一种地磁传感器应用系统的误差补偿算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地磁传感器应用装置设计领域，具体涉及一种地磁传感器应用系统的 误差补偿算法。
【背景技术】
[0002] 随着地磁理论的不断完善，以及传感器、微处理器和软件算法的日趋成熟，利用磁 探测技术测量物体空间方位已经成为地磁导航和测姿研宄领域的一个热点。电子磁罗盘， 也就是本发明所涉及的地磁传感器应用系统，是利用地磁场来测量方向的最常用的测试系 统，也是地磁传感器最常用的应用之一。
[0003] 本发明的演示平台是一套地磁传感器应用装置，以STM32微处理器为主控制芯 片，包含IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和IXD驱 动模块等。由主控系统通过IIC协议访问磁传感器和加速度传感器，控制切换工作模式，以 获取补偿值，并经过主控系统处理后在LCD上显示姿势夹角、航向角和方位等信息。
[0004] 以水平方向的航向角测量为例。
[0005] 现有技术的运用中，在理想情况下，通过如下分析，将空间分量换算到水平分量 中，以获得载体的航向角。
[0006] Hx= S xX cos (r)-SxX sin (r) (I)
[0007] Hy= S xX cos (b) X sin (r) +SyX cos (b) +S2X sin (b) X cos (r) (2)
[0008] 其中Sx、Sy和Sz分别表示载体在空间坐标系上的X轴、Y轴和Z轴的分量；r和b 分别为载体坐标系上的俯视角和横滚角，可由下式获得：
[0009] r = atari ((flost) acc. x/ (float) acc. z) (3)
[0010] b = atari ((float) acc. y/ (-acc. x X sin (r) +acc. z X cos (r))) (4)
[0011] 其中acc. x、acc. y和acc. z分别为载体坐标系X轴、Y轴和Z轴上的加速度分量。
[0012] 通过以上公式可求出在载体所在当地的磁水平面上的磁分量：仏和Hx。如上述分 析，进一步可由公式（5)求出磁航向角。
[0013] A = arc tan (Ηγ/Ηχ) (5)
[0014] 最后，航向角可通过磁航向角和磁补偿获得。
[0015] 磁补偿是根据载体所在当地位置为基础，向西减磁偏角或向东加磁偏角，例如上 海地区的磁偏角为4度。
[0016] 然而，由于地磁传感器中始终存在着误差干扰源，而这些"几乎恒定"的磁干扰对 地磁传感器的影响很大，若不加以处理，几乎能将地磁传感器测出的信号"淹没"。因此，若 仅用上述方法来计算磁航向角和方位，则地磁传感器测出的磁分量几乎不能判别方向。
[0017] 具体到电子磁罗盘的误差，其主要是来源于软硬铁磁干扰和地磁传感器的自身误 差。
[0018] 硬铁干扰源是指载体上的永久磁铁，以及能够被磁化的金属等硬磁材料。硬磁材 料相当于永久磁铁，当其进入外磁场时，硬磁材料会发生磁化，即使去除外界磁场后，仍有 很大的剩余磁感应强度，所以这种干扰比较稳定。而软铁本身不具备磁性，被周围环境中的 磁场磁化后获得磁性，属于软磁材料。软磁材料对电子磁罗盘需测量的磁场的强度影响比 较复杂，所以此类磁性物质产生的干扰相对难以消除，补偿也比较繁琐。
[0019] 地磁传感器的自身误差是由制造误差和安装误差作为电子磁罗盘系统中传感器 误差的主要来源。对于三轴磁阻式传感器来说，制造误差与许多因素相关，如制造工艺和电 路设计等。安装误差是指当电子磁罗盘固定于载体时，因无法保证电子磁罗盘本体坐标和 载体坐标系的完全重合而引起的误差。由于电子磁罗盘测量用的模型是以磁罗盘本身作为 载体的坐标系和地理坐标系为参照的，坐标系的偏差必然会导致电子磁罗盘的测量误差的 存在。
[0020] 由此可见，通过增加误差补偿算法，可以获得电子磁罗盘精确的航向角和方位，这 将是对现有技术的改进和提尚。
【发明内容】
[0021] 本发明所要解决的技术问题是消除地磁传感器测量的干扰源，提高测量准确度。
[0022] 为解决上述技术问题，提出的解决方案为通过一种地磁传感器应用系统的误差补 偿算法，其特征在于，由地磁传感器获取当前地磁矢量的空间三轴分量后，通过去除载体干 扰磁场的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量做出相应的补偿；
[0023] 可选的，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片， IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和IXD驱动模块；
[0024] 可选的，所述补偿算法的具体步骤为：
[0025] 1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补 偿系数；
[0026] 2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；
[0027] 3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；
[0028] 4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿 值；
[0029] 5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值；
[0030] 优选的，上述步骤3所述极值包含最大值和最小值；
[0031] 优选的，将步骤3所得读数与步骤2已存入的磁分量中的最大最小值作比较，若当 前值超出已有的最大或最小值的范围，则由当前值替换其成为新的最小值或者最大值；
[0032] 优选的，步骤4中干扰磁场分量大小为步骤3所得的最大值和最小值的平均值；
[0033] 优选的，步骤5中软件滤波的方法为在连续读数3次或以上的基础上，去掉读数的 大小极值，再求取平均值。
[0034] 本发明提出一种测量航向角的方法，通过地磁传感器应用系统，由地磁传感器分 别获取当前地磁矢量在空间三轴分量，然后得出相应的磁补偿值；利用加速度传感器获取 当前载体的姿势，求出对应的倾角；结合所测出的空间坐标系中的磁分量和加速度传感器 测出的俯视和横滚角，求出对应水平坐标系中的X和Y轴的分量，由正切的关系求出磁航向 角；最后根据当地的磁偏角和磁补偿值，求出航向角，其特征在于，通过去除载体干扰磁场 的算法和软件滤波的方式，对测得的各轴分量得出相应的磁补偿值；
[0035] 可选的，所述地磁传感器应用系统除包含地磁传感器外，还包含有主控制芯片， IIC驱动模块、按键模块、磁传感器固件驱动模块、加速度传感器驱动模块和IXD驱动模块；
[0036] 可选的，所述对地磁传感器获取在空间三轴分量的补偿算法的具体步骤为：
[0037] 1)由FUSE模式，测量并分别读取三轴的初始补偿值，计算出各个轴上磁分量的补 偿系数；
[0038] 2)进入正常模式，获取磁分量的第一次补偿值，并存入各对应轴的寄存器中；
[0039] 3)反复多次读取，比较并更新寄存器中的极值；
[0040] 4)获取干扰磁场分量，通过去除载体干扰磁场算法，获取磁分量的第二次补偿 值；
[0041] 5)通过软件滤波的方法，分别获取X轴、Y轴和Z轴上磁分量的补偿值。
[0042] 地磁传感器应用系统以电子罗盘为代表，在现代技术条件中作为导航仪器或姿态 传感器已被广泛应用。电子罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比，有能耗低、体积小、 重量轻、精度高、可微型化，其输出信号通过A/D转换处理可以实现数码显示等优点。
[0043] 本发明提出地磁传感器应用系统的误差补偿算法在地磁传感器获取了当前地磁 矢量在空间坐标系中各个轴分量后，通过去除载体干扰的算法和软件滤波的方式，去除包 括磁干扰源、在制造和安装时由于载体的坐标系和地理坐标系偏差而引入的误差源，然后 做出相应的相对精确的补偿。同时本发明还提出一种测量航向角的方法。利用上述的误差 补偿算法得到准确的磁补偿值，再结合加速度传感器获取当前载体的姿势，求出对应的倾 角；结合地磁传感器应用系统中加速度传感器测出的俯视和横滚角求出磁航向角；最后根 据当地的磁偏角，求出航向角的也就是当前载体X轴朝向的方位。
[0044] 本发明提出的误差补偿算法很好的避免了以电子磁罗盘为代表地磁传感器应用 系统，由于本体坐标和载体坐标系不能完全重合而引起的误差，防止了由于磁干扰源的影 响造成的测量结果失真或完全被噪声湮没。通过本发明的误差补偿算法能够提高磁信号补 偿的有效和准确性，以确保由电子磁罗盘为代表地磁传感器应用系统能够获得精确的航向 角，和正确的了解载体方位。
[0045] 本发明的地磁传感器应用系统的误差补偿算法，是通过采用空间坐标系的磁分量 换算到水平坐标系上，同时去除载体干扰的算法和软件滤波的方式以便有效地去除地磁传 感器系统误差干扰源的影响，从而获得电子罗盘精确的航向角和方位。经过验证，误差补偿 算法有助于提高三轴地磁传感器的航向角测试精度。
【附图说明】
[0046] 图1是地磁传感器应用系统的误差补偿算法设计流程图。
[0047] 图2是地磁传感器应用系统水平指向西的测试效果。
[0048] 图3是地磁传感器应用系统有一定姿势指向西的测试效果。
【具体实施方式】
[0049] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。
[0050] 其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明， 示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0051] 以下将结合图1~图3对本发明的应用于地磁传感器应用系统的误差补偿算法作 进一步的详细描述。
[0052] 本发明的地磁传感器应用系统的误差补偿算法，通过去除载体干扰