[發明專利]一種基于磁傳感器的電子羅盤校準方法

無效

• 申請號: 201010176346.9
• 申請日: 2010-05-19
• 公開（公告）號: CN102252689A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 張俊梅;劉碩;韓躍;段遠征;余勇;雷衛武
• 申請（專利權）人: 北京國浩傳感器技術研究院(普通合伙)
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C17/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域??本發明涉及運用磁傳感器對地磁場強度敏感的原理及在磁異常環境中電子羅盤自動連續校準的導航技術，提供精確的航向信息和姿態信息，適用于航向、傾斜角和磁場強度測量，屬于電子羅盤導航校準技術方法。

背景技術??電子羅盤能夠提供航向信息，被廣泛地運用于現代運輸工具的方向測量與控制，如汽車、飛機、輪船等。與此同時，其應用對羅盤的精度提出了更高要求。羅盤用于導航，其基本原理是利用磁傳感器測量地磁場強度，由地磁場強度的三分量數據解算出航向信息。因此，羅盤提供準確航向信息的前提條件是能夠準確測量地球磁場強度。然而，利用磁傳感器進行地磁測量時，導致電子羅盤航向誤差的因素很多，比如環境磁干擾因素，如電流、鐵質材料、永久性磁鐵等，使得磁傳感器測量值偏離了地磁真值，從而使得航向計算時會產生導航偏差；同時，羅盤傾斜角度，其依賴于地理位置和方位，會導致較大的航向誤差。因此，磁傳感器測量數據的誤差補償是不可缺少的重要環節。目前，基于復合信息的磁傳感器測量數據的校準技術已成為了電子羅盤研究的熱點。所查美國專利(專利號US4539760)給出傾角補償的三軸磁羅盤軟硬磁干擾修正方法，缺點是假設軟磁干擾修正矩陣是一個對稱陣，這與軟磁干擾的一般特征不符合。所查美國專利(專利號US20080270060)是磁傳感器和加速度計校準技術，采用球假設模型，計算復雜度低，易于實現，缺點是其球假設模型在有軟硬磁干擾的情況下不能實現較好的磁傳感器數據修正。所查美國專利(專利號US7451549)介紹三軸磁羅盤的校準過程，其軟磁修正矩陣假設為上三角矩陣，采用遞歸算法實現參數求解，其缺點是軟磁修正的上三角矩陣中其一個未知元素為1不合理；遞歸算法的收斂性對初始值要求高，初始值愈接近真值，遞歸算法結果愈穩定，否則易導致發散，而此專利給出的迭代初始值是在無軟硬磁干擾假設下給出的，易導致迭代次數增加，從而使校準過程時間長，校準點選擇要求高，導致校準操作不簡便，甚至易使算法不收斂。

發明內容????為了解決電子羅盤關于自動校準技術中存在的問題，提供方便又可靠的軟硬磁校準方法。本發明通過加深有關羅盤校準算法的理論認識，考察了電子羅盤軟硬磁校準技術的現狀，發明了電子羅盤進一步的校準方法。其技術方案是這樣實現的：

一種基于磁傳感器的電子羅盤校準方法，用以實現精確導航的目的，包括以下步驟：采集三軸加速度計數據、兩軸陀螺儀數據、三軸磁傳感器數據；加速度計數據通過低通數字濾波器進行處理；陀螺儀數據通過數字濾波器進行處理；磁傳感器數據通過低通數字濾波器進行處理；濾波后加速度計數據進行姿態角解算，得到俯仰角數據、翻滾角數據；濾波后陀螺儀數據得到俯仰角速度、翻滾角速度，并與姿態角解算數據進行匹配；俯仰角、俯仰角速度數據進入卡爾曼濾波器；翻滾角、翻滾角速度數據進入卡爾曼濾波器；濾波后磁傳感器數據進入線性化處理器；線性化處理后的磁傳感器數據進入磁數據校準；利用校準后的磁傳感器數據，以及卡爾曼濾波后的俯仰角數據、翻滾角數據，實現磁數據坐標變換，得到磁水平三分量值；由磁水平三分量值計算校準的航向角。

所述的磁數據校準過程包括以下步驟：由IGRF模型計算出地磁三分量值，結合線性化處理的磁傳感器數據，進入基于橢球假設的軟硬磁修正模型參數估計器；再進入接受新的線性化處理的磁傳感器數據，采用遞歸最小二乘方法剔除軟硬磁干擾影響。

所述的加速度計用于測量重力加速度在加速度計垂直三分量方向的分量，其三分量的合向量大小應與地球重力加速度相同，然而，電子羅盤在有加速度的情況下，則加速度三軸分量測量值失真，融合陀螺儀數據，能夠補償加速度計三軸數據；同時加速度計數據也補償了陀螺儀由時間積累造成的誤差。

所述的卡爾曼濾波能夠消除加速度計、陀螺儀數據噪聲，以及異常數據的影響，提高俯仰角、翻滾角精確度；同時加速度計、陀螺儀數據的融合濾波，使得校準易于實現，在靜態、動態情況均可進行。

所述的IGRF模型內嵌于電子羅盤，能夠給出羅盤所在位置的地磁三分量值，使得羅盤適用地理范圍廣。

所述的磁數據校準過程，是利用IGRF模型給出的地磁三分量值，線性化處理后的磁傳感器三軸數據，在基于橢球假設模型的軟硬磁修正模型參數估計器后，能夠解算出更為準確的軟磁、硬磁干擾參數，使得軟硬磁消除效果明顯。

所述的磁數據校準過程，是基于橢球假設模型的軟硬磁修正模型參數估計器后，軟磁、硬磁干擾參數不僅能夠用于磁傳感器器三軸測試數據的軟硬磁修正，而且可以做為軟硬磁修正的遞歸最小二乘估計的初始參數，大大提高其算法收斂速度，縮短電子羅盤校準時間。