CN115061195A - 用于海洋可控震源的姿态数据融合方法、装置及*** - Google Patents
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Abstract
本申请属于可控震源地震勘探技术领域。具体涉及用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法、装置及***，通过获取多种检测传感器的轴原始数据；将陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；基于检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对磁力计数据进行倾斜补偿，并与磁力计所在地的地磁偏角运算，获得倾斜补偿后的磁力计数据；将倾斜补偿后的磁力计数据与陀螺仪的偏航角数据进行融合，得到姿态角数据。通过融合多个传感器测量数据估计可控震源的姿态，降低原始传感器信号的零点漂移误差，提高了姿态数据的准确性，实现海洋可控震源姿态信息的无偏移输出。
Description
技术领域
本申请属于可控震源地震勘探技术领域，具体涉及一种用于海洋可控震源的姿态数据融合方法、装置及***。
背景技术
能源安全始终是我们国家稳定发展的基石，在陆地油气资源开采多年面临开采成本和难度逐年攀升的困境下，海洋油气资源勘探成为新的热点。其中，海洋电磁可控震源是一种较为新型的可控震源，在浅层地震勘探领域发挥着重要的作用，是海洋油气资源探测的核心装备。在实际使用中，如何在水下的复杂环境中提高可控震源的可操控性是急需解决的难点，研究适用于海洋电磁可控震源的多传感器姿态数据融合算法对获知它的精确姿态具有重要意义。
光纤陀螺仪及机械电子罗盘等高精度姿态传感器虽然精度很高，但价格昂贵、体积巨大、可操作难度大。所以在大多数使用场景下，利用微机电***(MEMS)技术制造的姿态传感器是更方便的选择。单一的姿态检测模块容易出现因惯性器件导致的偏移，因此通过融合多个姿态传感器数据，从而实现精准姿态测算是当下的热点。有的姿态解算算法有很多种。其中，卡尔曼滤波经检验，较互补滤波来说，在跟随性和平滑性方面有巨大优势，使得它成为了主流的动态姿态算法。
现有的姿态解决方案存在较大的零点漂移误差和本底噪声，同时多是依靠操作者的经验，判断震源的姿态，不仅很依赖于人工经验，还有很大的随机不确定性。因此，研究一种用于适用于可控震源的姿态数据融合方法势在必行。
发明内容
为解决传单独单独传感器输出噪声问题，克服相关技术中存在现有的姿态解决方案多是依靠操作者的经验，判断震源的姿态，不仅很依赖于人工经验，还有很大的随机不确定性的问题，本申请提供一种用于海洋可控震源的姿态数据融合方法、装置及***，可以实现姿态数据精确、稳定、无漂移的输出，可有效抑制噪声，提高了姿态数据的准确性。
为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，
本申请提供一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法，所述方法包括：
获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据融合，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合，得到姿态角数据。
进一步地，所述获取多种检测传感器的轴原始数据，包括：
步骤S1、在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值；
步骤S2、将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，解算得到磁力计的零点偏移值。
进一步地，所述将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据，包括：
在所述多种检测传感器在水中运动时，将所述陀螺仪数据和加速度传感器数据减去多种检测传感器零点偏移后，进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据。
进一步地，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值，包括：通过公式(1)和公式(2)处理加速度传感器的原始数据和陀螺仪的原始数据，获得加速度传感器的真实数据和陀螺仪的真实数据，
加速度传感器的原始数据处理：
陀螺仪的原始数据处理：
其中，ADCRx为接收的加速度传感器的数据，Sensitivity为对应的灵敏度，ADCrate为接收到的陀螺仪的数据。
进一步地，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器、陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移，包括：
计算零点偏移的方法是：在保持所述多种检测传感器保持水平静止时，测量若干组加速度传感器的数据和陀螺仪的数据，利用公式(3)求平均得到加速度传感器的数据和陀螺仪的数据的偏移值，
ACx1为第一个数据，......ACxn为第n个数据；
计算磁力计的偏移方法是：将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，通过比较，筛选出最大值和最小值，计算平均值得到磁力计的偏移值，公式如下：
Max为最大值，Min为最小值。
进一步地，在将所述陀螺仪的翻滚角数据和仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器翻滚角数据和仰角数据，还包括：
将所述加速度传感器的翻滚角数据和仰角数据解算为欧拉角表示的姿态信息，解算公式为(5)：
其中：ACx,ACy,ACz分别为x,y,z轴上的加速度分量；ρ,φ,γ分别为俯仰角、翻滚角、偏航角。
进一步地，所述基于所述准确加速度传感器的翻滚角数据和加速度传感器的俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并加上所述磁力计所在地的地磁偏角，获得倾斜补偿后的磁力计数据，包括：
倾斜补偿方法采用公式(6)
其中：Mx,My,Mz分别为磁力计输出的三轴数据；ρ,φ,γ分别为利用加速″
度传感器数据计算出的俯仰角、翻滚角、偏航角；Hx,Hy分别为经过倾角补偿的x,y轴磁感应强度，可用来计算补偿后的偏航角。
第二方面，本申请提供一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
第一融合滤波模块，采用融合算法将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
倾斜补偿模块，用于基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
第二融合模块，用于将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，获得姿态角数据。
第三方面，本发明提供一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***，包括：
一个或者多个存储器，其上存储有可执行程序；
一个或者多个处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现第一方面中任一项所述方法的步骤。
本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
本申请提供的用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法，通过获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。通过融合多个传感器测量数据估计可控震源的姿态，可有效抑制了噪声，提高了姿态数据的准确性，将三个传感器数据通过双阶卡尔曼融合滤波，可以实现姿态数据精确、稳定、无漂移的输出，通过采集一定量的数据，最终算出偏移量，在后续计算中减去，可实现无偏移的输出。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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是根据一示例性实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的用于可控震源的姿态融合算法的卡尔曼滤波流程图示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种用于可控震源的姿态融合算法的偏航角对比图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种用于可控震源的姿态融合算法的翻滚角和俯仰角的对比图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的装置的框图结构示意图；
图6是根据一示例性实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***的框图结构示意图。
图7是根据一示例性另一个实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***的框图结构示意图。
图8是根据一示例性另一个实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***的框图结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
请参阅图1，图1是根据一示例性实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合方法的流程图，如图1所示，该用于可控震源的姿态数据融合方法包括如下步骤：
步骤S101、获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
本申请中所述多种检测传感器为MPU9250模块，多种检测传感器内部集成三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁力计。此数字式九轴IMU是基于I2C通信的集成式九轴运动处理组件；相较于分立传感器方案，此方案避免了各传感器的轴间差问题，并减少了大量包装空间，降低了***功耗，还留有I2C端口桥接其他的传感器。其中，陀螺仪的角速度测量范围最高可达±2000°/s，加速度传感器的测量范围最大是±16g,磁力计的测量范围是±4800μT。
步骤S102、将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
步骤S103、基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
步骤S104、将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。
需要说明的是，集成式多种检测传感器的优势在于体积小、功耗低、短时间内精度高，但长时间测量时精度会逐渐下降。陀螺仪的漂移随时间推移而持续增加，主要是由两个因素导致的：一个是偏移的不稳定性，即初始零点会随时间线性漂移；另一个是角度随机游走，即高频率的噪声变量。相比于陀螺仪，加速度传感器有长时间稳定的特点，但由于重力的影响使得它无法区别重力加速度和线性加速度，短时间内会有噪声。磁力计在无磁干扰的情况下稳定不变，用来测量地磁场的数据，但实际测量过程中会有很多物体会产生类似地磁的磁场。这里数据是否随时间而漂移的根本原因是：陀螺仪是相对测量工具，输出的每个数据都是比上一次姿态的变化量；而加速度传感器和陀螺仪是绝对测量工具，输出的每个数据都是对现在姿态的测量。通过本发明的姿态数据融合方法，将陀螺仪数和加速度数据进行融合，进行第一次卡尔曼滤波，互相补偿以消除测量误差，可输出精确的翻滚角和俯仰角；将陀螺仪数据和磁力计数据进行融合，进行第二次卡尔曼滤波，补偿掉陀螺仪偏航角的巨大偏移，得到较为准确地偏航角数据。通过双阶卡尔曼滤波，最终得到精确的姿态数据，从而实现了对可控震源姿态的精确测算。本发明适用于采用电磁驱动方式的可控震源，在不拆卸电磁可控震源的前提下方便快速的测量出电磁可控震源有效行程内的姿态数据。
可以理解为，本申请提供的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法，通过获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。通过融合多个传感器测量数据估计可控震源的姿态，可有效抑制了噪声，提高了姿态数据的准确性，将三个传感器数据通过双阶卡尔曼融合滤波，可以实现姿态数据精确、稳定、无漂移的输出，通过采集一定量的数据，最终算出偏移量，在后续计算中减去，可实现无偏移的输出。
在一个实施例中，所述获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据，包括：
步骤S1、在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值；
步骤S2、将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，解算得到磁力计的零点偏移值。
姿态测算领域，受传感器的核心灵敏器件自身特性限制，每个传感器都有零点偏移，导致测量数据有不定量的误差。在本发明中，对每个传感器，通过采集一定量的数据，最终算出偏移值，在后续计算中减去该偏移值，可实现无偏移的输出。
在一个实施例中，所述将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据，包括：
在所述多种检测传感器在水中运动时，将所述陀螺仪数据和加速度传感器数据减去多种检测传感器零点偏移后，进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据。
卡尔曼滤波算法的流程图如图2可见。卡尔曼滤波是以***的观测量作为滤波器的输入，以***状态量的估计值作为滤波器的输出量的数据最优处理方法。假设***的状态方程和测量方差如公式(9)所示，用来描述经过预测、更新的***状态进化过程。
其中：xk为当前的状态向量，xk-1为前一时刻的状态向量，A为从k-1时刻到k时刻的状态转移矩阵，Uk为***输入控制向量，B为控制输入矩阵,wk为过程噪声；yk为当前的观测向量，H为当前状态量到观测量的增益矩阵，vk为观测噪声。
卡尔曼滤波是一种递归的估计，分为预测和更新两部分。在预测阶段，滤波器用上一时刻状态的数据做出对当前状态的估计。在更新阶段，滤波器用当前状态的观测值优化预测阶段的预测值。下面用5个核心公式来描述卡尔曼滤波的具体步骤：
状态量的预估计，
误差协方差预估计，
Pk|k-1＝APk-1AT+Q (11)
卡尔曼增益更新，
Kk＝Pk|k-1HT[HPk|k-1HT+R]-1 (12)
当前状态估计值更新，
误差协方差更新，
Pk＝(I-KkH)Pk|k-1 (14)
其中：
为当前的状态向量；
为基于前一时刻的状态向量对当前状态向量的估计；A为从k-1时刻到k时刻的状态转移矩阵；Uk为***输入控制向量；B为控制输入矩阵；yk为当前的观测向量；H为当前状态量到观测量的增益矩阵；Kk为对观测误差
的修正加权；Pk为当前状态估计值的误差协方差矩阵；Pk|-1为基于前一个时刻的误差协方差矩阵对当前误差协方差矩阵的估计；I为单位矩阵。
本申请将陀螺仪和加速度传感器的翻滚角、俯仰角数据进行一阶融合滤波，再将倾斜补偿后的磁力计和陀螺仪的偏航角数据进行二阶融合滤波，得到最终的姿态角。有效抑制了噪声，提高了姿态数据的准确性。
在一个实施例中，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值，包括：通过公式(1)和公式(2)处理加速度传感器的原始数据和陀螺仪的原始数据，得到加速度传感器的真实数据和陀螺仪的真实数据，
加速度传感器的原始数据处理公式：
陀螺仪的原始数据处理公式：
其中，ADCRx为接收的加速度传感器的数据，Sensitivity为对应的灵敏度，ADCrate为接收到的陀螺仪的数据。
在一个实施例中，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器、陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移，包括：
计算零点偏移的方法是：在保持所述多种检测传感器保持水平静止时，测量若干组加速度传感器的数据和陀螺仪的数据，利用公式(3)求平均得到加速度传感器的数据和陀螺仪的数据的偏移值，
其中，ACx1为第一个数据......ACxn为第n个数据；
计算磁力计的偏移方法是：将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，通过比较，筛选出最大值和最小值，计算平均值得到磁力计的偏移值，公式如下：
其中，Max为最大值，Min为最小值。
在一个实施例中，在将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器翻滚角数据和仰角数据，还包括：
将所述加速度传感器的翻滚角数据和仰角数据解算为欧拉角表示的姿态信息，解算公式为(5)：
其中：ACx,ACy,ACz分别为x,y,z轴上的加速度分量；ρ,φ,γ分别为俯仰角、翻滚角、偏航角。
传感器传回的信息分别代表测量的加速度、角速度和磁感应强度，需要解算成以欧拉角表示的姿态信息。加速度传感器测量三轴的加速度分量，可利用公式(5)结算出三个表示姿态的欧拉角。
陀螺仪测量三轴的角速度分量，通过积分即可获得对应的角度值，计算公式如下：
其中：θk为当前状态的角度值；θk-1为上一时刻的角度值；ωk为陀螺仪测得的当前状态的角速度；
为当前时刻角速度的偏移量；dt为积分时间，由传感器的采样频率决定。
磁力计测量的是三轴的磁感应强度。当磁力计在水平位置时，偏航角可通过如下的公式(7)计算：
其中，Hx,Hy分别为x,y轴输出的磁感应强度。
但实际使用情况下，磁力计不能精确的处于水平位置，需要用加速度传感器的数据做倾斜补偿，以减小磁力计航向角计算的误差。倾斜补偿的公式如下：
其中：Mx,My,Mz分别为磁力计输出的三轴数据；ρ,φ,γ分别为利用加速″
度传感器数据计算出的俯仰角、翻滚角、偏航角。Hx,Hy分别为经过倾角补偿的x,y轴磁感应强度，可用来计算补偿后的偏航角。
为验证算法的有效性，将传感器拿起模拟运动中的姿态变化，同时采集九轴数据，并将原始数据与经算法计算后的数据进行比较。如图3和图4所示，在融合滤波之前，各曲线都有大小不等的噪声，而融合滤波很好的抑制了噪声，输出了光滑的曲线；对于偏航角数据，在融合滤波之前，陀螺仪的数据由于积分累积，在不断地漂移，而融合滤波加进了磁力计数据，使偏航角不再漂移，达到了很好的精度。
请参阅图5，图5是本申请一个实施例中一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的装结构示意图，所述用于可控震源的姿态数据融合的装置5包括：
获取模块501，用于获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
第一融合滤波模块502，用于将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
倾斜补偿模块503，用于基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
第二融合滤波模块504，用于将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。
关于上述实施例中的用于可控震源的姿态数据融合的装置5，其中各个模块执行操作的具体方式已经在上述相关方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
请参阅图6，图6是根据一示例性实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合***的框图结构示意图，如图6所示，该用于可控震源的姿态数据融合***6包括：
一个或者多个存储器601，其上存储有可执行程序；
一个或者多个处理器602，用于执行所述存储器301中的所述可执行程序，以实现上述任一项所述方法的步骤。
作为上述实施例的进一步改进，在一个实施例中，一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***还包括，一个或多个加速度速度传感器，一个或多个磁力计，一个或多个陀螺仪，一个或多个uart-to-usb转换器，一个或多个显示器，一个或多个gps模块。
请参阅图7，图7是本申请另一个实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合***的框图结构示意图。
请参阅图8，图8是本申请另一个实施例示出的一种用于海洋可控震源的姿态数据融合***的框图结构示意图。
可以理解为，通过本发明提供的用于可控震源的姿态数据融合***，将陀螺仪数和加速度数据进行融合，进行第一次融合滤波，互相补偿以消除测量误差，可输出精确的翻滚角和俯仰角；将陀螺仪数据和磁力计数据进行融合，进行第二次融合滤波，补偿掉陀螺仪偏航角的巨大偏移，得到较为准确地偏航角数据。通过双阶融合滤波，最终得到精确的姿态数据，从而实现了对可控震源姿态的精确测算。本发明适用于采用电磁驱动方式的可控震源，在不拆卸电磁可控震源的前提下方便快速的测量出电磁可控震源有效行程内的姿态数据。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”、“多”的含义是指至少两个。
应该理解，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接；使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为：表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，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模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
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申请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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
将所述陀螺仪的翻滚角数据和仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取多种检测传感器的轴原始数据，包括：
步骤S1、在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值；
步骤S2、将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，解算得到磁力计的零点偏移值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，得到多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据，包括：
在所述多种检测传感器在水中运动时，将所述陀螺仪数据和加速度传感器数据减去多种检测传感器零点偏移后，进行融合滤波，得到多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器和陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移值，包括：
通过公式(1)和公式(2)处理加速度传感器的原始数据和陀螺仪的原始数据，得到加速度传感器的真实数据和陀螺仪的真实数据，
加速度传感器的原始数据处理：
陀螺仪的原始数据处理：
其中，ADCRx为接收的加速度传感器的数据，Sensitivity为对应的灵敏度，ADCrate为接收到的陀螺仪的数据。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，所述在所述多种检测传感器保持水平静止时，读取加速度传感器、陀螺仪的数据，选取合适的测量范围，将所述多种检测传感器的轴原始数据除以对应的灵敏度，解算得到所述多种检测传感器零点偏移，包括：
计算零点偏移的方法是：
在保持所述多种检测传感器保持水平静止时，测量若干组加速度传感器的数据和陀螺仪的数据，利用公式(3)求平均得到加速度传感器的数据和陀螺仪的数据的偏移值，
其中，ACx1为第一个数据，......ACxn为第n个数据；
计算磁力计的偏移方法是：将所述多种检测传感器沿垂直方向和水平方向各360度旋转，读取磁力计的数据，通过比较，筛选出最大值和最小值，计算平均值得到磁力计的偏移值，公式如下：
其中，Max为最大值，Min为最小值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据，还包括：
将所述加速度传感器的翻滚角数据和仰角数据解算为欧拉角表示的姿态信息，解算公式为(5)：
其中：ACx,ACy,ACz分别为x,y,z轴上的加速度分量；ρ,φ,γ分别为俯仰角、翻滚角、偏航角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据，包括：
倾斜补偿方法采用公式(6)
其中：Mx,My,Mz分别为磁力计输出的三轴数据；ρ,φ,γ分别为利用加速度传感器数据计算出的俯仰角、翻滚角、偏航角；H′x,H′y分别为经过倾角补偿的x,y轴磁感应强度，可用来计算补偿后的偏航角。
8.一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取多种检测传感器的轴原始数据，所述多种检测传感器包括陀螺仪、加速度传感器以及磁力计，所述多种检测传感器的轴原始数据包括陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据、陀螺仪的偏航角数据、加速度传感器的翻滚角数据和俯仰角数据、加速度传感器的偏航角数据以及磁力计数据；
第一融合滤波模块，用于将所述陀螺仪的翻滚角数据和俯仰角数据与所述加速度传感器的翻滚角和俯仰角数据进行融合滤波，获得多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据；
倾斜补偿模块，用于基于所述多种检测传感器的翻滚角数据和俯仰角数据对所述磁力计数据进行倾斜补偿，并与所述磁力计所在地的地磁偏角相加，获得倾斜补偿后的磁力计数据；
第二融合滤波模块，用于将所述倾斜补偿后的磁力计数据与所述陀螺仪的偏航角数据进行融合滤波，得到姿态角数据。
9.一种用于海洋可控震源的姿态数据融合的***，其特征在于，包括：
一个或者多个存储器，其上存储有可执行程序；
一个或者多个处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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