一种手持式MEMS磁力计的航向校正方法与流程

本发明涉及室内外定位技术领域，具体是一种手持式mems磁力计的航向校正方法。

背景技术：

mems(micro-electro-mechanical-system，微机电系统)磁力计作为一种磁场测量仪器，通过测量周围磁场在三轴磁力计上的分量来计算航向角，具有体积小、功耗低、成本低，可靠性高、航向误差不随时间累积等优点。但是，mems磁力计在使用过程中容易受到外界坏境的干扰，为了提高航向精度，在使用之前需要对磁力计航向进行校正。

目前mems磁力计误差补偿常用方法有泊松模型补偿法、基于外部航向基准辅助的罗差补偿法、椭圆拟合补偿法等。泊松模型补偿法，可采用十二位置翻滚法或者借助外部姿态参考数据进行最小二乘递推等方法来确定12个参数，补偿过程操作复杂，计算量大。基于外部航向基准补偿方法，在校正过程中需要外部航向作为基准，补偿效果佳，但在实际应用中往往没有航向基准作为参考，故该方法的实用性较差。现有的椭圆补偿法都是无磁转台上进行实验，补偿效果较好，然而在实际使用中，用户通常是手持测量设备工作，由于倾斜、抖动以及外界磁场的干扰会使航向产生较大误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种手持式mems磁力计航向校正方法。所述方法通过倾斜补偿、滑动窗口滤波修正平台倾斜和手部抖动引起的误差，运用简便且具有良好抗噪声性能的罗差校正手段，使得校正后的磁力计航向精度优于1°，在对航向角有严格要求的室内外导航中具有较高的应用价值。

本发明主要包括以下步骤：1.获取mems磁力计x、y、z轴方向的地磁强度；2.通过倾斜补偿方法校正平台倾斜造成的x、y轴方向地磁强度误差；3.采用约束条件下的最小二乘法对上述校正后的地磁数据进行椭圆拟合，求出椭圆系数，通过罗差校正求出补偿后的x、y轴真实磁场强度；4.采用滑动窗口滤波消除手部抖动产生的航向角噪声；5.输出校正后的航向角。

附图说明

图1是本发明的主要步骤流程图。

图2描述了本发明中罗差校正前后的x、y轴地磁数据对比情况。

图3描述了对地磁数据采取不同处理方式后的航向误差对比情况。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做更进一步的详细描述，以利于对本发明的充分理解。本实施例采用了一部普通的手持式mems磁力计用于提供基础数据，再结合本发明对数据进行校正，主要步骤如下所述。

步骤1：mems磁力计开始工作，获取mems磁力计x、y、z轴方向上的地磁强度hx′、hy′、hz′。

步骤2：通过倾斜补偿方法，校正mems磁力计平台因倾斜造成的x、y轴方向地磁强度误差，得到补偿后的x、y轴方向地磁强度hx、hy。现有的倾斜补偿方法都能解决问题，在此特别提供一种优选的倾斜补偿方法，表述如下：定义mems磁力计平台倾斜后的横滚角和俯仰角分别为γ和θ，则补偿校正后的x、y轴方向地磁强度hx、hy分别表示为：hx＝hx′cosθ+hy′sinθcosγ-hz′sinθcosγ；hy＝hy′cosγ-hz′sinγ。

步骤3：采用约束条件下的最小二乘法对步骤2中补偿校正后的地磁数据进行椭圆拟合，求出椭圆系数，通过罗差校正求出补偿后的x、y轴真实磁场强度。

罗差，指罗北与磁北的夹角。该误差为mems磁力计在某一小地域使用时的系统误差，由磁力计制造误差和当地小区域的微磁场环境共同决定。在使用mems磁力计时，需考虑对罗差的校正问题。在实际应用中，罗差是导致航向精度下降的主要原因，它分为硬磁干扰和软磁干扰。硬磁干扰主要是由于周围坏境中的永久磁铁物质引起，它们产生的磁场强度认为是恒定不变的，即硬磁材料所合成的磁场投影到磁力计三个轴上的分量是恒定的。软磁干扰主要是周围坏境中的铁磁物质引起，软磁材料本身不具有磁性，受到周围磁场影响后产生磁场，其影响程度和方向与磁力计的位置有关，干扰程度与方向有关。

为获得更好的补偿效果，本实施例给出一种改良的罗差校正方法，主要过程如下所述。

在mems磁力计处于水平且无任何误差的情况下，将磁力计水平旋转一周并采集步骤2中补偿后的x、y轴的地磁强度hx、hy，它们在坐标平面下的映射为圆心在原点上的正圆；由于受到硬磁干扰时，会使正圆偏离原点，干扰越大偏离越远；受到软磁干扰时，正圆会畸变成椭圆，干扰越大畸变越严重。

在平面坐标系中，可以采用圆锥曲线方程来表示任意位置的椭圆：其中：f为常数，k＝(a,b,c,d,e,f)^t，k即为要求解的椭圆系数矩阵；当采集的样本点pj(xj,yj)的个数n≥5时(其中j＝1,2,3···,n)，根据最小二乘法，即可确定椭圆系数a、b、c、d、e、f的值。

采用直接最小二乘法拟合得到的圆锥曲线不一定是椭圆，所以需要根据椭圆曲线的性质，在拟合椭圆的同时加上约束条件以保证拟合出的曲线为椭圆，选取4ab-c²＝1作为椭圆拟合的约束条件，椭圆系数求解转化为约束条件下求极值问题：

其中：

根据拉格朗日乘数法，引入参数λ，将式(1)转化为求解约束条件下的极值问题：

求出(d^td,c)的6个广义特征值和对应的特征向量，特征值中只有一个大于0，所求椭圆系数矩阵k为特征值大于0对应的特征向量，从而得到椭圆系数a、b、c、d、e、f。

罗差校正过程就是把偏离圆心的椭圆校正为正圆，其过程可以描述为：

式中：ly＝a/b；为倾斜补偿后的x、y轴方向地磁强度；由式(3)可以得出x、y轴补偿后的真实地磁强度值为：

步骤4：采用滑动窗口滤波消除手部抖动产生的航向角噪声。

mems磁力计算出的航向角为前进方向和磁北的夹角α。通过步骤3罗差校正补偿后的x、y轴真实地磁强度值可得α：

在实际应用中所参考的北指的是地理北，磁北和地理北并不重合，它们之间的夹角称为磁偏角β，当地的磁偏角β可以通过查表获得。因此，在实际使用中，真实航向角ψ＝α+β。

mems磁力计在实验过程中由于手部的抖动，会导致系统振动，所以磁力计在数据采集期间除了会受到硬磁材料和软磁材料干扰之外，还会因为手部的抖动产生噪声。手部抖动产生的噪声可以通过滑动窗口滤波得到改善：

其中：2n+1为滑动窗口的长度，由磁力计的采样频率决定。步骤5：输出校正后的航向角ψi。

本发明采用了三轴mems磁力计(hmc5883l)进行验证，在实验过程中，用keil软件进行c语言编程，通过四元数姿态解算和卡尔曼滤波得出准确的横滚角、俯仰角、航向角和三轴原始地磁数据，并通过串口输出至上位机并保存成excel文件格式。

为了对校正前后的航向误差进行分析，罗差校正算法在matlab中实现，首先读取excel表格中的数据，将横滚角、俯仰角作为倾斜偿的输入，航向角作为误差分析的参考航向。三轴磁力计数据在倾斜补偿之后进行罗差校正、滑动窗口滤波剔除抖动噪声，最后输出校正后的航向角。

对罗差校正与未经罗差校正x、y轴地磁数据进行了对比，对比结果如图2所示，从图2可以看出，未经罗差校正直接拟合出来的是偏离原点的椭圆,通过罗差校正后椭圆变成圆心在原点的正圆，说明本发明的罗差校正方法十分精确。

对罗差校正前后的航向误差与滤波前后的航向误差进行了对比。对比结果如图3所示，从图3可以看出，使用未经罗差校正且未滤波(虚线)的地磁数据求出的航向角，由于附近硬磁材料、软磁材料和手部抖动噪声的影响，其航向误差约为±31°。使用经过罗差校正且未滤波(点虚线)的地磁数据求出的航向角，其航向误差相比前者有较大改善，但磁力计在旋转过程中，由于手部抖动噪声的存在，使航向精度在旋转过程产生较大的偏差，其航向误差约为±11°。使用经过罗差校正和滤波(粗实线)的地磁数据求出的航向角，由于抖动噪声被有效限制，其航向误差降低至±1°之内。