CN114485636A - 一种仿生罗盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生罗盘，所述仿生罗盘包括组合导航***、三轴矢量磁传感器、数据采集模块、数据处理模块和结果显示模块；其中所述组合导航***包括卫星信号接收器和惯性传感器；卫星信号接收器与惯性传感器相连接，三轴矢量磁传感器、惯性传感器与数据采集模块相连接，数据处理模块与结果显示模块相连接。本发明的仿生罗盘能够解决现有磁罗盘因补偿技术在动态环境下鲁棒性低，而造成的罗盘导航性能下降问题，可通过简单的航行动作实现航向修正，并且具有高精度、低成本、操作简单等优势。

Description

一种仿生罗盘

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种仿生罗盘。

背景技术

水下高精度导航是发展长航程水下机器人(Autonomous underwater vehicle)的重要技术，在过去将近20年里水下导航技术取得很大进步。磁罗盘是为航海、航空作业提供方向参考的一种仪器，是一种利用地球磁场矢量方向求解载体艏向角的重要工具。由于其具有体积小、功耗低、稳定性好等方面的优势，已在航空、航天、机器人、航海、导航等领域发挥重要作用。

由于外界磁异常干扰，导致磁罗盘在实际使用时存在较大误差。这些误差主要包括传感器的安装误差，多轴磁传感器存在的非正交误差，干扰磁场引起的磁罗差等。目前，常采取不同的补偿算法对罗差进行补偿。补偿方法可分为2类。一类是通过对磁传感器的输出做补偿，另一类是通过建立罗差模型，对罗盘测得磁航向做误差补偿。前者常采用椭圆拟合、椭球拟合来补偿磁场干扰，然而在补偿程序中需要磁传感器分别绕三轴做旋转运动，这对磁罗盘的实际使用提出了苛刻的要求，补偿程序中数据的采集质量直接影响补偿精度，且补偿参数不会随环境发生改变。当罗盘有较大的姿态角变化时，补偿精度就会受到较大影响。后者理论基础扎实，早在1984年就以投入航空飞行使用。罗差补偿法得到的拟合方程参数不会随载体运行环境而改变，在海洋环境下，补偿数据采集位置与载体实际航行位置不一致，得到的补偿程序不能完美的适用于外场环境，尤其是在动态环境下磁场测量误差较大，导致罗差模型拟合精度难以提高,实际使用场景下该补偿算法鲁棒性需进一步研究。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿生罗盘及其使用方法，能够解决现有磁罗盘因补偿技术在动态环境下鲁棒性低，而造成的罗盘导航性能下降问题，本发明提供的仿生罗盘可通过简单的航行动作实现航向修正，并且具有高精度、低成本、操作简单等优势。

为实现上述目的，本发明提供一种仿生罗盘，所述仿生罗盘包括组合导航***、三轴矢量磁传感器、数据采集模块、数据处理模块和结果显示模块；其中所述组合导航***包括卫星信号接收器和惯性传感器；卫星信号接收器与惯性传感器相连接，三轴矢量磁传感器、惯性传感器与数据采集模块相连接，数据处理模块与结果显示模块相连接。

进一步，所述惯性传感器包括陀螺仪和三轴加速度计。

进一步，数据采集模块从三轴矢量磁传感器获取磁场测量数据，从陀螺仪和三轴加速度计获取导航数据，并且数据采集模块使得磁场测量数据和导航数据的时间戳同步对齐；数据处理模块用于处理数据采集模块获取的磁场测量数据和导航数据，通过计算进行航向校正；结果显示模块用于将数据处理模块得到的结果实时显示。

进一步，三轴矢量磁传感器、陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输方式选择RS485串口通讯；卫星信号接收器与陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输采用RS232串口通讯。

进一步，所述仿生罗盘为单磁传感器构成的仿生罗盘，组合导航***与三轴矢量磁传感器在同一水平面刚性链接，其中陀螺仪的三个坐标轴分别与矢量磁传感器的三个坐标轴对齐。

进一步，所述仿生罗盘为多磁传感器构成的仿生罗盘，共包含n个三轴矢量磁传感器，各个三轴矢量磁传感器沿半圆周等角度分布，各三轴矢量磁传感器之间的角度为

并且各个三轴矢量磁传感器的X轴指向圆心。

进一步，仿生罗盘的使用方法包括以下步骤：

S1、数据处理模块建立全方位的罗差分布模型；

S2、利用最小二乘法求解罗差拟合参数；

S3、确定临界角；

S4、校正航向。

进一步，步骤S1中包括：

将三轴矢量磁传感器与载体刚性连接，陀螺仪提供载体姿态角与参考航向；定义载体坐标系下三轴矢量传感器所测磁场值为：

[X^b Y^b Z^b]^T

载体坐标系下磁场值在水平坐标系下的投影为：

[X^h Y^h Z^h]^T

利用下列公式将载体坐标系下三轴磁场值投影到水平面内，两者之间转换关系如公式：

进一步的，磁航向可用下列公式表示：

于是载体的航向可根据下式进行计算：

其中X，Y，Z代表北向、东向和垂直方向的磁场强度，上标b代表载体坐标系，上标h代表水平坐标系，γ和θ代表横滚角和俯仰角，ξ为载体的磁航向，Υ代表当地磁偏角，

代表根据仿生罗盘估计的载体航向；

为了找到罗差为0的临界角，需建立全方向仿生罗盘的罗差模型，用下列公式表达磁航向与罗差之间的关系：

Δψ＝A cos(ξ)+B sin(ξ)+C cos(2ξ)+D sin(2ξ)+E

式中ξ代表仿生罗盘输出的磁航向，Δψ是罗差，其含义为载体真实航向与仿生罗盘估计的航向之差，可用下列公式进行计算：

其中，仿生罗盘在外部设备的辅助下，采集N个方位的磁航向与罗差数据，误差关系式应满足如下等式：

其中，上式中的A、B、C、D、E为罗差拟合参数；

步骤S2中利用最小二乘法求解罗差拟合参数A、B、C、D、E。

进一步，步骤S3中包括：

对于单磁传感器的仿生罗盘，载体做绕圆运动来获得全方位的磁航向，根据步骤S1中磁航向计算公式解算出不同方位的磁航向ξ；

对于多磁传感器的仿生罗盘，根据传感器数量n来决定载体的航向改变的大小Δφ，计算公式为：

再进一步根据步骤S1中磁航向计算公式解算出全方位的磁航向ξ。

根据步骤S1中计算出的磁航向和步骤S2中解算的罗差拟合参数A，B，C，D，E计算不同方位对应的罗差Δψ；

在所测得的罗差数据中找到罗差为0或最接近0的临界角所在位置及罗差值，计算公式如下：

其中，m是最小罗差值，k是最小罗差对应序列索引，min()代表对括号中的变量取最小值，则ξ_k即为临界角。

进一步，步骤S4中，设含有误差的惯导指示航向为ψ^INS，仿生罗盘临界角时刻对应惯导指示航向为

载体经t时间(t＝0-n)的转向后，在k+t时刻惯导指示航向为

则在k到k+t时间段内，载体真实航向变化角为：

可根据临界角推算k+t时刻载体的磁航向为：

于是k+t时刻利用仿生罗盘得到的载体航向角为：

其中Υ为当地磁偏角，可通过国际参考磁场数据库得到。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：本发明的提出的一种仿生罗盘包括罗盘的***结构和使用方法两部分，仿生罗盘的***结构简单，易于实现。仿生罗盘的使用方法分为两个阶段。第一阶段，在开阔水域利用航行器携带的导航设备(如组合导航***)建立全方位的罗差分布模型。第二阶段，本发明受鸟类的磁罗盘机理启发，根据海洋环境中罗差临界角稳定性高的特点，建立基于罗差临界角稳定特性的实时航向校正方法，通过绕圆运动找到罗差为0的临界角，进而利用本发明提出的校正程序实现航向校正，解决了现有方法在动态环境中补偿精度低、标校过程对磁传感器动作、姿态要求苛刻的问题，提升了罗盘在动态环境中的导航精度。

附图说明

图1为根据本发明实施例一种仿生罗盘的***结构示意图；

图2为根据本发明实施例的多磁传感器仿生罗盘布局图；

图3为根据本发明实施例一种仿生罗盘使用方法的原理流程图；

图4为根据本发明实施例的单磁仿生罗盘校正的载体航行示意图；

图5为根据本发明实施例的仿生罗盘罗差分布图；

图6为使用本发明实施例校正后仿生罗盘的误差。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

罗盘，又称罗经，是利用地球磁场引力作用而制造的一种能够指示地理方位和船舶航向的仪器。罗经线和磁经线偏离的角度叫做罗差，罗差的数学表达公式为：罗差＝罗盘实测的磁方位角-相同目标在地形图上的磁方位角。因此在使用罗盘确定正确的方向时，需要考虑对罗差的补偿。本发明中的仿生罗盘属于磁罗盘的范畴，仿生罗盘是根据动物地磁导航原理所提出的一种新的地磁导航方法。

根据本发明的第1方面，本发明的仿生罗盘的***结构包括如下几个部分：

一种仿生罗盘100主要是由三轴矢量磁传感器101、惯性传感器102(包括陀螺仪和三轴加速度计)、卫星信号接收器103、数据采集模块104以及数据处理模块105组成，如图1所示。所述三轴矢量磁传感器101、惯性传感器102与数据采集模块104相连接，卫星信号接收器103与惯性传感器102相连接，数据采集模块104与数据处理模块105相连接，数据处理模块105与结果显示模块(未示出)相连接。

所述三轴矢量磁传感器101分辨率为0.1nT，量程为100μT，精度为0.1％全量程读数。

所述惯性传感器102的陀螺仪量程为500°/s，零偏稳定性为10°/h。

所述惯性传感器102的三轴加速度计量程为±5g，零偏稳定性不大于0.1mg。

可选的，三轴矢量磁传感器101、陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输方式选择RS485串口通讯。

可选的，卫星信号接收器103与陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输采用RS232串口通讯。

在仿生罗盘100工作时，陀螺仪、三轴加速度计与卫星信号接收器103构成组合导航***提供参考航向。

优选的，在单磁传感器构成的仿生罗盘中，组合导航***与三轴矢量磁传感器101在同一水平面刚性链接，其中陀螺仪的三个坐标轴分别与三轴矢量磁传感器101三个坐标轴对齐。在图2示出的多磁传感器(10个三轴矢量磁传感器101)构成的仿生罗盘中，每个三轴矢量磁传感器沿半圆周等角度分布，各三轴矢量磁传感器之间角度为18°。其中，各三轴矢量磁传感器101的X轴指向圆心106如图2所示。

数据处理模块105用于建立全方位的罗差分布模型，利用最小二乘法求解罗差拟合参数，确定临界角以及实现航向校正功能。

根据本发明的第2方面，仿生罗盘的使用方法如图3所示。

该方法可分为两个阶段，第一阶段在开阔水域利用航行器携带的导航设备(如组合导航***)建立全方位的罗差分布，记录不同磁航向对应的罗差大小。第二阶段在航行过程中通过改变航向找到罗差临界角，结合陀螺仪在短时间内提供的航向变化量，利用本发明提出仿生罗盘可实现载体航向的修正。

该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立全方位的罗差分布模型

将三轴矢量磁传感器与载体刚性连接，陀螺仪提供载体姿态角与参考航向。定义载体坐标系下三轴矢量传感器所测磁场值为：

[X^b Y^b Z^b]^T

载体坐标系下磁场值在水平坐标系下的投影为：

[X^h Y^h Z^h]^T

利用下列公式将载体坐标系下三轴磁场值投影到水平面内，两者之间转换关系如公式：

进一步的，载体的磁航向可用下列公式表示：

于是根据仿生罗盘估计的载体航向可根据下式进行计算：

其中X，Y，Z代表北向、东向和垂直方向的磁场强度，上标b代表载体坐标系，上标h代表水平坐标系，γ和θ代表横滚角和俯仰角，ξ为载体的磁航向，Υ代表当地磁偏角，

代表根据仿生罗盘估计的载体航向。

为了找到罗差为0的临界角，需建立全方向仿生罗盘的罗差模型，优选的可用下列公式表达磁航向与罗差之间的关系：

Δψ＝A cos(ξ)+B sin(ξ)+C cos(2ξ)+D sin(2ξ)+E

式中ξ代表载体的磁航向，Δψ是罗差，其含义为载体真实航向与仿生罗盘估计的载体航向之差，可用下列公式进行计算：

进一步的，仿生罗盘在外部设备(GPS、陀螺)的辅助下，设置磁通门采样率为6HZ，载体在水面做绕圆运动如图4所示，本实施例中，载体为自主式水下航行器(下文简称AUV)，一个圆周内共采集到N＝498条不同方位的磁航向与罗差数据如图5所示，其中横轴是载体的磁航向，纵轴是不同磁航向下对应的罗差值，两者关系应满足下列等式：

步骤S2：利用最小二乘法对非线性误差参数进行计算，得到未知系数的值为别为：

A＝-1.21357

B＝-16.4416

C＝0.45654

D＝0.89676

E＝0

步骤S3：临界角确定

对于单磁传感器的仿生罗盘，需要AUV做绕圆运动来获得不同角度的磁航向，如图4所示，进一步根据步骤1所述磁航向计算公式解算出不同方位的磁航向ξ。

可选的，对于多传感器的仿生罗盘，根据传感器数量n来决定载体的航向改变的量值Δφ，计算公式为：

再进一步根据步骤1所述磁航向计算公式解算出全方位的磁航向ξ。

根据步骤1中计算出的磁航向和步骤2中解算的罗差拟合参数A，B，C，D，E计算不同方位对应的罗差Δψ。

进一步的，在所测得的罗差数据中找到罗差为0或最接近0的临界角所在位置及罗差值，计算公式如下：

其中，m是最小罗差值，k是最小罗差对应序列索引，则得到临界角ξ_k＝174.3145。

步骤S4：航向校正

设含有误差的惯导指示航向为ψ^INS，仿生罗盘临界角时刻对应惯导指示航向为

AUV经t时间(t＝0-n)的转向后，在k+t时刻惯导指示航向为

则在k到k+t时间段内，AUV真实航向变化角为：

进一步的，可根据临界角推算k+t时刻AUV的磁航向为：

于是利用以下公式得到k+t时刻的AUV航向角，结果如图6所示。其中，横轴采样点是传感器采集到的数据样本，比如“一个圆周内共采集到N＝498条不同方位的磁航向”这里采样点就是498。再如，传感器采样率为6HZ表示1秒钟测量6次，得到6条测量数据，在统计测量数据量时可以说成6个采样点。纵轴表示经仿生罗盘计算得到的载体航向。计算公式为

其中为当地磁偏角Υ＝3.78°，可通过国际参考磁场数据库得到。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“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。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。

上述内容虽然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、替换和变型等更新操作。

Claims (10)

1.一种仿生罗盘，其特征在于，所述仿生罗盘包括组合导航***、三轴矢量磁传感器、数据采集模块、数据处理模块和结果显示模块；其中所述组合导航***包括卫星信号接收器和惯性传感器；卫星信号接收器与惯性传感器相连接，三轴矢量磁传感器、惯性传感器与数据采集模块相连接，数据处理模块与结果显示模块相连接。

2.根据权利要求1所述的仿生罗盘，其特征在于，所述惯性传感器包括陀螺仪和三轴加速度计。

3.根据权利要求2所述的仿生罗盘，其特征在于，数据采集模块从三轴矢量磁传感器获取磁场测量数据，从陀螺仪和三轴加速度计获取导航数据，并且数据采集模块使得磁场测量数据和导航数据的时间戳同步对齐；

数据处理模块用于处理数据采集模块获取的磁场测量数据和导航数据，通过计算进行航向校正；

结果显示模块用于将数据处理模块得到的结果实时显示。

4.根据权利要求2所述的仿生罗盘，其特征在于，三轴矢量磁传感器、陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输方式选择RS485串口通讯；卫星信号接收器与陀螺仪、三轴加速度计之间的数据传输采用RS232串口通讯。

5.根据权利要求2所述的仿生罗盘，其特征在于，所述仿生罗盘为单磁传感器构成的仿生罗盘，组合导航***与三轴矢量磁传感器在同一水平面刚性链接，其中陀螺仪的三个坐标轴分别与矢量磁传感器的三个坐标轴对齐。

6.根据权利要求2所述的仿生罗盘，其特征在于，所述仿生罗盘为多磁传感器构成的仿生罗盘，共包含n个三轴矢量磁传感器，各个三轴矢量磁传感器沿半圆周等角度分布，各三轴矢量磁传感器之间的角度为

并且各个三轴矢量磁传感器的X轴指向圆心。

7.根据权利要求1-6任一项所述的仿生罗盘，其特征在于，所述仿生罗盘的使用方法包括以下步骤：

S1、数据处理模块建立全方位的罗差分布模型；

S2、利用最小二乘法求解罗差拟合参数；

S3、确定临界角；

S4、校正航向。

8.根据权利要求7所述的仿生罗盘，其特征在于，步骤S1中包括：

将三轴矢量磁传感器与载体刚性连接，陀螺仪提供载体姿态角与参考航向；定义载体坐标系下三轴矢量传感器所测磁场值为：

[X^b Y^b Z^b]^T

载体坐标系下磁场值在水平坐标系下的投影为：

[X^h Y^h Z^h]^T

利用下列公式将载体坐标系下三轴矢量传感器所测磁场值投影到水平面内，两者之间转换关系如公式：

进一步的，磁航向可用下列公式表示：

于是载体的航向可根据下式进行计算：

其中X，Y，Z代表北向、东向和垂直方向的磁场强度，上标b代表载体坐标系，上标h代表水平坐标系，γ和θ分别代表横滚角和俯仰角，ξ为载体的磁航向，Υ代表当地磁偏角，

代表根据仿生罗盘估计的载体航向；

为了找到罗差为0的临界角，需建立全方向仿生罗盘的罗差模型，用下列公式表达磁航向与罗差之间的关系：

Δψ＝Acos(ξ)+Bsin(ξ)+Ccos(2ξ)+Dsin(2ξ)+E

式中ξ代表仿生罗盘输出的磁航向，A、B、C、D、E为罗差拟合参数，Δψ是罗差，其含义为载体真实航向与仿生罗盘估计的航向之差，可用下列公式进行计算：

其中，仿生罗盘在外部设备的辅助下，采集N个方位的磁航向与罗差数据，误差关系式应满足如下等式：

步骤S2中利用最小二乘法求解罗差拟合参数A、B、C、D、E。

9.根据权利要求8所述的仿生罗盘，其特征在于，步骤S3中包括：

对于单磁传感器的仿生罗盘，载体做绕圆运动来获得全方位的磁航向，根据步骤S1中磁航向计算公式解算出不同方位的磁航向ξ；

对于多磁传感器的仿生罗盘，根据传感器数量n来决定载体的航向改变的量值Δφ，计算公式为：

再进一步根据步骤S1中磁航向计算公式解算出全方位的磁航向ξ；

根据步骤S1中计算出的磁航向和步骤S2中解算的罗差拟合参数A，B，C，D，E计算不同方位对应的罗差Δψ；

在所测得的罗差数据中找到罗差为0或最接近0的临界角所在位置及罗差值，计算公式如下：

其中，m是最小罗差值，k是最小罗差对应序列索引，min()代表对括号中的变量取最小值，则ξ_k即为临界角。

10.根据权利要求9所述的仿生罗盘，其特征在于，步骤S4中，设含有误差的惯导指示航向为ψ^INS，仿生罗盘临界角时刻对应惯导指示航向为

载体经t时间(t＝0-n)的转向后，在k+t时刻惯导指示航向为

则在k到k+t时间段内，载体真实航向变化角为：

可根据临界角推算k+t时刻载体磁航向为：

于是k+t时刻利用仿生罗盘得到的载体航向角为：

其中Υ为当地磁偏角，可通过国际参考磁场数据库得到。

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