CN206056607U - 一种高精度三维电子罗盘校准装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高精度三维电子罗盘校准装置，包括一个三轴无磁转台、无磁壳体、三维电子罗盘，三维电子罗盘装在无磁壳体内，无磁壳体放置在三轴无磁转台上，且无磁壳体的Ax、Ay、Az轴与三轴无磁转台的X、Y、Z轴重合；所述的三维电子罗盘由一个三轴磁传感器和一个三轴加速度计组成。首先将电子罗盘封装到长方体外壳中，外壳的Ax、Ay、Az轴与转台的X、Y、Z轴重合，按照对应方式旋转四圈，记录加速度传感器与磁传感器的输出，再利用相关算法得到安装误差校正矩阵。本实用新型同时考虑非正交误差、对齐误差、软磁效应、硬磁效应等误差因素，能够简单、快速地实现高精度三维电子罗盘安装误差的校准。
Description
技术领域
本实用新型涉及三维电子罗盘的标定，特别涉及利用三轴转台对小型三维电子罗盘进行误差标定校准装置。
背景技术
水下导航中对载体姿态的精确测量与控制是提高导航系统精度的关键。三维电子罗盘由三轴磁传感器和三轴加速度计组成，因其体积小、功耗低且温度特性良好、工作稳定、误差不随时间累积等优点，在水下导航领域的应用越来越广泛。
三维电子罗盘中的非正交误差、对齐误差、软磁效应等会使传感器的输出偏离真实值，进而对当前姿态的解算造成较大影响。为了让解算的姿态更加准确，必须对其进行标定和补偿。
现有的方法大都无法准确的求取电子罗盘中磁传感器和加速度计的非正交误差，也很少考虑这两种传感器之间坐标轴的对齐误差，同时有些信息是将转台测得的角度做差得到，所以对转台的精度要求很高。
在专利CN200910117170.7中，发明者在周围磁场存在的情况下进行标定，通过在一维旋转平台水平方向旋转一圈以及将电子罗盘进行90度的整数倍翻转使得敏感轴的空间位置发生变化导致传感器输出变化，确定弱磁方向传感器敏感方向在大地坐标系和三维电子罗盘外壳坐标系中的空间位置，方法比较简单。但是其在确定倾斜角的时候存在一定的偏差，使得最后对非正交误差的计算造成了一定的影响。
在专利CN102818564A中，发明者同样在周围存在磁场的情况下进行标定，通过一个三维无磁转台使得三维电子罗盘在进行空间旋转时磁传感器和倾角传感器的输出发生变化，从而确定传感器敏感方向与三维电子罗盘外壳坐标系、大地坐标系之间的空间位置关系，确定其输出特性，进而实现对其的校准。但是该方法的测算过程比较复杂，进行一共6次的旋转，只能标定出空间方位的关系，且只考虑了单一传感器内部的非正交误差，没有考虑电子罗盘中两类传感器坐标轴的对齐误差。且该标定方法是建立在对角度信息的精确测量与计算上的，对三维转台的精度要求很高。
发明内容
本实用新型目的是针对现有的方法无法对电子罗盘的整体安装误差进行标定校正的问题，提出了一种新且简单的高精度三维电子罗盘校准装置。本实用新型只需一个三轴无磁转台，利用三维电子罗盘内的磁传感器和加速度计在不同空间位置上的输出变化，对三维电子罗盘进行标定，本实用新型同时考虑三维电子罗盘内部非正交误差、对齐误差、软磁效应等因素，将他们都当成一个整体与外壳体之间的安装误差，对其进行精确标定与校正。
本实用新型为实现其目的所采取的技术方案：
高精度三维电子罗盘校准装置，包括一个三轴无磁转台、无磁壳体、三维电子罗盘，其特征在于：三维电子罗盘装在无磁壳体内，无磁壳体放置在三轴无磁转台上，且无磁壳体的Ax、Ay、Az轴与三轴无磁转台的X、Y、Z轴重合；所述的三维电子罗盘由一个三轴磁传感器和一个三轴加速度计组成，三轴磁传感器的输出由地磁场矢量在三轴磁传感器三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴磁传感器的三个敏感轴方向分别记为Bx、By、Bz；三轴加速度计的输出是由重力矢量在三轴加速度计三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴加速度计的三个敏感轴方向分别记为Gx、Gy、Gz。
一种利用高精度三维电子罗盘装置的校准方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)首先让三轴无磁转台分别绕X、Y、Z轴各旋转一圈，加上将三轴无磁转台的X轴调至90度，绕Y轴再旋转一圈，一共旋转四圈，每隔30度记录磁传感器和加速度计输出；分别记为和
(2)αBxy、αBxz分别为三轴磁传感器的Bx轴与无磁壳体Ay、Az轴的倾角；βByx、βByz分别为By轴与无磁壳体Ax、Az轴的倾角；γBzx、γBzy分别为Bz轴与无磁壳体Ax、Ay、轴的倾角；αGxy、αGxz分别为Gx轴与无磁壳体Ay、Az轴的倾角；βGyx、βGyz分别为Gy轴与无磁壳体Ax、Az轴的倾角；γGzx、γGzy分别为Gz轴与无磁壳体Ax、Ay、轴的倾角；所述的磁传感器安装误差αBxy、αBxz、βByx、βByz、γBzx、γBzy求取方法如下：
当对Bz轴的倾角γBzx、γBzy进行补偿时：
其中B'x3、B'y3、B'z3分别为校正Bz轴倾角后的磁传感器输出，Bx3、By3、Bz3分别为理想的磁传感器输出，分别为Bz轴倾角的补偿值，遍历所有角度，当满足函数(γ'Bzx,γ'Bzy)opt＝argmin{max(B'z3)-min(B'z3)}时，认为找到最优的倾角补偿值，此时得到以下方程：
此时经过的补偿后，磁传感器Bz轴输出B'z3接近于无安装误差时的理想输出。
按照同样的方法，利用 可以将Bx轴倾角补偿值和By轴倾角补偿值标定得到，B'x1、B'y1、B'z1为校正Bx轴倾角后的磁传感器输出，B'x2、B'y2、B'z2为校正By轴倾角后的磁传感器输出；
同理，利用通过 对加速度计安装误差进行最优解查找，将加速度计Gx轴倾角误差补偿值Gy轴倾角误差补偿值和Gz轴倾角误差补偿值标定得到；G'x1、G'y1、G'z1为校正Gx轴倾角后的磁传感器输出，G'x2、G'y2、G'z2为校正Gy轴倾角后的磁传感器输出，G'x3、G'y3、G'z3为校正Gz轴倾角后的磁传感器输出。
本实用新型的能够无磁干扰即可精确标定由三轴磁传感器和三轴加速度计组成的小型三维电子罗盘。
本实用新型只需要一个三轴无磁转台，不需要磁屏蔽房，能够利用地磁场和重力场本身对三维电子罗盘进行标定。
本实用新型只需要在小范围内保证无磁干扰即可，无需专门寻找空旷的空间进行标定。
本实用新型只需要将转台绕着转轴旋转，并不精确要求转动到特定角度，对操作要求较低。
本实用新型用于三维电子罗盘安装误差的标定方法，综合考虑非正交误差、对齐误差、软磁效应、硬磁效应等误差，方法简单易懂，且精度高、时间短。
本实用新型用于三维电子罗盘的标定方法能够较高精度的标定出三维电子罗盘包含三轴磁传感器和三轴加速度计在内的安装误差。将本实用新型应用到电子罗盘标定补偿后，姿态解算精度够达到±0.5度以内。
附图说明
图1为利用本实用新型的平面标定三维电子罗盘安装误差方法的流程图。
图2a为本实用新型的三轴磁传感器的安装误差示意图。
图2b为本实用新型的三轴加速度计的安装误差示意图。
图3为本实用新型的三维电子罗盘标定装置示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型进行进一步详细说明：
如图3所示，高精度三维电子罗盘校准装置，包括一个三轴无磁转台1、无磁壳体2、三维电子罗盘3，其特征在于：三维电子罗盘3装在无磁壳体2内，无磁壳体2放置在三轴无磁转台1上，无磁壳体2三轴记为的Ax、Ay、Az，且无磁壳体2的Ax、Ay、Az三轴与三轴无磁转台1的X、Y、Z三轴重合；所述的三维电子罗盘3由一个三轴磁传感器4和一个三轴加速度计5组成，三轴磁传感器4的输出由地磁场矢量在三轴磁传感器4三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴磁传感器4的三个敏感轴方向分别记为Bx、By、Bz；三轴加速度计5的输出是由重力矢量在三轴加速度计5三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴加速度计5的三个敏感轴方向分别记为Gx、Gy、Gz。
图1为利用本实用新型平面标定三维电子罗盘误差方法的流程图。该方法步骤为：
开始(步骤100)；将无磁壳体2的Ax、Ay、Az轴与三轴无磁转台1的X、Y、Z轴重合，首先让三轴无磁转台1分别绕X、Y、Z轴各旋转一圈，加上将三轴无磁转台1的X轴调至90度，再绕Y轴旋转一圈，一共旋转四圈，获得四组三轴磁传感器4和三轴加速度计5的输出(步骤110)，每隔30度记录磁传感器4和加速度计5输出；分别记为和 获得三轴磁传感器4的安装误差(步骤120)；获得三轴加速度计5的安装误差(步骤130)；完成标定(步骤140)。
三维电子罗盘3由三轴磁传感器4和三轴加速度计5组成。三轴磁传感器4的安装误差如图2a所示，αBxy、αBxz分别为三轴磁传感器4的Bx轴与无磁壳体2Ay、Az轴的倾角；βByx、βByz分别为By轴与无磁壳体2Ax、Az轴的倾角；γBzx、γBzy分别为Bz轴与无磁壳体2Ax、Ay、轴的倾角；αGxy、αGxz分别为Gx轴与无磁壳体2Ay、Az轴的倾角；βGyx、βGyz分别为Gy轴与无磁壳体2Ax、Az轴的倾角；γGzx、γGzy分别为Gz轴与无磁壳体2Ax、Ay、轴的倾角；所述的磁传感器安装误差αBxy、αBxz、βByx、βByz、γBzx、γBzy求取方法如下：
当对Bz轴的倾角γBzx、γBzy进行补偿时：
其中B'x3、B'y3、B'z3分别为校正Bz轴倾角后的磁传感器输出，Bx3、By3、Bz3分别为理想的磁传感器输出，分别为Bz轴倾角的补偿值，遍历所有角度，当满足函数(γ'Bzx,γ'Bzy)opt＝argmin{max(B'z3)-min(B'z3)}时，认为找到最优的倾角补偿值，此时得到以下方程：
此时经过的补偿后，磁传感器Bz轴输出B'z3接近于无安装误差时的理想输出。
按照同样的方法，利用 可以将Bx轴倾角补偿值和By轴倾角补偿值标定得到，B'x1、B'y1、B'z1为校正Bx轴倾角后的磁传感器输出，B'x2、B'y2、B'z2为校正By轴倾角后的磁传感器输出；
同理，利用通过 对加速度计安装误差进行最优解查找，将加速度计Gx轴倾角误差补偿值Gy轴倾角误差补偿值和Gz轴倾角误差补偿值标定得到；G'x1、G'y1、G'z1为校正Gx轴倾角后的磁传感器输出，G'x2、G'y2、G'z2为校正Gy轴倾角后的磁传感器输出，G'x3、G'y3、G'z3为校正Gz轴倾角后的磁传感器输出。至此，三维电子罗盘安装误差全部标定完成。
Claims (1)
1.高精度三维电子罗盘校准装置，包括一个三轴无磁转台(1)、无磁壳体(2)、三维电子罗盘(3)，其特征在于：三维电子罗盘(3)装在无磁壳体(2)内，无磁壳体(2)放置在三轴无磁转台(1)上，无磁壳体(2)三轴记为的Ax、Ay、Az，且无磁壳体(2)的Ax、Ay、Az三轴与三轴无磁转台(1)的X、Y、Z三轴重合；所述的三维电子罗盘(3)由一个三轴磁传感器(4)和一个三轴加速度计(5)组成，三轴磁传感器(4)的输出由地磁场矢量在三轴磁传感器(4)三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴磁传感器(4)的三个敏感轴方向分别记为Bx、By、Bz；三轴加速度计(5)的输出是由重力矢量在三轴加速度计(5)三个轴敏感方向的投影决定，输出为电学量，三轴加速度计(5)的三个敏感轴方向分别记为Gx、Gy、Gz。
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| CN201621041625.3U CN206056607U (zh) | 2016-09-07 | 2016-09-07 | 一种高精度三维电子罗盘校准装置 |
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| CN (1) | CN206056607U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115597571A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-01-13 | 西南应用磁学研究所（中国电子科技集团公司第九研究所）（Cn） | 电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法 |
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2016
- 2016-09-07 CN CN201621041625.3U patent/CN206056607U/zh active Active
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| CN115597571A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-01-13 | 西南应用磁学研究所（中国电子科技集团公司第九研究所）（Cn） | 电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法 |
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