CN112066965A - 一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针 - Google Patents
一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,包括外壳,外壳内设置有数据获取模块、存储模块以及数据处理模块;数据获取模块用于实时获取磁场角度数据、角速度数据以及北斗定位的点迹信息;存储芯片,用于预先存储磁偏角数据;还用于对数据获取模获取的磁场角度数据、角速度数据以及点迹信息进行实时存储;数据处理模块,用于根据磁场角度数据述角速度数据、点迹信息以及磁偏角数据对电子指南针的精度进行校正。本发明的目的在于提供一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,可提高现有电子罗盘指向信息精度和抗干扰能力,使其能够应用到高精度导航领域之中。
Description
技术领域
本发明涉及指南针技术领域,尤其涉及一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针。
背景技术
电子指南针又称作电子罗盘,是现代出行的一种重要导航工具,可应用于多种场合,其工作原理是,采用磁场传感器测量地球磁场角度,经过换算得到实时方位指向角度。但是,存在以下缺陷:
(1)磁场传感器容易受到电子设备、金属物体、磁性物体等干扰,导致测量的地球磁场角度不准确;
(2)各个地方的磁偏角不同,所以电子罗盘不能独立修正不同地理位置带来的磁偏角误差;
(3)现有磁场传感器测量精度约为1°,受多种技术及环境因素影响,其测量精度难以提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,可以提高现有电子罗盘指向信息精度和抗干扰能力,使其能够应用到高精度导航领域之中。
本发明通过下述技术方案实现:
一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,包括外壳,所述外壳内设置有数据获取模块、存储模块以及数据处理模块;
所述数据获取模块用于实时获取地球的磁场角度数据、移动过程中的方位角速度数据以及移动过程中定位的点迹信息;
所述存储芯片,预先存储有不同地理位置的磁偏角数据;还用于对所述数据获取模获取的所述磁场角度数据、所述角速度数据以及所述点迹信息进行实时存储;
所述数据处理模块,用于根据所述磁场角度数据、所述方位角速度数据、所述点迹信息以及所述磁偏角数据对所述电子指南针的精度进行校正。
优选地,所述数据处理模块包括以下处理过程:
S1:根据所述磁场角度数据评估周围环境的磁场状态;
S2:若所述磁场状态为紊乱状态,则对所述电子指南针进行校正,直至所述磁场状态为稳定状态;
S3:若所述磁场状态为稳定状态,则移动所述电子指南针,获取移动过程中的点迹信息,并根据所述点迹信息和所述磁偏角数据对所述磁场角度数据进行补偿。
优选地,当所述磁场角度数据稳定时,所述磁场状态为稳定状态;否则,所述磁场状态为紊乱状态。
优选地,对所述电子指南针进行校正的方法为:移动所述电子指南针的位置,使所述磁场传感器记录周围环境的所述磁场角度数据,直至所述磁场角度数据稳定。
优选地,所述S3包括以下步骤:
S31:沿一固定方向移动所述电子指南针且移动距离大于第一阈值,同时获取移动过程中的所述点迹信息;
S32:根据所述点迹信息拟合一条点迹曲线,从所述点迹曲线中选取一段线段,所述线段为直线且所述线段的距离大于或者等于第一阈值;
S33:获取所述线段的两个端点的经度差值和纬度差值,根据所述经度差值和所述纬度差值获取移动过程中的运动方位指向角度;
S34:根据所述运动方位指向角度、当前地理位置的所述磁偏角数据以及移动过程中的所述磁场角度数据获取综合修正参数:
γ表示修正参数,θ表示磁场角度数据,β表示磁偏角数据;
根据所述综合修正参数对所述磁场角度数据进行补偿,得到磁场角度数据A,以所述磁场角度数据A作为第一指向信息移动所述电子指南针;
θi=θ+γ
其中,θi表示磁场角度数据A;
S35:获取移动过程中的所述点迹信息A,并实时对所述点迹信息A进行曲线拟合,当拟合的曲线中存在线段k满足:线段k为直线且线段k的距离大于或者等于第一阈值,则重复S33-S35。
优选地,所述运动方位指向信息的精度为:
其中,α表示精度;L表示点迹信息A和点迹信息B之间的直线距离;d表示定位芯片的定位精度。
优选地,还包括修正步骤,所述修正步骤用于当所述电子指南针临时遇到外界干扰导致磁场紊乱时,对所述电子指南针进行修正。
优选地,获取所述电子指南针在遇到外界干扰前一刻的所述磁场角度数据A和实时方位角速度信息;
根据所述磁场角度数据A和实时方位角速度信息获取估计方位角信息;
其中,θi表示磁场角度数据A,Vθ表示实时方位角速度信息,t表示时间,f(θ)为估计方位角信息;
获取所述电子指南针在遇到外界干扰后的点迹信息B,根据所述点迹信息B对所述估计方位角信息进行辅助修正。
优选地,根据所述点迹信息B对所述估计方位角信息进行辅助修正的方法为:
根据所述点迹信息B拟合点迹曲线,从所述点迹曲线中选取一段线段,所述线段为直线且所述线段的距离大于或者等于第一阈值;
获取所述线段的两个端点的经度差值和纬度差值,根据所述经度差值和所述纬度差值获取移动过程中的运动方位指向角度B;
用所述运动方位指向角度B代替所述磁场角度数据A,从而得到修正后的估计方位角信息B。
优选地,所述数据获取模块包括磁场传感器、陀螺仪传感器和北斗定位芯片;
所述磁场传感器,用于实时测量地球的磁场角度数据;
所述陀螺仪传感器,用于实时测量角速度数据;
所述北斗定位芯片,用于实时获取北斗定位的点迹信息。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、采用定位数据和磁偏角数据补偿磁场传感器测量的磁场角度信息,得到高精度指向信息;
2、采用积分运算估计指向信息临时替代磁场测量信息方式提高电子指南针的抗环境磁场干扰能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明电子指南针的工作流程示意图;
图2为本发明北斗定位换算指向精度示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,包括外壳,外壳内设置有数据获取模块、存储模块以及数据处理模块;
在本实施例中,数据获取模块包括磁场传感器、陀螺仪传感器和北斗定位芯片;磁场传感器用于实时获取电子指南针在不同地理位置的磁场角度数据;陀螺仪传感器用于实时获取电子指南针在移动过程中的方位角速度数据;北斗定位芯片用于获取电子指南针的点迹信息,本实施例所说的点迹信息是指电子指南针在移动过程中北斗定位芯片获取的位置信息。
存储模块,预先存储有不同地理位置的磁偏角数据;还用于对获取的磁场角度数据、方位角速度数据以及点迹信息进行实时存储;
其中,存储模块中存储的不同地理位置的磁偏角数据由测绘学文献获取,不同地理位置的磁偏角数据有一定偏差,我国一般为2°-3°,最大为6°。
数据处理模块,用于根据磁场角度数据、方位角速度数据、点迹信息以及磁偏角数据对电子指南针的精度进行校正。
具体地,数据处理模块包括以下处理过程:
S1:根据磁场角度数据评估周围环境的磁场状态;
S2:若磁场状态为紊乱状态,则对电子指南针进行校正,直至磁场状态为稳定状态;
S3:若磁场状态为稳定状态,则移动电子指南针,获取移动过程中的点迹信息,并根据点迹信息和磁偏角数据对磁场角度数据进行补偿。
磁场传感器容易受到电子设备、金属物体以及磁性物体等干扰,从而使得测量的磁场角度数据不准确。因此,在使用本申请的电子指南针时,如图1所示,首先对电子指南针周围的磁场环境的状态进行评估。具体地,当电子指南针开机后,磁场传感器处于工作状态,并会对周围环境的磁场角度进行测量;若周围环境中存在电子设备、金属物体或磁性物体的干扰时,此时磁场传感器测量的磁场角度数据并不稳定,磁场角度数据会来回进行波动,因而需要移动电子指南针,使得电子指南针的位置远离周围电子设备、金属物体或磁性物体,在移动的过程中,磁场传感器可以捕捉记录周围环境的磁场数据,直至磁场传感器测量的磁场角度数据稳定(其中,磁场角度数据稳定是指,磁场角度数据保持不变或者磁场角度数据的波动位于一定范围内)。当磁场角度数据稳定后,电子指南针可以开始进行正常的指向(其指向信息以磁场传感器测量的磁场角度数据为依据)。
为了获得准确的指向精度,在电子指南针刚开机或刚校正完毕时,电子指南针会进行一个综合校正。
具体地,在使用时,首先沿一固定方向移动电子指南针且移动距离大于第一阈值,在移动过程中,北斗定位芯片会实时的获取移动过程的点迹信息;数据处理模块按照获取的先后顺序将点迹信息连接起来,并从中选取一段直线或近似直线的线段l,线段l的端点分别记为A和B,为了能准确的对指向精度进行校正,线段l的长度大于或等于第一阈值,其中第一阈值可以根据实际需求进行设置,为了尽可能的提高指向精度,第一阈值的值应大于100m。其次,从北斗定位芯片中获取A点和B点的经纬度,根据A点的经纬度和B点的经纬度获取A点和B点的经度差值和纬度差值,并根据经度差值和纬度差值获取移动过程中的运动方位指向角度:
其中,如图2所示,运动方位指向角度的精度为:
其中,α表示精度,单位为度(例如,某一结果可读作“北偏东30°”);L表示A点和B点之间的直线距离;d表示北斗定位芯片的定位精度。
若L=100m,d=0.1m,代入上述公式可得到北斗位置换算而来的指向信息精度约为0.1°。
其次,数据处理模块根据当前地理位置的磁偏角数据、当前的运动方位指向角度以及当前的磁场角度数据获取综合修正参数,
γ表示修正参数,θ表示磁场角度数据,β表示磁偏角数据;
然后,数据处理模块根据该综合修正参数对当前的磁场角度数据进行补偿,得到磁场角度数据A,此时,综合校正完毕,可以正常使用电子指南针;
θi=θ+γ
其中,θi表示磁场角度数据A。
正常使用过程,以磁场角度数据A作为指向信息移动电子指南针,并获取移动过程中的点迹信息A,并实时对点迹信息A进行曲线拟合,当拟合的曲线中存在线段k满足:线段k为直线(或近似直线)且线段k的距离大于或者等于第一阈值时,则重复上述过程。
在本方案中,在移动电子指南针的过程中,可以实时对电子指南针的指向精度进行修正,保证了指向精度,同时,从本方案可知,采用本申请的技术方案时,指向精度相对于传统的磁场传感器的指向精度可以大幅的提高。
实施例2
由于在使用的过程中,周围环境中很有可能会出现电子设备、金属物体或者磁性物体,从而对磁场角度数据造成影响,因此,在本实施例中,数据处理模块还具有修正功能,当电子指南针临时遇到外界干扰导致磁场紊乱时,可以对电子指南针的精度进行修正,从而可以使得该电子指南针能够继续使用,具体地:
获取电子指南针在遇到外界干扰前一刻的磁场角度数据A和实时方位角速度信息;
根据磁场角度数据A和实时方位角速度信息获取估计方位角信息;
其中,θi表示磁场角度数据A,Vθ表示实时方位角速度信息,t表示时间,f(θ)为估计方位角信息;
获取电子指南针在遇到外界干扰后的点迹信息B,根据点迹信息B拟合点迹曲线,从点迹曲线中选取一段线段,线段为直线且线段的距离大于或者等于第一阈值;
获取线段的两个端点的经度差值和纬度差值,根据经度差值和纬度差值获取移动过程中的运动方位指向角度;
用运动方位指向角度代替磁场角度数据A,从而得到修正后的估计方位角信息B。
因为点迹信息为北斗定位芯片获得,因此,即使环境周围出现电子设备、金属物体或磁性物体,也不会导致获取的点迹信息因磁场干扰而产生失真,因此,在环境周围出现电子设备、金属物体或磁性物体时,通过点迹信息对估计方位角信息进行辅助修正,可以保证电子指南针的指向精度。
值得说明的是,由于受***时钟精度、运算能力和陀螺仪角速度测量精度影响,积分运算获得的估计方位角信息会随着时间推移而加大,一般连续使用该方式超过30分钟,获取的估计指向信息就会有较大的差值,此时则需要重新选取初始数据进行运算。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,包括外壳,所述外壳内设置有数据获取模块、存储模块以及数据处理模块;
所述数据获取模块用于实时获取地球的磁场角度数据、移动过程中的方位角速度数据以及移动过程中定位的点迹信息;
所述存储模块,预先存储有不同地理位置的磁偏角数据;还用于对所述数据获取模获取的所述磁场角度数据、所述角速度数据以及所述点迹信息进行实时存储;
所述数据处理模块,用于根据所述磁场角度数据、所述方位角速度数据、所述点迹信息以及所述磁偏角数据对所述电子指南针的精度进行校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,所述数据处理模块包括以下处理过程:
S1:根据所述磁场角度数据评估周围环境的磁场状态;
S2:若所述磁场状态为紊乱状态,则对所述电子指南针进行校正,直至所述磁场状态为稳定状态;
S3:若所述磁场状态为稳定状态,则移动所述电子指南针,获取移动过程中的点迹信息,并根据所述点迹信息和所述磁偏角数据对所述磁场角度数据进行补偿。
3.根据权利要求2所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,当所述磁场角度数据稳定时,所述磁场状态为稳定状态;否则,所述磁场状态为紊乱状态。
4.根据权利要求2所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,对所述电子指南针进行校正的方法为:移动所述电子指南针的位置,使所述磁场传感器记录周围环境的所述磁场角度数据,直至所述磁场角度数据稳定。
5.根据权利要求2所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,所述S3包括以下步骤:
S31:沿一固定方向移动所述电子指南针且移动距离大于第一阈值,同时获取移动过程中的所述点迹信息;
S32:根据所述点迹信息拟合一条点迹曲线,从所述点迹曲线中选取一段线段,所述线段为直线且所述线段的距离大于或者等于第一阈值;
S33:获取所述线段的两个端点的经度差值和纬度差值,根据所述经度差值和所述纬度差值获取移动过程中的运动方位指向角度;
S34:根据所述运动方位指向角度、当前地理位置的所述磁偏角数据以及移动过程中的所述磁场角度数据获取综合修正参数:
γ表示修正参数,θ表示磁场角度数据,β表示磁偏角数据;
根据所述综合修正参数对所述磁场角度数据进行补偿,得到磁场角度数据A,以所述磁场角度数据A作为指向信息移动所述电子指南针;
θi=θ+γ
其中,θi表示磁场角度数据A;
S35:获取移动过程中的点迹信息A,并实时对所述点迹信息A进行曲线拟合,当拟合的曲线中存在线段k满足:线段k为直线且线段k的距离大于或者等于第一阈值,则重复S33-S35。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,还包括修正步骤,所述修正步骤用于当所述电子指南针临时遇到外界干扰导致磁场紊乱时,对所述电子指南针进行修正。
10.根据权利要求9所述的一种基于定位和三维陀螺仪进行校正的电子指南针,其特征在于,所述数据获取模块包括磁场传感器、陀螺仪传感器和北斗定位芯片;
所述磁场传感器,用于实时测量地球的磁场角度数据;
所述陀螺仪传感器,用于实时测量角速度数据;
所述北斗定位芯片,用于实时获取北斗定位的点迹信息。
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