CN107024673B - 基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，适用于捷联惯性导航系统、手机等便携式导航设备，该方法采用三轴陀螺仪与三轴磁强计固连的传感器组合模块，利用长方体框架与传感器组合模块，对磁强计的软磁误差、硬磁误差、零偏误差、标度因子误差、非正交误差和安装误差进行标定。在有磁环境中，通过改变长方体框架的摆放朝向并旋转，获得三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据。第一步由陀螺仪输出辅助得到等旋转角度间隔的磁强计插值输出，第二步由磁强计插值输出线性运算得到误差系数矩阵和零偏向量标定值。本发明的方法具有设备要求低、操作简单、标定时间短、计算量小、精度高的优点。

Description

基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法

技术领域

本发明涉及三轴磁强计标定技术领域，特别涉及一种基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法。

背景技术

由于三轴磁强计的制造误差和装配误差，以及外界铁磁物体对磁场的干扰，其测量地磁场的精度较低。磁强计的误差来源于环境干扰和磁强计的自身误差。环境干扰包括硬磁干扰和软磁干扰，磁强计自身的主要误差包括零偏误差、标度因子误差、非正交误差、安装对准误差。这些误差严重影响磁强计应用于航向确定和姿态测量的精度，需要进行标定，得到误差系数，进而补偿磁强计原始输出。

目前标定方法有很多，主要包括：

1.磁强计在水平面内转动一周，利用磁强计输出的最大值和最小值完成2轴磁强计的标度因子误差和零偏误差的标定。但是，此方法只能完成2轴的磁强计标定，且只能标定部分误差项，精度低。

2.通过三维空间内旋转磁强计的椭球拟合标定方法，其无法标定由软磁干扰、非正交误差、安装误差造成的旋转误差项，补偿效果有限，且通过最小二乘法的椭球拟合过程计算量大。

3.利用高精度无磁转台确定方向，并通过更高精度的磁强计获取磁场数据，通过实验确定误差系数，其校正精度高，但对设备要求高，且操作复杂。

4.将磁强计固定在正方体内，通过12个不同的摆放方位，对磁强计的误差系数进行求解。然而此方法对12个摆放朝向的准确度要求高，且依赖的数据点较少，在随机噪声较大时，容易产生较大的标定误差。

总的来说，目前相关的标定方法具有设备要求高、操作复杂、计算复杂、只完成部分误差项的标定、只适用于2轴磁强计的标定等缺点。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，该方法具有设备要求低、操作简单、标定时间短、计算量小、精度高的优点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，包括以下步骤：S1：将三轴陀螺仪与三轴磁强计固连组成的传感器组合模块安装于长方体框架内，并对框架的六个面分别编号为1～6，其中，编号规则为：1和2面相对，且垂直于传感器组合模块z轴，3和4面相对，且垂直于传感器组合模块y轴，5和6面相对，且垂直于传感器组合模块x轴；S2：设定旋转圈数n，将框架编号为1的面朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到1组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据；S3：将编号为2～6的面分别朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到另外5组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据；S4：设定插值间隔角度Δθ，并设定框架朝上的面的编号k；S5：通过敏感轴垂直于旋转平面陀螺仪的输出积分得到每个采样点的旋转角θ_j，并当θ_j≥360n，停止积分，保存各采样点旋转角θ；S6：根据各采样点旋转角θ与各采样点三轴磁强计输出m^k，计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出；S7：改变框架朝上的面的编号k，重复步骤S5至S6，得到另外5组三轴磁强计插值输出，最终得到三轴磁强计插值输出i＝1～360n/Δθ,k＝1～6；S8：根据最终得到的三轴磁强计插值输出计算零偏误差向量；S9：获取垂直于平面的磁场分量h_⊥；S10：根据三轴磁强计插值输出与磁场分量h_⊥计算误差系数矩阵；S11：根据得到的所述零偏误差向量和所述误差系数矩阵，对三轴磁强计原始输出进行误差补偿。

另外，根据本发明上述实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，在所述S6中，通过如下公式计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出：

在一些示例中，在所述S8中，通过如下公式计算所述零偏误差向量：

在一些示例中，在所述S9中，所述磁场分量h_⊥为预先设定，或者通过预设公式计算得到所述磁场分量h_⊥。

在一些示例中，所述预设公式为：

在一些示例中，在所述S10中，所述误差系数矩阵为：K＝[K₁K₂K₃]，其中，

在一些示例中，在所述S11中，所述对三轴磁强计原始输出进行误差补偿的方式为：

其中，为补偿后的三轴磁强计输出。

在一些示例中，在所述S5中，角度θ_j为相对旋转角度。

在一些示例中，在所述S4中，插值间隔角度Δθ为360的公约数。

根据本发明实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，具有如下优点：

1.该方法实现过程中对设备要求低，只需要用到无磁长方体框架，而三轴磁强计与三轴陀螺仪固连的传感器组合模块非常普遍；

2.该方法操作简单，对磁强计的翻转没有北向对准等要求，旋转过程不需要控制精确的旋转角度，对旋转速度和旋转方向也没有特殊要求；

3.该方法计算简单，通过线性插值得到等角度间隔的磁强计插值输出，再通过磁强计插值输出，通过一次线性方程得到误差系数矩阵和零偏误差向量，不涉及最小二乘法、非线性方程组等求解问题；

4.该方法操作简单，计算简单，从而使得标定过程所需时间短；

5.该方法有效地利用了捷联惯性导航设备中的陀螺仪来辅助完成磁强计全误差标定。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法；

图2是根据本发明一个实施例的长方体框架各面展开示意图；

图3是根据本发明一个实施例的长方体框架与传感器模敏感轴对准关系示意图；

图4是根据本发明一个实施例的旋转操作过程示意图；

图5是根据本发明一个实施例的标定前后三轴磁强计输出值的示意图；

图6是根据本发明一个实施例的标定前后x、y轴磁强计输出值的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的标定前后x、z轴磁强计输出值的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的标定前后y、z轴磁强计输出值的示意图；

图9是根据本发明一个实施例的标定前后磁强计测角误差示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法。

图1是根据本发明一个实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：将三轴陀螺仪与三轴磁强计固连组成的传感器组合模块安装于无磁长方体框架内，并对框架的六个面分别编号为1～6，其中，编号规则为：1和2面相对，且垂直于传感器组合模块z轴，3和4面相对，且垂直于传感器组合模块y轴，5和6面相对，且垂直于传感器组合模块x轴，具体例如图2和图3所示。

步骤S2：设定旋转圈数n，将框架编号为1的面朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到1组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据，具体的旋转过程例如图4所示。

步骤S3：再将编号为2～6的面分别朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到另外5组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据。

需要说明的是，在本发明的一个实施例中，在上述步骤S2和S3中，对光洁平面的水平度没有要求，对磁强计的摆放时侧面的朝向没有要求，对顺时针与逆时针的旋转方向无要求，对长方体框架朝上的面的操作顺序无要求，对旋转速度无要求。

步骤S4：设定插值间隔角度Δθ，并设定框架朝上的面的编号k。

具体地，在本发明的一个实施例中，插值间隔角度Δθ为360的公约数。

步骤S5：通过敏感轴垂直于旋转平面陀螺仪的输出积分得到每个采样点的旋转角θ_j，并当θ_j≥360n，停止积分，保存各采样点旋转角θ。

具体地，在本发明的一个实施例中，角度θ_j为相对旋转角度。

步骤S6：根据各采样点旋转角θ与各采样点三轴磁强计输出m^k，计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出。

具体地，在本发明的一个实施例中，通过如下插值公式计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出：

步骤S7：改变框架朝上的面的编号k，重复步骤S5至S6，得到另外5组三轴磁强计插值输出，最终得到三轴磁强计插值输出为：i＝1～360n/Δθ,k＝1～6。

步骤S8：根据最终得到的三轴磁强计插值输出计算零偏误差向量。

具体地，在本发明的一个实施例中，通过如下公式计算零偏误差向量：

步骤S9：获取垂直于平面的磁场分量h_⊥。

具体地，在本发明的一个实施例中，磁场分量h_⊥为预先设定，或者通过预设公式计算得到磁场分量h_⊥。换言之，即通过已知数据，设定垂直于平面的磁场分量h_⊥，或通过预设公式，计算得到垂直于平面的磁场分量h_⊥。

更为具体地，预设公式例如为：

步骤S10：根据三轴磁强计插值输出与磁场分量h_⊥计算误差系数矩阵。

具体地，在本发明的一个实施例中，误差系数矩阵为：K＝[K₁ K₂ K₃]，其中，

步骤S11：根据得到的零偏误差向量和误差系数矩阵，对三轴磁强计原始输出进行误差补偿。

具体地，在本发明的一个实施例中，对三轴磁强计原始输出进行误差补偿的方式为：

其中，为补偿后的三轴磁强计输出。进一步地，用转台提供旋转角的参考值，对比标定前后由磁强计计算的角度误差。作为具体的示例，标定前后三轴磁强计输出值例如图5所示；标定前后x、y轴磁强计输出值例如图6所示；标定前后x、z轴磁强计输出值例如图7所示；标定前后y、z轴磁强计输出值例如图8所示；标定前后三轴磁强计测角误差例如图9所示，从图中可以看出，标定后的三轴磁强计测角误差明显减小。

综上，根据本发明实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，具有如下优点：

1.该方法实现过程中对设备要求低，只需要用到无磁长方体框架，而三轴磁强计与三轴陀螺仪固连的传感器组合模块非常普遍；

2.该方法操作简单，对磁强计的翻转没有北向对准等要求，旋转过程不需要控制精确的旋转角度，对旋转速度和旋转方向也没有特殊要求；

3.该方法计算简单，通过线性插值得到等角度间隔的磁强计插值输出，再通过磁强计插值输出，通过一次线性方程得到误差系数矩阵和零偏误差向量，不涉及最小二乘法、非线性方程组等求解问题；

4.该方法操作简单，计算简单，从而使得标定过程所需时间短；

5.该方法有效地利用了捷联惯性导航设备中的陀螺仪来辅助完成磁强计全误差标定。

为了便于更好地理解本发明，以下结合具体实施例对本发明上述实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法进行详细的示例性描述。

实施例1

在本实施例中，该基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法例如包括以下步骤：

a)选用SBG IG-500N三轴陀螺仪与三轴磁强计传感器组合模块，加工无磁长方体框架，并将传感器模块安装于框架内。

b)将三轴磁强计与三轴陀螺仪的传感器组合模块安装于长方体框架内，对框架的六个面编号1～6，编号规则为：1和2面相对，垂直于传感器组合模块z轴；3和4面相对，垂直于传感器组合模块y轴；5和6面相对，垂直于传感器组合模块x轴。

c)设定旋转圈数n＝2。将框架编号为1的面朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，保存1组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据。

d)再将编号2～6面分别朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到另外5组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据。

e)设定插值间隔角度Δθ＝1°，并设定框架朝上的面的编号k＝1。

f)通过敏感轴垂直于旋转平面陀螺仪的输出积分得到每个采样点的旋转角θ_j。当θ_j≥360n，停止积分，保存各采样点旋转角θ。

g)由各采样点旋转角θ与各采样点三轴磁强计输出m^k，通过如下插值公式：

得到三轴磁强计插值输出i＝1～360n/Δθ。

h)改变框架朝上的面的编号k，分别取k＝2～6，重复步骤e～f，得到另外5组三轴磁强计插值输出，最终得到i＝1～360n/Δθ,k＝1～6。

i)通过以下公式，计算得到零偏误差向量：

j)设定垂直于平面的磁场分量h_⊥，或通过以下公式，计算得到垂直于平面的磁场分量：

k)通过以下公式，计算得到误差系数矩阵K＝[K₁K₂K₃]，其中，

l)由步骤h与步骤j中得到的零偏误差向量与误差系数矩阵，对磁强计原始输出进行误差补偿，得到补偿后输出：

m)用转台提供旋转角的参考值，对比标定前后由磁强计计算的角度误差。

综上，根据本发明实施例的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，具有如下优点：

1.该方法实现过程中对设备要求低，只需要用到无磁长方体框架，而三轴磁强计与三轴陀螺仪固连的传感器组合模块非常普遍；

2.该方法操作简单，对磁强计的翻转没有北向对准等要求，旋转过程不需要控制精确的旋转角度，对旋转速度和旋转方向也没有特殊要求；

3.该方法计算简单，通过线性插值得到等角度间隔的磁强计插值输出，再通过磁强计插值输出，通过一次线性方程得到误差系数矩阵和零偏误差向量，不涉及最小二乘法、非线性方程组等求解问题；

4.该方法操作简单，计算简单，从而使得标定过程所需时间短；

5.该方法有效地利用了捷联惯性导航设备中的陀螺仪来辅助完成磁强计全误差标定。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将三轴陀螺仪与三轴磁强计固连组成的传感器组合模块安装于长方体框架内，并对框架的六个面分别编号为1～6，其中，编号规则为：1和2面相对，且垂直于传感器组合模块z轴，3和4面相对，且垂直于传感器组合模块y轴，5和6面相对，且垂直于传感器组合模块x轴；

S2：设定旋转圈数n，将框架编号为1的面朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到1组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据；

S3：将编号为2～6的面分别朝上置于光洁无磁平面上，绕垂直于平面的轴旋转框架超过n圈，得到另外5组三轴磁强计与三轴陀螺仪输出数据；

S4：设定插值间隔角度Δθ，并设定框架朝上的面的编号k；

S5：通过敏感轴垂直于旋转平面陀螺仪的输出积分得到每个采样点的旋转角θ_j，并当θ_j≥360n，停止积分，保存各采样点旋转角θ；

S6：根据各采样点旋转角θ与各采样点三轴磁强计输出m^k，计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出；

S7：改变框架朝上的面的编号k，重复步骤S5至S6，得到另外5组三轴磁强计插值输出，最终得到三轴磁强计插值输出

S8：根据最终得到的三轴磁强计插值输出计算零偏误差向量；

S9：获取垂直于平面的磁场分量h_⊥；

S10：根据三轴磁强计插值输出与磁场分量h_⊥计算误差系数矩阵；

S11：根据得到的所述零偏误差向量和所述误差系数矩阵，对三轴磁强计原始输出进行误差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S6中，通过如下公式计算等角度间隔的三轴磁强计插值输出：

3.根据权利要求2所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S8中，通过如下公式计算所述零偏误差向量：

4.根据权利要求3所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S9中，所述磁场分量h_⊥为预先设定，或者通过预设公式计算得到所述磁场分量h_⊥。

5.根据权利要求4所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，所述预设公式为：

6.根据权利要求5所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S10中，所述误差系数矩阵为：K＝[K₁ K₂ K₃]，其中，

7.根据权利要求6所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S11中，所述对三轴磁强计原始输出进行误差补偿的方式为：

其中，为补偿后的三轴磁强计输出。

8.根据权利要求1所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S5中，角度θ_j为相对旋转角度。

9.根据权利要求1所述的基于陀螺仪辅助的三轴磁强计全误差标定方法，其特征在于，在所述S4中，插值间隔角度Δθ为360的公约数。