CN105865492B - 两轴磁强计在线误差补偿方法及*** - Google Patents

两轴磁强计在线误差补偿方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种两轴磁强计在线误差补偿方法及***，该方法包括以下步骤：提供两轴磁强计和磁强计数据采集装置，并将两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上；设置转台的转动速度和转动角度，并保存转动速度和转动角度；上电预热两轴磁强计并持续预设时间，保存运行数据；根据转台的转动速度和转动角度，采集两轴磁强计的输出数据，并保存输出数据；以及建立两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过在线误差补偿模型对输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据数据误差对输出数据进行误差补偿。本发明能有效补偿载体硬磁干扰与磁强计零偏误差，提高补偿精度。

Description

两轴磁强计在线误差补偿方法及***
技术领域
本发明涉及磁强计技术领域，特别涉及一种两轴磁强计在线误差补偿方法及***。
背景技术
磁强计通过敏感地磁场提供姿态信息，由于结构简单、尺寸小、成本低、功耗低、屏蔽性好、不受天气影响等优点，在导航领域广泛应用。但是由于磁强计容易受到安装误差和外界干扰的影响，因而引起的导航误差相对较大，因此在使用磁强计提供姿态信息过程中，需要对其进行误差补偿。载体磁干扰主要包含硬磁干扰、软磁干扰和涡流磁场干扰。地磁传感器的自身误差是由制造误差和安装误差作为电子磁罗盘***中传感器误差的主要来源。对于磁阻式传感器来说，制造误差与许多因素相关，如制造工艺和电路设计等。安装误差是指当电子磁罗盘固定于载体时，因无法保证电子磁罗盘本体坐标和载体坐标系的完全重合而引起的误差。
目前出现的许多磁强计误差标定方法，如摇摆法，椭圆拟合法，最大最小值法，十二位置法等都只能对磁强计误差进行离线标定，且需要转台提供基准，或按规定进行动作才能完成标定过程，不适用于在线补偿。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出两轴磁强计在线误差补偿方法，该方法能有效补偿载体硬磁干扰与磁强计零偏误差，提高补偿精度。
本发明的另一个目的在于提出一种两轴磁强计在线误差补偿***。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种两轴磁强计在线误差补偿方法，包括以下步骤：提供两轴磁强计和磁强计数据采集装置，并将所述两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上；设置所述转台的转动速度和转动角度，并保存所述转动速度和转动角度；上电预热所述两轴磁强计并持续预设时间，保存运行数据；根据所述转台的转动速度和转动角度，采集所述两轴磁强计的输出数据，并保存所述输出数据；以及建立所述两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过所述在线误差补偿模型对所述输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据所述数据误差对所述输出数据进行误差补偿。
根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法，适用于单轴转动或自旋角速度明显高于其它方向的旋转角速度时，能有效补偿磁强计自身零偏误差，以及由铁磁性载体产生的硬磁干扰，且运算量小，有效地实现了两轴磁强计的在线误差补偿。
另外，根据本发明上述实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，还包括：根据卡尔曼滤波算法对所述两轴磁强计的输出数据进行误差补偿。
在一些示例中，通过上位机软件设置所述转台的转动速度和转动角度。
在一些示例中，所述两轴磁强计安装在所述转台的中心位置。
在一些示例中，所述预设时间为30分钟。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例还提出了一种两轴磁强计在线误差补偿***，包括：固定模块，所述固定模块用于将两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上；设置模块，所述设置模块用于设置所述转台的转动速度和转动角度，并保存所述转动速度和转动角度；预热模块，所述预热模块用于对所述两轴磁强计上电预热，并在持续预设时间后保存运行数据；采集模块，所述采集模块用于根据所述转台的转动速度和转动角度，采集所述两轴磁强计的输出数据，并保存所述输出数据；以及补偿模块，所述补偿模块用于建立所述两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过所述在线误差补偿模型对所述输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据所述数据误差对所述输出数据进行误差补偿。
根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿***，适用于单轴转动或自旋角速度明显高于其它方向的旋转角速度时，能有效补偿磁强计自身零偏误差，以及由铁磁性载体产生的硬磁干扰，且运算量小，有效地实现了两轴磁强计的在线误差补偿。
另外，根据本发明上述实施例的两轴磁强计在线误差补偿***还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述补偿模块还用于根据卡尔曼滤波算法对所述两轴磁强计的输出数据进行误差补偿。
在一些示例中，所述设置模块通过上位机软件设置所述转台的转动速度和转动角度。
在一些示例中，所述两轴磁强计安装在所述转台的中心位置。
在一些示例中，所述预设时间为30分钟。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的载体坐标系示意图；
图3是本发明一个实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的卡尔曼滤波方程框图；
图4是本发明一个实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的误差补偿前后两轴磁强计的输出数据示意图；以及
图5是本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿***的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法及***。
图1是根据本发明一个实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：提供两轴磁强计和磁强计数据采集装置，并将两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上。在本发明的一个实施例中，将两轴磁强计安装在转台中心位置，并检查线路以保证线缆、接口安装正确。
步骤S2：设置转台的转动速度和转动角度，并保存转动速度和转动角度。在本发明的一个实施例中，例如通过上位机软件设置转台的转动速度和转动角度。
步骤S3：上电预热两轴磁强计并持续预设时间，保存运行数据。其中，预设时间例如为30分钟。也即，上电预热两轴磁强计30分钟使得磁强计达到热平衡状态，并将该间段内地磁传感器输出数据保存。
步骤S4：根据转台的转动速度和转动角度，采集两轴磁强计的输出数据，并保存输出数据。换言之，即启动转台，按照上述所设定的不同转动速度和转动角度，采集两轴磁强计不同状态下的输出数据，并保存输出数据。
步骤S5：建立两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过在线误差补偿模型对输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据数据误差对输出数据进行误差补偿。
作为具体示例，例如，在旋转过程中，影响双轴磁强计的硬磁干扰随转台旋转，与磁强计保持相对静止。但是双轴磁强计的零偏误差会随时间缓慢漂移。建立载体坐标系Oxyz，如附图2所示，将两轴磁强计mx，my分别沿y轴正方向与z轴正方向固定安装，地磁场H在Oyz平面内的分量为Hyz。
当双轴磁强计绕x轴进行单轴旋转时，或当双轴磁强计绕x轴自旋角速度远大于y、z轴角速度时，在滚转一周的过程中，y轴与z轴磁强计输出数据为正弦曲线，且两轴数据输出相位差为如下式所示：
由于磁强计存在零偏误差，以及转台存在硬磁干扰，实际两轴输出为：
式中，by和bz表示随机零偏误差，dy和dz表示转台磁干扰，Δmy和Δmz表示零偏误差与转台磁干扰造成的总误差大小。
分析当y轴输出过零点时，即my(ti)＝0时：
Hyz sinφ(ti)＝-Δmy(ti)，
取相邻两个满足my＝0的点，φ(ti)，φ(tj)，则有：
当角速度较大时，ti与tj时间间隔短，零偏误差及载体产生的磁干扰变化较慢则：
mz(ti)+mz(tj)＝2Δmz(t)，
按照同样方式，可以得到：
my(tp)+my(tq)＝2Δmy(t)，
进一步通过等式变换，两轴磁强计误差为：
通过解算过程可以看出，两轴磁强计零偏系数在旋转一周过程中进行两次更新。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：根据卡尔曼滤波算法对两轴磁强计的输出数据进行误差补偿，从而对输出数据进行进一步误差补偿，提高解算精度。具体地说，两轴磁强计误差补偿的精确度极大程度依赖于零点值的获取，因此，为获取更有效的零点值，抑制噪声对磁强计输出值得干扰，使用卡尔曼滤波算法进一步处理数据，降低噪声的影响，平滑输出数据。在本发明的实施例中，以滤波后的磁强计输出值相邻两时刻符号变化来判定过零点位置，并设置时间间隔阈值，防止因噪声导致一次过零点误判为多次过零点，完成过零点时刻的确定。
作为具体的示例，卡尔曼滤波过程如附图3所示。图中θ表示旋转角，ω为旋转角速度，Hy为y轴磁强计敏感方向的地磁场分量输出值状态量，Hz为z轴磁强计敏感方向的地磁场分量输出值状态量，my为y轴磁强计输出值，mz为z轴磁强计输出值，结合四象限反正切得到的旋转角作为观测量，建立卡尔曼滤波过程。最后将上述补偿方法得出的误差值Δmy，Δmz反馈至观测量中进行补偿。
作为具体示例，如图4所示，展示了采用本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法进行误差补偿后两轴磁强计的输出数据示意图，从图4中可以看出，本发明实施例的方法能够有效补偿磁强计自身零偏误差及由铁磁性载体产生的硬磁干扰。
综上，根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法，适用于单轴转动或自旋角速度明显高于其它方向的旋转角速度时，能有效补偿磁强计自身零偏误差，以及由铁磁性载体产生的硬磁干扰，且运算量小，有效地实现了两轴磁强计的在线误差补偿。
本发明的进一步实施例还提供了一种两轴磁强计在线误差补偿***。
图5是根据本发明一个实施例的两轴磁强计在线误差补偿***的结构框图。如图5所示，该***100包括：固定模块110、设置模块20、预热模块130、采集模块140和补偿模块150。
其中，固定模块110用于将两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上。在本发明的一个实施例中，将两轴磁强计安装在转台中心位置，并检查线路以保证线缆、接口安装正确。
设置模块120用于设置转台的转动速度和转动角度，并保存转动速度和转动角度。在本发明的一个实施例中，例如通过上位机软件设置转台的转动速度和转动角度。
预热模块130用于对两轴磁强计上电预热，并在持续预设时间后保存运行数据。其中，预设时间例如为30分钟。也即，上电预热两轴磁强计30分钟使得磁强计达到热平衡状态，并将该间段内地磁传感器输出数据保存。
采集模块140用于根据转台的转动速度和转动角度，采集两轴磁强计的输出数据，并保存输出数据。换言之，即启动转台，按照上述所设定的不同转动速度和转动角度，采集两轴磁强计不同状态下的输出数据，并保存输出数据。
补偿模块150用于建立两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过在线误差补偿模型对输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据数据误差对输出数据进行误差补偿。
进一步地，在本发明的一个实施例中，补偿模块150还用于根据卡尔曼滤波算法对两轴磁强计的输出数据进行误差补偿。从而对输出数据进行进一步误差补偿，提高解算精度。
需要说明的是，本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿***的具体实现方式与本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。
综上，根据本发明实施例的两轴磁强计在线误差补偿***，适用于单轴转动或自旋角速度明显高于其它方向的旋转角速度时，能有效补偿磁强计自身零偏误差，以及由铁磁性载体产生的硬磁干扰，且运算量小，有效地实现了两轴磁强计的在线误差补偿。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种两轴磁强计在线误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供两轴磁强计和磁强计数据采集装置，并将所述两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上；
设置所述转台的转动速度和转动角度，并保存所述转动速度和转动角度；
上电预热所述两轴磁强计并持续预设时间，保存运行数据；
根据所述转台的转动速度和转动角度，采集所述两轴磁强计的输出数据，并保存所述输出数据；以及
建立所述两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过所述在线误差补偿模型对所述输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据所述数据误差对所述输出数据进行误差补偿，具体包括：建立载体坐标系Oxyz，将两轴磁强计my，mz分别沿y轴正方向与z轴正方向固定安装，地磁场H在Oyz平面内的分量为Hyz，
当两轴磁强计绕x轴进行单轴旋转时，或当两轴磁强计绕x轴自旋角速度远大于y、z轴角速度时，在滚转一周的过程中，y轴与z轴磁强计输出数据为正弦曲线，且两轴数据输出相位差为如下式所示：
由于磁强计存在零偏误差，以及转台存在硬磁干扰，实际两轴输出为：
式中，by和bz表示随机零偏误差，dy和dz表示转台磁干扰，Δmy和Δmz表示零偏误差与转台磁干扰造成的总误差大小；
分析当y轴输出过零点时，即my(ti)＝0时：
Hyzsinφ(ti)＝-Δmy(ti)，
取相邻两个满足my＝0的点，φ(ti)，φ(tj)，则有：
当角速度较大时，ti与tj时间间隔短，零偏误差及载体产生的磁干扰变化较慢则：
mz(ti)+mz(tj)＝2Δmz(t)，
按照同样方式，可以得到：
my(tp)+my(tq)＝2Δmy(t)，
进一步通过等式变换，两轴磁强计误差为：
其中，两轴磁强计零偏系数在旋转一周过程中进行两次更新。
2.根据权利要求1所述的两轴磁强计在线误差补偿方法，其特征在于，还包括：
根据卡尔曼滤波算法对所述两轴磁强计的输出数据进行误差补偿。
3.根据权利要求1所述的两轴磁强计在线误差补偿方法，其特征在于，通过上位机软件设置所述转台的转动速度和转动角度。
4.根据权利要求1所述的两轴磁强计在线误差补偿方法，其特征在于，其中，所述两轴磁强计安装在所述转台的中心位置。
5.根据权利要求1所述的两轴磁强计在线误差补偿方法，其特征在于，所述预设时间为30分钟。
6.一种两轴磁强计在线误差补偿***，其特征在于，包括：
固定模块，所述固定模块用于将两轴磁强计和磁强计数据采集装置固定在转台上；
设置模块，所述设置模块用于设置所述转台的转动速度和转动角度，并保存所述转动速度和转动角度；
预热模块，所述预热模块用于对所述两轴磁强计上电预热，并在持续预设时间后保存运行数据；
采集模块，所述采集模块用于根据所述转台的转动速度和转动角度，采集所述两轴磁强计的输出数据，并保存所述输出数据；以及
补偿模块，所述补偿模块用于建立所述两轴磁强计在线误差补偿模型，并通过所述在线误差补偿模型对所述输出数据进行数据解算，得到数据误差，并根据所述数据误差对所述输出数据进行误差补偿，具体包括：建立载体坐标系Oxyz，将两轴磁强计my，mz分别沿y轴正方向与z轴正方向固定安装，地磁场H在Oyz平面内的分量为Hyz，
当两轴磁强计绕x轴进行单轴旋转时，或当两轴磁强计绕x轴自旋角速度远大于y、z轴角速度时，在滚转一周的过程中，y轴与z轴磁强计输出数据为正弦曲线，且两轴数据输出相位差为如下式所示：
由于磁强计存在零偏误差，以及转台存在硬磁干扰，实际两轴输出为：
式中，by和bz表示随机零偏误差，dy和dz表示转台磁干扰，Δmy和Δmz表示零偏误差与转台磁干扰造成的总误差大小；
分析当y轴输出过零点时，即my(ti)＝0时：
Hyzsinφ(ti)＝-Δmy(ti)，
取相邻两个满足my＝0的点，φ(ti)，φ(tj)，则有：
当角速度较大时，ti与tj时间间隔短，零偏误差及载体产生的磁干扰变化较慢则：
mz(ti)+mz(tj)＝2Δmz(t)，
按照同样方式，可以得到：
my(tp)+my(tq)＝2Δmy(t)，
进一步通过等式变换，两轴磁强计误差为：
其中，两轴磁强计零偏系数在旋转一周过程中进行两次更新。
7.根据权利要求6所述的两轴磁强计在线误差补偿***，其特征在于，所述补偿模块还用于根据卡尔曼滤波算法对所述两轴磁强计的输出数据进行误差补偿。
8.根据权利要求6所述的两轴磁强计在线误差补偿***，其特征在于，所述设置模块通过上位机软件设置所述转台的转动速度和转动角度。
9.根据权利要求6所述的两轴磁强计在线误差补偿***，其特征在于，其中，所述两轴磁强计安装在所述转台的中心位置。
10.根据权利要求6所述的两轴磁强计在线误差补偿***，其特征在于，所述预设时间为30分钟。
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