪的不同组合。基于光纤惯导的姿态测量系统能够提供高精度的姿态测量结果，但成本高、体积大，不利于大规模应用。公开号为CN112230192A的专利文件公开了一种基于磁传感与定位系统的雷达航向角测量方法及装置，方法包括：采用电子磁罗盘测量雷达的磁力计数据、加速度数据和陀螺仪数据，并进行互补滤波计算，得到雷达的第一航向角；采用雷达定位系统测量雷达的第二航向角；确定第一航向角的权重和第二航向角的权重，第一航向角的权重和第二航向角的权重之和为1；根据第一航向角和第二航向角以及各自的权重，计算得到雷达的最终航向角。在外界存在不同干扰的环境下，电子磁罗盘无法正常工作或者雷达定位系统无法正常工作，根据电子磁罗盘测量的雷达航向角和雷达定位系统测量的航向角，综合进行计算，准确得到雷达的航向角，可准确测量在不同的外界环境下雷达的航向角。
但是在实际应用过程中，基于微机械惯导的姿态测量系统具有成本低、体积小等优势，但精度低，长时间工作不能提供较好的姿态测量结果。在微机械惯导的基础上外加磁力计，是改善磁航向角测量精度的一种改进方法，但仍然存在长时间工作精度差的问题。
针对以上问题，本发明提出了一种基于三轴磁力计和单轴光纤陀螺的磁航向角测量装置，并基于所发明的装置提出了一种磁航向角实时测量方法，有效解决了磁航向角测量的精度和测量装置成本、体积之间的矛盾。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种磁航向角测量装置及方法，本发明提出了一种基于三轴磁力计和单轴光纤陀螺的磁航向角测量装置，并基于所发明的装置提出了一种磁航向角实时测量方法，有效解决了磁航向角测量的精度和测量装置成本、体积之间的矛盾。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种磁航向角测量装置，包括：
三轴磁力计、单轴光纤陀螺仪、处理器；
所述三轴磁力计用于采集三个敏感轴上的磁场数据；
所述单轴光纤陀螺仪用于采集转动轴实时转动角速率数据；
所述处理器用于对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并通过实时磁航向角公式计算得到实时磁航向角。
作为本发明进一步的方案：一种磁航向角测量方法，包括以下步骤：
步骤一、定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东、北、以及沿着重力反方向朝天；
步骤二、定义磁力计坐标系为本体系，记作b系；
步骤三、对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准；
步骤四、将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角。
作为本发明进一步的方案：单轴光纤陀螺仪和z轴磁力计指向相同。
作为本发明进一步的方案：步骤三中对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准的具体操作如下；
S1、将绕Zb轴旋转时的初始磁航向角设定为θ，当地磁场在OXbYb平面的分量为Bxy；
S2、将x轴磁力计和y轴磁力计的输出代入以下计算公式：
S3、对Hxb(t)进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，可以得到余弦函数图像；
S4、步骤S3拟合所得到的余弦函数的初始相位即为所需要求的初始磁航向角θ，在波峰值、波谷值之和的二分之一处画一条直线，该直线到到X轴的距离即为磁力计的零偏。
Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏。
作为本发明进一步的方案：步骤四中将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角具体操作如下：将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式θt＝θ+∫w(t)dt，通过计算得到实时的磁航向角θt。
作为本发明进一步的方案：w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到。
作为本发明进一步的方案：b系的x,y,z轴构成右手坐标系。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明提出了一种基于三轴磁力计和单轴光纤陀螺的磁航向角测量装置，并基于所发明的装置提出了一种磁航向角实时测量方法，有效解决了磁航向角测量的精度和测量装置成本、体积之间的矛盾。
附图说明
图1为本发明一种磁航向角测量装置的整体结构图；
图2为本发明一种磁航向角测量方法的方法框图；
图3为本发明中实施例3中的x轴磁力计输出拟合示意图；
图4为本发明中导航系、本体系的关联示意图；
图5为本发明中实施例5中的实时磁航向角计算结果示意图。
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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1－图5得到以下实施例：
实施例1
一种磁航向角测量装置，包括：
三轴磁力计、单轴光纤陀螺仪、处理器；
所述三轴磁力计用于采集三个敏感轴上的磁场数据；
所述单轴光纤陀螺仪用于采集转动轴实时转动角速率数据；
所述处理器用于对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并通过实时磁航向角公式计算得到实时磁航向角。
处理器的工作原理如下：定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东、北、以及沿着重力反方向朝天；定义磁力计坐标系为本体系，记作b系；b系的x,y,z轴构成右手坐标系，然后将绕Zb轴旋转时的初始磁航向角设定为θ，当地磁场在OXbYb平面的分量为Bxy；
将x轴磁力计和y轴磁力计的输出代入以下计算公式：
对Hxb(t)进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，可以得到余弦函数图像；
拟合所得到的余弦函数的初始相位即为所需要求的初始磁航向角θ，在波峰值、波谷值之和的二分之一处画一条直线，该直线到到X轴的距离即为磁力计的零偏，其中，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏，最后将以上处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角具体操作如下：将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式θt＝θ+∫w(t)dt，通过计算得到实时的磁航向角θt，文中所指代的w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到。
实施例2
一种磁航向角测量方法，包括以下步骤：
步骤一、定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东、北、以及沿着重力反方向朝天；
步骤二、定义磁力计坐标系为本体系，记作b系；其中，b系的x,y,z轴构成右手坐标系
步骤三、对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准；
步骤四、将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角。
单轴光纤陀螺仪和z轴磁力计指向相同。
步骤三中对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准的具体操作如下；
S1、将绕Zb轴旋转时的初始磁航向角设定为θ，当地磁场在OXbYb平面的分量为Bxy；
S2、将x轴磁力计和y轴磁力计的输出代入以下计算公式：
S3、对Hxb(t)进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，可以得到余弦函数图像；
S4、步骤S3拟合所得到的余弦函数的初始相位即为所需要求的初始磁航向角θ，在波峰值、波谷值之和的二分之一处画一条直线，该直线到到X轴的距离即为磁力计的零偏。
其中，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏。
步骤四中将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角具体操作如下：将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式θt＝θ+∫w(t)dt，通过计算得到实时的磁航向角θt，其中，w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到。
实施例3
A1、定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东、北、以及沿着重力反方向朝天；所述装置由三轴磁力计和单轴光纤陀螺仪构成；定义磁力计坐标系为本体系，记作b系，其x,y,z轴构成右手坐标系；单轴光纤陀螺仪和z轴磁力计指向相同。
A2、假设绕Zb轴旋转，假设初始磁航向角为，则实时磁航向角和时间t的关系可以表示为方程式一：θt＝θ+∫w(t)dt；其中，w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到，θt为实时磁航向角。
A3、假设当地磁场在OXbYb平面的分量为，则x和y轴磁力计的输出可以写成方程式二：其中，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏。
A4、对Hxb(t)进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，可以得到如图3所示的余弦函数，图3为x轴磁力计输出拟合示意图，图3中红线代表磁力计输出，虚线为其中轴线，即在波峰值、波谷值之和的二分之一处所画的一条直线。
A5、步骤A4拟合所得到的余弦函数的初始相位即为所需要求的初始磁航向角θ，虚线到X轴的距离即为磁力计的零偏。
A6、求得初始磁航向角θ后，实时磁航向角θt通过方程式一：θt＝θ+∫w(t)dt进行求解。
实施例4
本发明提出了一种基于三轴磁力计和单轴光纤陀螺的磁航向角测量装置，还包含用于对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并通过实时磁航向角公式计算得到实时磁航向角的处理器，基于所发明的装置提出了一种磁航向角实时测量方法，所述方法定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东、北、以及沿着重力反方向朝天；所述装置由三轴磁力计和单轴光纤陀螺仪构成；定义磁力计坐标系为本体系，记作b系，其x,y,z轴构成右手坐标系；单轴光纤陀螺仪和z轴磁力计指向相同；假设在钻井条件下，钻柱旋转轴和单轴光纤陀螺轴一致，则本发明具体使用方法如下：
1、钻柱旋转时，采集三轴磁力计和单轴光纤陀螺仪的数据；
2、通过磁力计的数据计算初始磁航向角，计算方法如下：
其中，初始磁航向角为θ，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏。
对x轴磁力计的输出进行余弦拟合，所得到的余弦函数的初始相位即为待求的初始磁航向角θ。
3、通过光纤陀螺的数据计算实时磁航向角，计算方法为：
θt＝θ+∫w(t)dt，w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到，最终计算得到实时的磁航向角θt。
实施例5
将本发明固定在单轴手动转台上，其旋转轴与Zb轴重合，本发明整体由直流电源供电，初始数据由串口和采集计算机采集，实验过程中选取高精度的惯导输出作为真值参考。
随机转动手动转台，采集三轴磁力计的输出，对X轴磁力计输出数据进行余弦拟合，计算初始相位，结果如下表所示：
初始相位估计结果表
表中的和/>和分别为X轴和Y轴磁力计输出拟合函数的初始相位，bx和by分别为X轴和Y轴磁力计的零偏。由表中可以看出X轴和Y轴磁力计输出拟合函数的初始相位相差约为90°，误差在0.2°到0.3°之间，与理论分析是一致的。初始相位估计误差约为0.35°到0.4°之间。实时磁航向角计算结果如图5所示，本文所提出的方法实时计算磁航向角的误差在0.2°到0.4°之间波动，而传统方法的误差高于0.6°，表明本发明的有效性，其精准度优于传统方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，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连接，可以是两个元件内部的连通。对于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。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种磁航向角测量装置，其特征在于，包括：
三轴磁力计、单轴光纤陀螺仪、处理器；
所述三轴磁力计用于采集三轴磁力计数据；
所述单轴光纤陀螺仪用于采集单轴光纤陀螺仪数据；
所述处理器用于对三轴磁力计数据、单轴光纤陀螺仪数据进行处理，并通过实时磁航向角公式计算得到实时磁航向角；
所述处理器用于对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，基于旋转轴垂直的平面上的磁分量与磁航向角的相关性进行余弦拟合指的是：将x轴磁力计和y轴磁力计的输出代入以下计算公式：
其中，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏，w(t)为旋转速率，将绕Zb轴旋转时的初始磁航向角设定为θ，当地磁场在OXbYb平面的分量为Bxy；
通过最小二乘优化算法对进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，得到余弦函数图像，余弦函数图像中的初始相位即为初始磁航向角θ，最后将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式θt＝θ+∫w(t)dt，通过计算得到实时的磁航向角θt。
2.一种磁航向角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其x，y，z轴分别指向朝东，北，以及沿着重力反方向朝天；
步骤二、定义磁力计坐标系为本体系，记作b系；
步骤三、对三轴磁力计数据、单轴光纤陀螺仪数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准；
步骤四、将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角；
步骤三中对三个敏感轴上的磁场数据、转动轴实时转动角速率数据进行处理，并对三轴磁力计进行零偏校准的具体操作如下；
S1、将绕Zb轴旋转时的初始磁航向角设定为θ，当地磁场在OXbYb平面的分量为Bxy；
S2、将x轴磁力计和y轴磁力计的输出代入以下计算公式：
其中，Hxb(t)和Hyb(t)分别为x轴磁力计和y轴磁力计的输出，bx和by分别为x轴磁力计和y轴磁力计的零偏，w(t)为旋转速率；
S3、对Hxb(t)进行余弦拟合，选取自变量为磁航向角，可以得到余弦函数图像；
S4、步骤S3拟合所得到的余弦函数的初始相位即为所需要求的初始磁航向角θ，在波峰值、波谷值之和的二分之一处画一条直线，该直线到到X轴的距离即为磁力计的零偏。
3.根据权利要求2所述的一种磁航向角测量方法，其特征在于，单轴光纤陀螺仪和z轴磁力计指向相同，以此作为旋转轴，垂直该轴的平面上的磁分量模值不变，在x，y轴上的投影与磁航向角呈三角函数关系。
4.根据权利要求3所述的一种磁航向角测量方法，其特征在于，步骤四中将步骤三的处理结果代入实时磁航向角公式，通过计算得到实时磁航向角具体操作如下：将初始磁航向角θ代入实时磁航向角公式θt＝θ+∫w(t)dt，通过计算得到实时的磁航向角θt。
5.根据权利要求4所述的一种磁航向角测量方法，其特征在于，w(t)为旋转速率，通过光纤陀螺实时测量得到。
6.根据权利要求2所述的一种磁航向角测量方法，其特征在于，b系的x,y,z轴构成右手坐标系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 1008, building 3, 311 Yanxin Road, Huishan Economic Development Zone, Wuxi City, Jiangsu Province, 214000 Applicant after: Yunlai Intelligent Equipment (Wuxi) Co.,Ltd. Address before: Room 1008, Building 3, No. 311, Yanxin Road, Huishan Economic Development Zone, Wuxi, Jiangsu 214000 Applicant before: WUXI A-CARRIER ROBOT CO.,LTD. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |