专利名称：一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元及其实现方法
技术领域：
本发明涉及传感技术领域，具体地，涉及一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元及其实现方法。
背景技术：
一般地，三维空间地磁传感器，主要用于感知被嵌入的机械设备，或者用于测量物体在地球表面任何一个地方的当前方位角，以及用于测量物体相对于地球表面某一点切面的俯仰角等。例如，美国Holleywell公司(单纯传感器生产商)的HMC传感器系列，这项技术应用范围有机器人运动姿态控制系统，导弹姿态方向感知控制系统，航海中轮船的姿态感知系统，以及飞机航行中俯仰角、方位角与倾斜度等；传感器嵌入到电路板模块里面，通过内部通讯总线输出3个数据，即当前俯仰角(pitch)、方位角(yaw)与转动角(roll)。在现有技术中，将单个传感器嵌入到电路板模块中，虽然可以通过通讯总线获得这三个测量角度数据；但是，首先，在自然环境中，地磁传感器会受到各种各样干扰，在实际试验中，单纯原始的传感器数据具有明显的不稳定性和波动性；此外，排除自然环境干扰， 在实际应用领域，传感器本身所嵌入的电子系统和机械系统的金属结构，也会对数据有很强的干扰，会输出完全错误的测量数据，因为金属本身对磁场的影响或者电流产生的磁场都会干扰到传感器本身的测量结果。并且，在高精度的工业航空航海军事应用领域，这种干扰是完全不允许发生的，绝对的鲁棒性也是应用的一个必须要求之一。综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在稳定性差、测量精度低、可靠性差等以下缺陷
⑴稳定性差在完全自然的环境中，地磁传感器会受到各种各样的干扰，在实际试验中，单纯原始的传感器数据具有明显的不稳定性和波动性；传感器本身所嵌入的电子系统和机械系统的金属结构，也会对数据有很强的干扰；
(2)可靠性低金属对磁场的影响或者电流产生的磁场都会干扰到传感器本身的测量结果，甚至会输出完全错误的测量数据；
⑶实用性差在高精度的工业航空航海军事应用领域，要求传感器具有绝对的鲁棒性， 不允许发生自然环境和金属本身的干扰。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，以实现稳定性好、可靠性高与实用性好的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，包括微处理器，以及分别与所述微处理器信号连接的地磁传感器、陀螺仪传感器及工业通讯接口。进一步地，所述微处理单元包括卡尔曼滤波器、存储模块与主控模块，所述地磁传感器、卡尔曼滤波器、陀螺仪传感器与存储模块依次信号连接，所述主控模块分别与存储模块及工业通讯接口信号连接。进一步地，以上所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，还包括用于为电设备供电的电源模块，所述电源模块分别与地磁传感器、微处理器、陀螺仪传感器及工业通讯接口电连接。进一步地,所述地磁传感器至少包括Holleywell公司的型号为HMC5843的地磁传感器。进一步地，所述微处理器至少包括Ateml公司的型号为MEGA328P的微处理器。进一步地，所述陀螺仪传感器至少包括MEMS公司的型号为ITG-3200的陀螺仪传感器。进一步地,所述工业通讯接口至少包括RS485接口，相应的通讯协议包括ModBus RTU。同时，本发明采用的另一技术方案是一种根据以上所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法，包括
采用地磁传感器，对待测对象的初始状态进行实时采集，获取原始测量数据；
根据预设时长，对所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理，得到相对稳定的测量值；基于所得相对稳定的测量值，对陀螺仪传感器的相对三维欧拉坐标进行初始化，得到初始的基准测量值；
基于初始的基准测量值，采用初始化的陀螺仪传感器，对待测对象进行实时测量，获取实时测量值。进一步地，以上所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法，所述获取实时测量值之后的操作还包括通过工业通讯接口和相应的通信协议，将所得实时测量值进行输出。进一步地，所述对所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理的操作具体包括采用卡尔曼滤波器，滤除所得原始测量数据中的高斯噪声和白噪声。本发明各实施例的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元及其实现方法，由于该单元包括微处理器，以及分别与所述微处理器信号连接的地磁传感器、陀螺仪传感器及工业通讯接口，可以结合微处理器对地磁传感器的原始测量数据的处理、以及之后与陀螺仪传感器的配合使用，得到抗电磁干扰和具有鲁棒性的高精度地磁测量输出；从而可以克服现有技术中稳定性差、可靠性低与实用性差的缺陷，以实现稳定性好、可靠性高与实用性好的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在本申请说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图I为根据本发明抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的工作原理示意图；图2为根据本发明抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法的流程示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下
I-地磁传感器；2_微处理器；21_卡尔曼滤波器；22_存储模块；23_主控模块；3-陀螺仪传感器；4_工业通讯接口。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。实施例一
根据本发明实施例，提供了一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元。如图I所示， 本实施例包括微处理器(即Microprocessor with Kalman Filter,带有卡尔曼滤波器的微处理器)2，分别与微处理器2信号连接的地磁传感器(Magnet sensor) I、陀螺仪传感器 (gyroscope sensor) 3 及工业通讯接口(Industry Communication Port,如 I2C 转换到 RS485)4，用于为电设备供电的电源模块；电源模块，分别与地磁传感器I、微处理器2、陀螺仪传感器3及工业通讯接口 4电连接。在上述实施例中，微处理单元包括卡尔曼滤波器21、存储模块22与主控模块23， 地磁传感器I、卡尔曼滤波器21、陀螺仪传感器3与存储模块22依次信号连接(如通过I2C 内部数据总线连接)，主控模块23分别与存储模块22及工业通讯接口 4信号连接(如通过 I2C内部数据总线连接)。在上述实施例中，地磁传感器I至少包括Holleywell公司的型号为HMC5843的地磁传感器，微处理器2至少包括Ateml公司的型号为MEGA328P的微处理器，陀螺仪传感器 3至少包括MEMS的型号为ITG-3200的陀螺仪传感器；工业通讯接口 4至少包括RS485接口，相应的通讯协议包括ModBus RTU0上述实施例的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，为了解决干扰的问题，结合卡尔曼滤波器21对地磁传感器I原始数据的处理、以及与陀螺仪传感器3的配合使用，可以得到抗电磁干扰和具有鲁棒性的高精度地磁测量输出；其中，卡尔曼滤波器21可以保证初始化信号稳定、且接近真实值，陀螺仪传感器3可以保证抗电磁干扰。具体包括
首先，从信号处理的角度，用卡尔曼滤波器21对原始测量数据进行滤波处理，通过卡尔曼滤波器21对实时测量数据的过滤，可以将在测量时无法避免的高斯噪声、白噪声等自然噪声的干扰过滤掉，得到一个相当稳定和优化的最接近真实状态的估计测量值；
其次，在硬件电路板中嵌入陀螺仪传感器3，由于陀螺仪传感器3具有以下特点①它输出相对三维欧拉坐标系里面的3个角度(B卩，当前俯仰角、方位角与转动角)，②它需要3 个角度的初始值(ο f f s e t)来初始化这个传感器的相对坐标,③在实时的测量过程当中，陀螺仪传感器3具有不受任何外界任何强磁场或者金属物质变化干扰的特性；
基于以上3个特性，该具有稳定的抗电磁干扰性能、并且具有鲁棒性的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，需要卡尔曼滤波器21和陀螺仪传感器3的嵌入，并且配合工作，可以得到稳定的不受任何外界环境干扰的最接近真实状态的测量数据。实施例二
根据本发明实施例，提供了一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法。如4/4页
图2所示,本实施例包括
步骤100 :启动电源模块，采用地磁传感器，对待测对象的初始状态进行实时采集，获取原始测量数据；
步骤101 :根据预设时长(如I秒左右)，对步骤100所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理，得到相对稳定的测量值；
在步骤101中，对所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理的操作具体包括采用卡尔曼滤波器，滤除所得原始测量数据中的高斯噪声和白噪声；
步骤102 :基于步骤101所得相对稳定的测量值，对陀螺仪传感器的相对三维欧拉坐标进行初始化，得到初始的基准测量值；
步骤103 :基于步骤102所得初始的基准测量值，采用初始化的陀螺仪传感器，对待测对象进行实时测量，获取实时测量值，并传输至微处理器；
步骤104 :通过工业通讯接口和相应的通信协议，微处理器将步骤103所得实时测量值进行输出。在上述步骤100-步骤104显示的实施例中，具体的方案包括
在电源模块通电启动后，通过地磁传感器，得到初始状态的原始测量数据；之后，该原始测量数据通过内部通讯总线(如I2C)，传送到微处理器；在微处理器中对实时的原始测量数据进行卡尔曼滤波处理，被滤波实时数据时间长度大概在I秒左右，以求得到相对稳定的最接近真实初始状态的测量值，即过滤掉高斯噪声和白噪声的信号值；之后，用上述所得相对稳定的测量值，来初始化陀螺仪传感器的相对三维欧拉坐标的三个角度(即，当前俯仰角、方位角与转动角)，得到初始的测量基准(measurement reference);然后,基于该初始的测量基准，将陀螺仪传感器的测量值通过内部通讯总线输出到微处理器里面存储模块中，并通过外部工业通讯接口和一定的通讯协议输出到实际应用的电子系统当中。在上述实施例中，初始化陀螺仪传感器的数据是稳定的最接近真实测量值的数据，这样就用真实的被测量设备的在自然环境中的方位角(东西南北)，相对地平面的俯仰角与转动角，为陀螺仪传感器建立了一个实际相对测量基准；又因为陀螺仪传感器具有抗电磁干扰、信号稳定不需要再次过滤的特性，整个抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的输出信号在初始化以后就以陀螺仪传感器的测量值为最终地磁传感器模块的最终输出信号。这里，抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的具体结构及性能参见图I的相关说明，在此不再赘述。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，包括微处理器，以及分别与所述微处理器信号连接的地磁传感器、陀螺仪传感器及工业通讯接口。
2.根据权利要求I所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，所述微处理单元包括卡尔曼滤波器、存储模块与主控模块，所述地磁传感器、卡尔曼滤波器、陀螺仪传感器与存储模块依次信号连接，所述主控模块分别与存储模块及工业通讯接口信号连接。
3.根据权利要求I或2所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，还包括用于为电设备供电的电源模块，所述电源模块分别与地磁传感器、微处理器、陀螺仪传感器及工业通讯接口电连接。
4.根据权利要求I或2所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，所述地磁传感器至少包括Holleywell公司的型号为HMC5843的地磁传感器。
5.根据权利要求I或2所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，所述微处理器至少包括Ateml公司的型号为MEGA328P的微处理器。
6.根据权利要求I或2所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，所述陀螺仪传感器至少包括MEMS公司的型号为ITG-3200的陀螺仪传感器。
7.根据权利要求I或2所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元，其特征在于，所述工业通讯接口至少包括RS485接口，相应的通讯协议包括ModBus RTU0
8.一种根据权利要求I所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法，其特征在于，包括采用地磁传感器，对待测对象的初始状态进行实时采集，获取原始测量数据；根据预设时长，对所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理，得到相对稳定的测量值；基于所得相对稳定的测量值，对陀螺仪传感器的相对三维欧拉坐标进行初始化，得到初始的基准测量值；基于初始的基准测量值，采用初始化的陀螺仪传感器，对待测对象进行实时测量，获取实时测量值。
9.根据权利要求8所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法，其特征在于，所述获取实时测量值之后的操作还包括通过工业通讯接口和相应的通信协议，将所得实时测量值进行输出。
10.根据权利要求8或9所述的抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元的实现方法，其特征在于，所述对所得原始测量数据进行卡尔曼滤波处理的操作具体包括采用卡尔曼滤波器，滤除所得原始测量数据中的高斯噪声和白噪声。
全文摘要
本发明公开了一种抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元及其实现方法，该单元包括微处理器，以及分别与所述微处理器信号连接的地磁传感器、陀螺仪传感器及工业通讯接口。本发明所述抗干扰鲁棒性三维空间地磁传感单元及其实现方法，可以克服现有技术中稳定性差、可靠性低与实用性差等缺陷，以实现稳定性好、可靠性高与实用性好的优点。
文档编号G01V3/40GK102590876SQ20121003169
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者宋启明, 李睿 申请人:无锡泰克塞斯新能源科技有限公司