用于磁力计校准和补偿的系统和方法
【专利摘要】本文公开了用于磁力计校准和补偿的系统和方法。系统包括：惯性测量单元，其包括配置成测量绕着三个独立轴中的相应轴的角速度的一个或多个陀螺仪，和配置成测量沿着三个独立轴中的相应轴的比力的一个或多个加速度计；磁力计，其配置成测量沿着三个独立轴中的每个的局部磁场的强度；以及处理设备，其耦合到惯性测量单元和磁力计；处理设备配置成基于从磁力计和惯性测量单元接收的测量来计算系统的运动状态数据。处理设备还配置成当位置数据是不可用的时使用第一技术计算磁力计测量校准参数，且当位置数据是可用的时使用第二技术计算磁力计测量校准参数。
【专利说明】用于磁力计校准和补偿的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于磁力计校准和补偿的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 磁罗盘可用于确定车辆的航向角或作为确定车辆的姿态角（侧倾和俯仰角）和航 向角的矢量匹配算法的部分。即使车辆倾斜了俯仰和侧倾角的某些值，测量地球的磁场的 所有三个分量的三轴磁力计仍然可用于确定车辆的航向角。然而，磁力计的测量可能由于 磁力计附近的各种类型的磁扰动而变形。诸如铁磁材料的一些类型的磁扰动被称为"硬铁" 偏磁，并可加到由磁力计测量的磁场。被称为"软铁"偏磁的其它类型的磁扰动可改变磁力 计附近的磁场的大小和方向。
【发明内容】
[0003] 在一个实施例中，提供了一种系统。该系统包括：惯性测量单元，其包括配置成测 量绕着三个独立轴中的相应轴的角速度的一个或多个陀螺仪，和配置成测量沿着三个独立 轴中的相应轴的比力的一个或多个加速度计；磁力计，其配置成测量沿着三个独立轴中的 每个的局部磁场的强度；以及处理设备，其耦合到惯性测量单元和磁力计；处理设备配置 成基于从磁力计和惯性测量单元接收的测量来计算系统的运动状态数据。处理设备还配置 成当位置数据是不可用的时使用第一技术计算磁力计测量校准参数，且当位置数据是可用 的时使用第二技术计算磁力计测量校准参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0004] 理解附图仅描绘示例性实施例，且因此不应被考虑为在范围上是限制性的，将通 过使用附图以额外的特异性和细节描述示例性实施例，其中： 图1是用于磁力计校准和补偿的系统的一个实施例的方框图。
[0005] 图2是描绘校准磁力计测量的示例性方法的一个实施例的流程图。
[0006] 图3是描绘当位置信息是可用的时计算校准参数的示例性方法的一个实施例的 流程图。
[0007] 图4是描绘当位置信息是不可用的时计算校准参数的示例性方法的一个实施例 的流程图。
[0008] 图5是描绘补偿磁力计测量的示例性方法的一个实施例的流程图。
[0009] 图6是描绘补偿磁力计测量的另一示例性方法的一个实施例的流程图。
[0010] 根据通常实践，各种描述的特征并没有按比例被绘制，而是绘制成强调与示例性 实施例有关的特定特征。
【具体实施方式】
[0011] 在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，且其中作为说明示出特定的说 明性实施例。然而，应理解，可利用其它实施例，以及可做出逻辑、机械和电气变化。此外， 在附图和说明书中给出的方法不应被解释为限制单独的步骤可被执行的顺序。下面的详细 描述因此不应在限制性的意义上被理解。
[0012] 图1是用于磁力计校准和补偿的系统100的一个实施例的方框图。系统100包括 三轴磁力计102、惯性测量单元104和处理设备106。惯性测量单元aMU)104包括一个或多 个速率陀螺仪108和一个或多个加速度计110。每个速率陀螺仪108配置成测量绕着相应 轴的角速度。类似地，每个加速度计110配置成测量沿着相应轴的比力（specific force)。 在一些实施例中，頂U 104包括用于测量沿着三个独立轴中的每个的角速度的三轴陀螺仪 108和用于测量沿着三个独立轴中的每个的比力的三轴加速度计110。三轴磁力计102测 量沿着三个独立轴的局部磁场的强度。在一些实施例中，三个独立轴是正交的。在其它实 施例中，三个独立轴不是正交的，但仍然独立于彼此。
[0013] 在一些实施例中，系统100还可选地包括一个或多个辅助传感器114。辅助传感器 114提供用于计算系统100的运动状态的额外测量。辅助传感器的一些例子包括但不限于 高度计、照相机、全球导航卫星系统（GNSS)接收机、光探测和测距（LIDAR)传感器、无线电 探测和测距（RADAR)传感器、星体跟踪器、太阳传感器和真实空速传感器。这样的示例性辅 助传感器是本领域中的技术人员已知的，且没有在本文被更详细地描述。
[0014] 处理设备106可包括中央处理单元（CPU)、微控制器、微处理器(例如数字信号处 理器（DSP))、现场可编程门阵列（FPGA)、专用集成电路（ASIC)和其它处理设备。存储器设 备112可包括有形介质，例如磁或光介质。例如，有形介质可包括常规硬盘、光盘(例如只读 或可重写)、易失性或非易失性介质，例如随机存取存储器（RAM)(包括但不限于同步动态随 机存取存储器（SDRAM)、双数据速率（DDR)RAM、RAMBUS动态RAM (RDRAM)、静态RAM (SRAM) 等)、只读存储器（ROM)、电可擦除可编程ROM (EEPR0M)和闪速存储器等。例如，在该实施例 中，处理设备106被实现为包括软件程序、固件或存储在存储器设备112上的其它计算机可 读指令或以软件程序、固件或存储在存储器设备112上的其它计算机可读指令运转的中央 处理单元，所述软件程序、固件或存储在存储器设备112上的其它计算机可读指令用于实 行用于磁力计校准和补偿的各种方法、过程任务、计算和控制功能。例如，在该实施例中存 储在存储器设备112上的是在下面更详细描述的校准和补偿指令116和滤波指令118。此 夕卜，在该实施例中，存储器设备112包括地球磁场模型（EMFM) 120。
[0015] 在操作中，頂U 104、磁力计102和可选地一个或多个辅助传感器114向处理设备 106提供相应的测量。处理设备106执行滤波指令118以基于所接收的测量来计算系统100 的运动状态数据，例如速度、角定向和/或位置。例如，滤波指令118可实现滤波器115,例 如卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器的操作是本领域中的技术人员已知的，且不在本文被更详 细地描述。
[0016] 处理设备106执行校准和补偿指令116以基于运动状态数据来计算磁力计补偿参 数并基于所计算的参数来补偿磁力计测量。为了说明的目的，图1将由处理设备106执行的 操作中的数据流表示为在处理设备106内的虚线。如图1所示，处理设备基于从頂U 104、 磁力计102和可选地一个或多个辅助传感器114接收的测量来计算运动状态数据。处理设 备接着基于运动状态数据来校准并补偿磁力计测量。在一些实施例中，位置数据在运动状 态数据中是不可用的。在这样的实施例中，处理设备106仍然能够计算校准参数以校准并 补偿磁力计测量。
[0017] 特别地，下面关于图2-5讨论关于磁力计校准和补偿的额外细节。关于图2-5描 述的方法可由执行校准和补偿指令116的处理设备106实现。然而，应理解，处理设备106 不是必须执行在图2-5中给出的方法中的每个步骤。例如，方法400讨论在块402构想出 分批模型和在块404以矩阵形式重写该模型。这样的步骤可先验地被配置，且不需要当执 行校准和补偿指令116时作为处理设备106所执行的功能的部分而被执行。
[0018] 图2是描绘校准磁力计测量的示例性方法200的流程图。在块202,在处理设备 106处从磁力计102接收磁力计测量。在块204,得到姿态和航向估计或测量。例如，处理 设备106可基于从IMU 104、磁力计102和/或一个或多个可选的辅助传感器114接收的数 据来计算姿态和航向。在块206,确定位置数据是否是可用的。位置数据指示系统100的近 似当前地理位置。例如，在一些实施例中，处理设备106能够基于从MU 104、磁力计102和 /或可选的辅助传感器114中的一个或多个接收的数据来计算当前地理地点或位置数据。 然而，在其它实施例中，不足的数据可用来确定地理地点。
[0019] 如果在块206位置数据是可用的，则在块208基于位置数据从地球磁场模型得到 参考磁场值。例如，地球磁场的一个这样的模型被称为国际地磁参考场（IGRF)，国家海洋和 大气管理局（Ν0ΑΑ)使得其公开可得到。在块210,基于来自EMFM的参考磁场值并基于来自 磁力计102的所测量的磁场值来计算校准参数。下面关于图3更详细描述了当位置信息是 可用的时计算校准参数的示例性方法。在块212,基于所计算的参数来补偿磁力计测量。下 面关于图5更详细描述了补偿磁力计测量的示例性方法。
[0020] 如果在块206位置数据是不可用的，则在块214在不使用位置信息的情况下基于 磁力计测量来计算校准参数。例如，参考磁场值没有被得到，因为位置数据是不可用的。因 此，在没有参考磁场值的情况下计算校准参数。下面更详细描述在没有位置数据的情况下 计算校准参数的示例性方法。在计算校准参数之后，在块212补偿磁力计测量，如在下面更 详细描述的。
[0021] 图3是描绘当位置信息是可用的时计算校准参数的方法300的流程图。方法300 可用于实现在方法200中的块210处执行的计算。在块302,构想出分批测量模型。例如， 磁力计测量模型可被陈述为： 等式1
【权利要求】
1. 一种系统（100)，包括： 惯性测量单元（104)，其包括配置成测量绕着三个独立轴中的相应轴的角速度的一个 或多个陀螺仪（108)，和配置成测量沿着所述三个独立轴中的相应轴的比力的一个或多个 加速度计（110); 磁力计（102)，其配置成测量沿着所述三个独立轴中的每个的局部磁场的强度；以及 处理设备（106)，其耦合到所述惯性测量单元和所述磁力计；所述处理设备配置成基 于从所述磁力计和所述惯性测量单元接收的测量来计算所述系统的运动状态数据； 其中所述处理设备还配置成当位置数据是不可用的时使用第一技术计算磁力计测量 校准参数，且当位置数据是可用的时使用第二技术计算磁力计测量校准参数。
2. 如权利要求1所述的系统，其中为了当位置数据是不可用的时计算磁力计测量校 准参数，所述处理设备配置成： 根据包含基于磁力计测量的条目的矩阵的矩阵分解来计算硬铁偏磁矢量；以及 使用所述磁力计测量和所述硬铁偏磁矢量来计算软铁偏磁矩阵、比例因子误差矩阵和 未对准误差矩阵中的至少一个。
3. 如权利要求1所述的系统，其中为了在位置数据是可用的时计算磁力计测量校准 参数，所述处理设备配置成： 确定包含基于所述位置数据从地球磁场图（EMFM)得到的估计磁场值的矩阵的列轶； 如果矩阵具有满列轶则计算磁力计测量模型的所有磁力计测量校准参数；以及 如果矩阵没有满列轶则计算磁力计测量校准参数的子集。
【文档编号】G01C25/00GK104296776SQ201410334942
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2013年7月15日
【发明者】M.R.埃尔格斯马, V.L.贝奇什瓦, R.D.克雷肖夫 申请人:霍尼韦尔国际公司