[發明專利]一種基于已知姿態角的磁力計標定方法

有效

• 申請號: 202011247295.4
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112461224B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 曠儉;李泰宇;牛小驥;劉韜
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01C17/38
• 分類號: G01C17/38;G01C25/00;G01R35/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

本發明提供一種基于已知姿態角的磁力計標定方法。基于某一固定位置的磁場總強度不變及在同一坐標系下磁場強度投影分量不變的假設，依據磁力計測量模型，使用已知姿態角將磁力計觀測值投影到當地坐標系，并通過最小二乘迭代解得磁力計標定參數。本發明與現有標定技術相比，算法簡單，效率較高。同時實現了磁力計的軟、硬磁效應標定，并將磁力計坐標系與慣性傳感器坐標系對齊，使得磁力計和慣性傳感器的信息放在一個公共框架中，可以在多源傳感器融合定位、傳感器陣列中發揮重要作用。

技術領域

本發明屬于磁力計標定領域，特別涉及姿態角已知時磁力計標定方法。

背景技術

磁力計是用來測量磁感應強度的傳感器，它可以提供對磁北的參考，是低成本高性能導航系統中用于姿態估計的關鍵信息源。磁力計由于加工工藝的限制，會存在零偏誤差、交軸耦合誤差、比例因子誤差等問題，影響磁力計的測量精度；而且磁力計容易受到周圍環境的磁干擾，這些干擾分為軟磁干擾和硬磁干擾。因此為測量更準確的磁場信息，需對磁力計進行標定。此外，在多源融合傳感器定位中，將磁力計和慣性傳感器的信息放在一個公共框架中是實現高精度定位的基礎，但由于安裝工藝、軟磁干擾等原因，磁力計與慣性傳感器的軸系難以實現完全一致，故磁力計與慣性傳感器進行交叉對準標定是一個關鍵點和亟需解決的問題。

目前根據國內外的文獻來看，基于極大似然估計法的橢球擬合是目前最常用的磁力計內在校準方法，它的標定與姿態無關，利用了磁力計在局部位置或均勻磁場中的測量值無論方向如何都是恒定的這一事實。對于傳感器之間的交叉標定，主要通過依靠局部重力信息完成，但這種標定方法依賴加速計測量值。

綜上，在磁力計標定時，如何快速完成磁力計內在標定及交叉標定是需要解決的關鍵問題。本發明以最小二乘法，包括但不限于此應用場景，無需依賴姿態、重力信息，提出一種簡單有效的磁力計標定及與慣性傳感器交叉標定方法。

發明內容

針對磁力計快速校準的需求以及磁力計軸系與IMU慣性傳感器軸系不對齊的問題，本發明提出了一種在姿態角已知的情況下在基于最小二乘原理完成磁力計的內在標定以及IMU慣性傳感器的交叉標定，即可以快速實現標定磁力計交軸耦合誤差、比例因子誤差、零位偏置誤差、軟磁誤差、硬磁誤差，并實現磁力計與IMU慣性傳感器軸系對齊。本發明無需借助任何外界設備，無需參數設置，簡單可行，具有很好的普適性，同時能夠滿足現場快速(20s左右)標定的要求，具有良好的標定精度。

本發明采用如下的技術方案：一種基于最小二乘方法完成磁力計的內在標定以及與IMU慣性傳感器的軸系對齊，主要是通過旋轉智能手機完成標定，在基于某一位置的地磁場強度在當地坐標系下三軸磁場分量不變及磁場總強度不變的假設下，通過對磁力計的測量模型進行建模，使用泰勒展開及最小二乘方法，得到磁力計標定參數；所述的技術方案包括以下步驟：

步驟1，在室外空曠區域選擇任意選擇一個位置，并根據位置的經緯度坐標查詢地球磁場參考模型，得到該位置的磁場總強度參考值；

步驟2，以傳感器測量中心為旋轉中心，使其繞著載體坐標系的X、Y、Z三軸各旋轉多圈，并獲取標定過程中每個歷元的姿態角(即俯仰角、橫滾角、航向角)及磁場信息；

步驟3，建立磁力計測量模型，確定待估參數，將磁力計的測量模型進行泰勒展開，使用最小二乘法迭代求得待估參數。

進一步的，對磁力計的測量模型進行建模時，考慮磁力計受到軟磁誤差、比例因子誤差、交軸耦合誤差、零位偏置誤差、硬鐵誤差及傳感器噪聲，載體坐標系下磁力計的測量模型如下：

對磁力計原始觀測數據m_{b_init}進行均值濾波，降低磁力計噪聲n_M，得到m_b；將的乘積作為一個待估矩陣，記為將b_M和b_HI之和作為一個待估矩陣，記為B_M，模型簡化后如下式，待估參數為和B_M；