CN114325536A

CN114325536A - 一种磁场校准方法及相关组件

Info

Publication number: CN114325536A
Application number: CN202111584057.7A
Authority: CN
Inventors: 韦佩兰; 王春; 李圆怡; 杨黎; 陈容睿; 曹幸静
Original assignee: Chongqing Jinshan Medical Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing Jinshan Medical Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种磁场校准方法及相关组件，获取磁传感器测量的三轴数据后对三轴数据拟合得到三轴数据的正弦函数表达式，然后将三轴数据中与三轴数据的正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除，以排除干扰数据，随后将剩余的三轴数据进行椭球拟合校准，最后使得分布在空间椭球面上的磁场数据校准到空间圆球面上，可见本方法可以将磁传感器的测量数据进行校准的同时排除干扰数据，抗干扰能力较强，不需要构建训练神经网络，效率较高且不需要增加额外的传感器，降低了成本。

Description

一种磁场校准方法及相关组件

技术领域

本发明涉及数据校准领域，特别是涉及一种磁场校准方法及相关组件。

背景技术

目前，随着磁传感器的快速发展及广泛使用，对磁传感器的测量精度要求也越来越高，但磁传感器容易受到环境磁场的干扰，例如环境中存在的永磁体和直流带电体都会产生影响磁传感器测量精度的磁场，甚至磁传感器也有被磁化的风险，从而影响测量精度，因此，磁场校准是一种有效提高磁传感器测量精度的手段，现有技术中通常有两种方法来进行磁场校准，分别为：与基准航向对比实现校准的方式和采用冗余传感器实现校准的方式。

现有技术中与基准航向对比实现校准的方式常采用神经网络的方式，但实际应用中很难找到高精度的航向基准，并且构建训练神经网络需要大量的资源及时间，效率较低，不利于实施。

现有技术中采用冗余传感器实现校准的方式的需要磁传感器与GPS、惯导***配合使用来完成磁场校准，或使用差分传感器来完成磁场校准，可见这些方式都需要额外的传感器设备，使得成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场校准方法及相关组件，能够将磁传感器的测量数据进行校准的同时排除了干扰数据，抗干扰能力较强，不需要构建训练神经网络，效率较高且不需要增加额外的传感器，降低了成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁场校准方法，包括：

获取磁传感器分别沿x轴、y轴及z轴旋转360度过程中测量的多组x轴数据、y轴数据和z轴数据；

分别对x轴数据、y轴数据和z轴数据进行拟合，得到x轴正弦函数表达式、y轴正弦函数表达式及z轴正弦函数表达式；

将与所述x轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的x轴数据删除，得到x轴样本数据；

将与所述y轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的y轴数据删除，得到y轴样本数据；

将与所述z轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的z轴数据删除，得到z轴样本数据；

基于所述x轴样本数据、所述y轴样本数据和所述z轴样本数据得到样本数据拟合椭球；

确定所述样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z及x 轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z；

根据所述x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z确定校准系数b_x、b_y、b_z；

根据所述校准系数b_x、b_y、b_z与所述x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量 o_y、z轴零点偏移量o_z确定校准后的磁场数据。

优选的，确定所述样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z及x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z，包括：

从所述x轴样本数据、所述y轴样本数据和所述z轴样本数据中分别获取所述x轴样本数据、所述y轴样本数据、所述z轴样本数据中的最大值数据与最小值数据，得到x_max，x_min，y_max，y_min，z_max，z_min，其中，x_max为所述 x轴样本数据中的最大值数据，x_min为所述x轴样本数据中的最小值数据，y_max为所述y轴样本数据中的最大值数据，y_min为所述y轴样本数据中的最小值数据，z_max为所述z轴样本数据中的最大值数据，z_min所为述z轴样本数据中的最小值数据；

基于x_max，x_min及x轴长关系式确定x轴轴长a_x；

所述x轴长关系式为：

a_x＝x_max-x_min；

基于y_max，y_min及y轴长关系式确定y轴轴长a_y；

所述y轴长关系式为：

a_y＝y_max-y_min；

基于z_max，z_min及z轴长关系式确定z轴轴长a_z；

所述z轴长关系式为：

a_z＝z_max-z_min；

基于x_max，x_min及x轴零点偏移量关系式确定x轴零点偏移量o_x；

所述x轴零点偏移量关系式为：

基于y_max，y_min及y轴零点偏移量关系式确定y轴零点偏移量o_y；

所述y轴零点偏移量关系式为：

基于z_max，z_min及z轴零点偏移量关系式确定z轴零点偏移量o_z；

所述z轴零点偏移量关系式为：

优选的，根据所述x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z获取校准系数b_x、 b_y、b_z，包括：

比较所述x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z的大小；

若所述x轴轴长a_x最小，则令b_x＝1，b_y＝a_x/a_y，b_z＝a_x/a_z；

若所述y轴轴长a_y最小，则令b_x＝a_y/a_x，b_y＝1，b_z＝a_y/a_z；

若所述z轴轴长a_z最小，则令b_x＝a_z/a_x，b_y＝a_z/a_y，b_z＝1。

优选的，根据所述校准系数b_x、b_y、b_z与所述x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z获取校准后的磁场数据，包括：

令校准后的x轴磁场数据＝b_x(x-o_x)；

令校准后的y轴磁场数据＝b_y(y-o_y)；

令校准后的z轴磁场数据＝b_z(z-o_z)，其中x、y、z为所述磁传感器x 轴的测量数据、y轴的测量数据及z轴的测量数据。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种磁场校准装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序和校准系数；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述所述磁场校准方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述磁场校准方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种设备，包括磁传感器，还包括如上述所述的磁场校准装置。

本发明提供了一种磁场校准方法，首先先获取磁传感器测量得到的三轴数据，再分别对三轴数据进行拟合，得到三轴数据的正弦函数表达式，将三轴数据中与三轴数据的正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除后得到样本数据，根据样本数据得到拟合椭球，确定拟合椭球的三轴长及零点偏移量，根据拟合椭球的三轴长确定校准系数，最后根据校准系数及零点偏移量得到校准后的磁场数据，可见本方法可以将磁传感器的测量数据进行校准的同时排除了干扰数据，抗干扰能力较强，不需要构建训练神经网络，效率较高且不需要增加额外的传感器，降低了成本。

本发明还提供了一种磁场校准装置、计算机可读存储介质及设备，具有有上述磁场校准方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种磁场校准方法的流程图；

图2为本发明提供的一种磁场校准装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种磁场校准方法及相关组件，能够将磁传感器的测量数据进行校准的同时排除了干扰数据，抗干扰能力较强，不需要构建训练神经网络，效率较高且不需要增加额外的传感器，降低了成本。

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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种磁场校准方法的流程图，包括：

S11：获取磁传感器分别沿x轴、y轴及z轴旋转360度过程中测量的多组x轴数据、y轴数据和z轴数据；

S12：分别对x轴数据、y轴数据和z轴数据进行拟合，得到x轴正弦函数表达式、y轴正弦函数表达式及z轴正弦函数表达式；

S13：将与x轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的x轴数据删除，得到x轴样本数据；

将与y轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的y轴数据删除，得到y轴样本数据；

将与z轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的z轴数据删除，得到z轴样本数据；

S14：基于x轴样本数据、y轴样本数据和z轴样本数据得到样本数据拟合椭球；

S15：确定样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z及x 轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z；

S16：根据x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z确定校准系数b_x、b_y、b_z；

S17：根据校准系数b_x、b_y、b_z与x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、 z轴零点偏移量o_z确定校准后的磁场数据。

目前，随着磁传感器的快速发展及广泛使用，对磁传感器的测量精度要求也越来越高，但磁传感器容易受到环境磁场的干扰，从而影响到磁传感器的测量精度，因此，磁场校准是一种有效提高磁传感器测量精度的手段，现在常采用与基准航向比对实现校准的方法和采用冗余传感器实现校准的方法，但在实际应用过程中，与基准航向比对的方法需要构建训练神经网络，需要耗费大量时间，效率较低，不利于实施，而采用冗余传感器校准的方法需要添加额外的传感器设备，导致成本的增加。

为了解决上述问题，本方案提供的磁场校准方法首先获取磁传感器分别沿三轴缓慢旋转360度过程中测量的多组磁场数据，这里的多组磁场数据应该包含磁传感器的所有测量范围，且数据量不少于1000组。将采集得到的多组磁场数据分离，得到x轴数据、y轴数据、和z轴数据，根据其各自的规律进行拟合，可以得到x轴正弦函数表达式、y轴正弦函数表达式和z轴正弦函数表达式，将x轴数据中与x轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除，将y轴数据中与y轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除，将z轴数据中与z轴正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除，得到的无干扰数据的x轴样本数据、y轴样本数据和z轴样本数据。然后根据x轴样本数据、y轴样本数据和z轴样本数据拟合得到样本数据拟合椭球，确定样本数据拟合椭球的三轴轴长及零点偏移量后，根据三轴轴长确定校准系数，然后将原本分布在空间椭球面上的磁场数据基于校准系数及零点偏移量校准为分布在空间圆球面上的磁场数据。

需要注意的是，这里的x轴数据中与x轴正弦函数表达式的偏差值指的是 x轴数据中的数据值与其对应的x轴正弦函数表达式中的标准值的差值的绝对值。y轴数据中与y轴正弦函数表达式的偏差值及z轴数据中与z轴正弦函数表达式的偏差值同理。

综上，本发明提供了一种磁场校准方法，首先先获取磁传感器测量得到的三轴数据，再分别对三轴数据进行拟合，得到三轴数据的正弦函数表达式，将三轴数据中与三轴数据的正弦函数表达式的偏差值超过第一预设阈值的数据删除后得到样本数据，根据样本数据得到拟合椭球，确定拟合椭球的三轴长及零点偏移量，根据拟合椭球的三轴长确定校准系数，最后根据校准系数及零点偏移量得到校准后的磁场数据，可见本方法可以将磁传感器的测量数据进行校准的同时排除了干扰数据，抗干扰能力较强，不需要构建训练神经网络，效率较高且不需要增加额外的传感器，降低了成本。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，确定样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长 a_y、z轴轴长a_z及x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z，包括：

从所述x轴样本数据、所述y轴样本数据和所述z轴样本数据中分别获取 x轴样本数据、y轴样本数据、z轴样本数据中的最大值数据与最小值数据，得到x_max，x_min，y_max，y_min，z_max，z_min，其中，x_max为x轴样本数据中的最大值数据，x_min为x轴样本数据中的最小值数据，y_max为y轴样本数据中的最大值数据，y_min为y轴样本数据中的最小值数据，z_max为z轴样本数据中的最大值数据，z_min所为述z轴样本数据中的最小值数据；

基于x_max，x_min及x轴长关系式确定x轴轴长a_x；

x轴长关系式为：

a_x＝x_max-x_min；

基于y_max，y_min及y轴长关系式确定y轴轴长a_y；

y轴长关系式为：

a_y＝y_max-y_min；

基于z_max，z_min及z轴长关系式确定z轴轴长a_z；

z轴长关系式为：

a_z＝z_max-z_min；

x轴零点偏移量关系式为：

y轴零点偏移量关系式为：

z轴零点偏移量关系式为：

本实施例中，考虑到在空间坐标系中，只要知道椭球的三轴的最大值与最小值，就可以得到该空间椭球的三轴轴长及零点偏移量，因此本实施例中，先确定x轴样本数据、y轴样本数据和z轴样本数据中的最大值与最小值，具体的，可以通过比较法来确定样本数据中的最大值与最小值，即将两个数据进行比较，留下较大或较小的一个后继续与下个数据比对，直到所有数据都被比较过。得到三轴样本数据中的最大值和最小值后，就可以根据轴长关系式及零点偏移量关系式计算得到三轴轴长与三轴零点偏移量，计算方式简单便捷，增加了方案的可行性。

作为一种优选的实施例，根据x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z获取校准系数b_x、b_y、b_z，包括：

比较x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z的大小；

若x轴轴长a_x最小，则令b_x＝1，b_y＝a_x/a_y，b_z＝a_x/a_z；

若y轴轴长a_y最小，则令b_x＝a_y/a_x，b_y＝1，b_z＝a_y/a_z；

若z轴轴长a_z最小，则令b_x＝a_z/a_x，b_y＝a_z/a_y，b_z＝1。

本实施例中，考虑到要将分布在空间椭球面上的磁场数据校准为分布在空间圆球面上的磁场数据，就需要先确定三轴的校准系数，本实施例中，是以三轴中最短的轴长作为校准后的目标圆球的球直径，例如当x轴轴长最小时，此时x轴轴长即为校准后的目标圆球的球直径，y轴样本数据的校准系数就为x 轴轴长除以y轴轴长，z轴样本数据的校准系数就为x轴轴长除以z轴轴长。 y轴长最小与z轴轴长最小时同理，计算方式简单，提高方案的可行性。

作为一种优选的实施例，根据校准系数b_x、b_y、b_z与x轴零点偏移量o_x、 y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z获取校准后的磁场数据，包括：

令校准后的x轴磁场数据＝b_x(x-o_x)；

令校准后的y轴磁场数据＝b_y(y-o_y)；

令校准后的z轴磁场数据＝b_z(z-o_z)，其中x、y、z为磁传感器x轴的测量数据、y轴的测量数据及z轴的测量数据。

本实施例中，将三轴数据分别减去三轴的零点偏移量，即可以使得校准后的磁场数据的中心处于坐标零点处，再将三轴数据分别乘以各自的校准系数，即可以将原本分布在空间椭球面上的磁场数据校准为分布在空间圆球面上的磁场数据，实现方式简单，增加了方案的可行性。

本发明还提供了一种磁场校准装置，请参照图2，图2为本发明提供的一种磁场校准装置的结构示意图，包括：

存储器2，用于存储计算机程序和校准系数；

处理器1，用于执行计算机程序以实现上述磁场校准方法的步骤。

对于本发明提供的一种磁场校准装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器1执行时实现如上述磁场校准方法的步骤。

对于本发明提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种设备，包括磁传感器，还包括上述的磁场校准装置。

对于本发明提供的一种设备的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种磁场校准方法，其特征在于，包括：

确定所述样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z及x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z；

根据所述校准系数b_x、b_y、b_z与所述x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z确定校准后的磁场数据。

2.如权利要求1所述的磁场校准方法，其特征在于，确定所述样本数据拟合椭球的x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z及x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z，包括：

从所述x轴样本数据、所述y轴样本数据和所述z轴样本数据中分别获取所述x轴样本数据、所述y轴样本数据、所述z轴样本数据中的最大值数据与最小值数据，得到x_max，x_min，y_max，y_min，z_max，z_min，其中，x_max为所述x轴样本数据中的最大值数据，x_min为所述x轴样本数据中的最小值数据，y_max为所述y轴样本数据中的最大值数据，y_min为所述y轴样本数据中的最小值数据，z_max为所述z轴样本数据中的最大值数据，z_min所为述z轴样本数据中的最小值数据；

基于x_max，x_min及x轴长关系式确定x轴轴长a_x；

所述x轴长关系式为：

a_x＝x_max-x_min；

基于y_max，y_min及y轴长关系式确定y轴轴长a_y；

所述y轴长关系式为：

a_y＝y_max-y_min；

基于z_max，z_min及z轴长关系式确定z轴轴长a_z；

所述z轴长关系式为：

a_z＝z_max-z_min；

所述x轴零点偏移量关系式为：

所述y轴零点偏移量关系式为：

所述z轴零点偏移量关系式为：

3.如权利要求1所述的磁场校准方法，其特征在于，根据所述x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z获取校准系数b_x、b_y、b_z，包括：

比较所述x轴轴长a_x、y轴轴长a_y、z轴轴长a_z的大小；

若所述x轴轴长a_x最小，则令b_x＝1，b_y＝a_x/a_y，b_z＝a_x/a_z；

若所述y轴轴长a_y最小，则令b_x＝a_y/a_x，b_y＝1，b_z＝a_y/a_z；

若所述z轴轴长a_z最小，则令b_x＝a_z/a_x，b_y＝a_z/a_y，b_z＝1。

4.如权利要求1至3任一项所述的磁场校准方法，其特征在于，根据所述校准系数b_x、b_y、b_z与所述x轴零点偏移量o_x、y轴零点偏移量o_y、z轴零点偏移量o_z获取校准后的磁场数据，包括：

令校准后的x轴磁场数据＝b_x(x-o_x)；

令校准后的y轴磁场数据＝b_y(_y-o_y)；

令校准后的z轴磁场数据＝b_z(z-o_z)，其中x、y、z为所述磁传感器x轴的测量数据、y轴的测量数据及z轴的测量数据。

5.一种磁场校准装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序和校准系数；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述1至4任一项所述磁场校准方法的步骤。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述磁场校准方法的步骤。

7.一种设备，其特征在于，包括磁传感器，还如权利要求5所述的磁场校准装置。