CN113916207A - 一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，包括以下步骤：S01：磁力计安装误差补偿：将电子罗盘放置在水平面内旋转，采集磁力计的输出数据，进行线性拟合得到磁力计安装误差系数进行误差补偿；S02：椭球拟合标定：将电子罗盘放置在空中旋转，采集经过安装误差补偿后的磁力计的输出数据，作为测量值，并根据测量值计算得到传感器的理论输出值。S03：测量传感器横滚角和俯仰角，并计算航向角。本发明的实质性效果包括：有效降低了各类误差，提高了电子罗盘大量程测量横滚角和俯仰角测量精度，在不同倾角下航向角的测量精度，并且生产成本大大降低。

Description

一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法

技术领域

本发明涉及标定领域，特别涉及一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法。

背景技术

利用地球磁场分布进行导航一直是各个国家基本的导航定位手段，电子罗盘是一种重要的导航工具，能够提供运动物体的航向和姿态。然而，目前所用的地磁传感器在性能和使用环境上均存在一定的局限和不足，使得电子罗盘在实际测量中存在一定误差。因此，选择合适的地磁传感器，全面的分析误差产生的机理并对误差进行补偿，能够很好的提高电子罗盘性能。

电子罗盘的磁传感器在选型过程中，尽管选用同一生产厂家，同一生产工艺甚至同一批次的产品，三个轴向磁传感器的测量特性仍然不可避免的会产生一定的误差，同时，由于生产工艺的限制，在集成磁测量单元时，不能保证三个测量轴完全两两正交，而是存在偏差。传感器制造误差主要包括零位误差，灵敏度误差和正交误差。制造误差的影响在解析几何上表现为测量结果由圆球面变为椭球面。在电子罗盘组装时，由于安装过程中不能保证电子罗盘的三个磁传感器的敏感轴与载体的三个测量轴完全平行，导致电子罗盘存在安装误差。

电子罗盘是根据测量地球磁场强度来解算航向角，但由于在实际应用环境中载体周围可能会存在磁性材料，导致电子罗盘存在测量误差，因此，为了更精准的测量，必须对磁性材料对测量带来的误差进行补偿(软磁补偿)。由于载体与水平面可能会存在夹角，因此，必须在最后对电子罗盘采用倾角补偿算法，以保证电子罗盘在不同倾斜角度都能保证航向角的精度。

在市场上现有的电子罗盘中，手机自带的电子罗盘采用的是立体八字校准法，仅仅对传感器制造误差进行了补偿，在手机倾斜或存在磁场干扰时不能保证航向角的测量精度。市场上的高精度电子罗盘需要利用高精度转台对三轴加速度计进行标定，以保证横滚角和俯仰角的测量精度，必须利用无磁转台进行磁力计硬磁及软磁补偿，大大增加了成本，导致其售价昂贵。另外，其标定采用24位置或50位置校准法，必须将电子罗盘放在不同位置采集数据，导致校准时间过长，校准流程过于繁琐，不利于客户使用。

发明内容

针对现有技术存在的误差较大且修正方式繁琐或效果不佳的问题，本发明提供了一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，通过磁力计安装误差补偿、椭球拟合标定以及航向角的计算，完成整个标定过程，精度较高，大大节约了标定成本和标定时间，减少了产品生产成本，提高了产品竞争力。

以下是本发明的技术方案。

一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，包括以下步骤：

S01：磁力计安装误差补偿：将电子罗盘放置在水平面内旋转，采集磁力计的输出数据，进行线性拟合得到磁力计安装误差系数进行误差补偿；

S02：椭球拟合标定：将电子罗盘放置在空中旋转，采集经过安装误差补偿后的磁力计的输出数据，作为测量值，并根据测量值计算得到传感器的理论输出值。

S03：测量传感器横滚角和俯仰角，并计算航向角。

作为优选，所述理论输出值的计算过程包括：

传感器的理论输出公式为：

K^-1通过下式表示：

式中，X₀、Y₀、Z₀是传感器的理论输出，X、Y、Z是传感器的三轴实测值，即测量值，x、y、z是传感器的零偏，即椭球的球心偏移；α、β、γ是不正交角模型的对应非正交角，k_x、k_y、k_z为三轴磁传感器的灵敏度；

利用MATLAB对测量值进行处理计算，可以得到K^-1以及x、y、z这三个球心偏移的参数；再通过理论输出公式进行计算补偿，求解出传感器的理论输出。

作为优选，所述测量传感器横滚角和俯仰角包括：

将电子罗盘放置在起始点，记录电子罗盘的磁力计在该位置测量的磁场值和角度值；然后将电子罗盘从起始点开始沿一中心转动，记录每一个位置的角度值和磁力计测量的磁场值；同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在x轴，y轴，z轴的加速度分量。

作为优选，所述计算航向角精度，包括：

通过加速计获得的电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y cosθ+Z sinθ；

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的实测值，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，即水平面内相互正交的矢量，β是航向角。

本发明的实质性效果包括：有效降低了各类误差，提高了电子罗盘大量程测量横滚角和俯仰角测量精度，在不同倾角下航向角的测量精度，并且生产成本大大降低。

附图说明

图1是电子罗盘测量原理图；

图2是本发明实施例的不正交角模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本技术方案进行清楚、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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为电子罗盘测量原理，X_h，Y_h表示当地水平面内相互正交的矢量，当载体存在俯仰角和滚转角时，将三轴磁传感敏感到的磁场矢量X,Y投影到当地水平坐标系，投影矢量X_h和Y_h，Z_h竖直向下，与X_h，Y_h构成右手坐标系。当电子罗盘固定到载体上时，电子罗盘测量到的磁场强度信息(X Y Z)^T与地磁场在当地水平坐标系中的投影(X_h Y_h Z_h)^T及姿态角之间的相互关系用矩阵表示如式(1)所示：

对矩阵进行运算，得到：

这样就得到了当地水平面内的磁场强度(X_h Y_h)，磁航向角

可按式3解算得到，即：

当载体在某一固定位置或磁场变化较小的地区作各种姿态的运动时，由于地磁场矢量为一常矢量，因此捷联式三轴磁传感器的测量矢量满足式(4)：

式(4)中，

表示三轴磁传感器测得的磁场矢量；

表示当地地磁场在载体坐标系的磁场矢量。将式(4)展开，写成三分量形式的式(5)：

式(5)中，

分别表示x、y、z三个轴向磁传感器测得的地磁场分量。

从式(5)可以看出，捷联式三轴磁传感器在x、y、z三个轴上的量测数据满足圆球方程，其几何意义为以此三轴传感器的测量数据为坐标的点在量测直角坐标系中均位于一个中心为坐标系原点、半径为当地地磁场强度

的圆球面上。

实施例：

一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，包括以下步骤：

S01：磁力计安装误差补偿：将电子罗盘放置在水平面内旋转，通过上位机采集磁力计的输出数据，通过MATLAB进行线性拟合得到磁力计安装误差系数，通过串口传输给下位机进行误差补偿。

S02：椭球拟合标定：将电子罗盘放置在空中旋转，采集经过安装误差补偿后的磁力计的输出数据，作为测量值，并根据测量值计算得到传感器的理论输出值。其中传感器的理论输出公式为：

K^-1通过下式表示：

式中，X₀、Y₀、Z₀是传感器的理论输出，X、Y、Z是传感器的三轴实测值，即测量值，x、y、z是传感器的零偏，即椭球的球心偏移；α、β、γ是图2中不正交角模型的对应非正交角，k_x、k_y、k_z为三轴磁传感器的灵敏度；

利用MATLAB对测量值进行处理计算，可以得到K^-1以及x、y、z这三个球心偏移的参数；再通过理论输出公式进行计算补偿，求解出传感器的理论输出。

S03：测量传感器横滚角和俯仰角，并计算航向角。

将电子罗盘放置在起始点，记录电子罗盘的磁力计在该位置测量的磁场值和角度值；然后将电子罗盘从起始点开始沿一中心转动，记录每一个位置的角度值和磁力计测量的磁场值；同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在x轴，y轴，z轴的加速度分量。

计算航向角精度，包括：

通过加速计获得的电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y cosθ+Z sinθ；

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的实测值，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，即水平面内相互正交的矢量，β是航向角。

本实施例的实质性效果包括：有效降低了各类误差，提高了电子罗盘大量程测量横滚角和俯仰角测量精度，在不同倾角下航向角的测量精度，并且生产成本大大降低。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：磁力计安装误差补偿：将电子罗盘放置在水平面内旋转，采集磁力计的输出数据，进行线性拟合得到磁力计安装误差系数进行误差补偿；

S02：椭球拟合标定：将电子罗盘放置在空中旋转，采集经过安装误差补偿后的磁力计的输出数据，作为测量值，并根据测量值计算得到传感器的理论输出值；

2.S03：测量传感器横滚角和俯仰角，并计算航向角。

2.根据权利要求1所述的一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，其特征在于，所述理论输出值的计算过程包括：

传感器的理论输出公式为：

K^-1通过下式表示：

式中，X₀、Y₀、Z₀是传感器的理论输出，X、Y、Z是传感器的三轴实测值，即测量值，x、y、z是传感器的零偏，即椭球的球心偏移；α、β、γ是不正交角模型的对应非正交角，k_x、k_y、k_z为三轴磁传感器的灵敏度；

利用MATLAB对测量值进行处理计算，可以得到K^-1以及x、y、z这三个球心偏移的参数；再通过理论输出公式进行计算补偿，求解出传感器的理论输出。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，其特征在于，所述测量传感器横滚角和俯仰角包括：

将电子罗盘放置在起始点，记录电子罗盘的磁力计在该位置测量的磁场值和角度值；然后将电子罗盘从起始点开始沿一中心转动，记录每一个位置的角度值和磁力计测量的磁场值；同时采集加速计在三个轴向的值，并通过如下公式计算得到电子罗盘的横滚角和俯仰角：

其中，θ表示电子罗盘的横滚角，

表示电子罗盘的俯仰角，A_x、A_y、A_z分别表示加速计测量得到的在x轴，y轴，z轴的加速度分量。

4.根据权利要求3所述的一种高精度带倾角补偿的电子罗盘标定方法，其特征在于，所述计算航向角精度，包括：

通过加速计获得的电子罗盘的横滚角和俯仰角进行倾角补偿，将计算得到磁力计的横滚角和俯仰角加上磁力计的数据，计算航向角，公式如下：

Y_h＝Y cosθ+Z sinθ；

其中，X、Y、Z是地磁场在磁力计三个轴上的实测值，X_h、Y_h是补偿后的磁场分量值，即水平面内相互正交的矢量，β是航向角。

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