一种磁传感器校准装置和方法与流程

【技术领域】

本发明涉及传感器检测技术领域，特别是涉及一种磁传感器校准装置和方法。

背景技术：

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。基于微机电系统(micro-electro-mechanicsystem，简写为：mems)的磁传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低、易于大规模生产等优点，已在手机、行人导航等领域。其原理大多基于各向异性磁阻(anisotropicmagnetoresistance，简写为：amr)技术，用于检测地磁场，并与加速度计组合成我们熟悉的电子罗盘，用于确定运动物体的航向。

然而地磁场十分微弱，一般只有0.5高斯，而与一个普通的手机喇叭相距2厘米时会有大约4高斯的磁场，与手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场。使用电子设备中的磁传感器测量地磁场时很容易受到外界的磁场干扰而导致测量不准，进而影响航向估计精度。因此，使用磁传感器实现对地磁场的准确测量之前必须对磁传感器进行校准。在没有复杂磁场测量设备的情况下很难得到不同方位上的地磁场分量(即磁传感器的输入值)作为参考标准。

虽然通过价格昂贵的精确磁场测量转台也可以对磁传感器进行误差校准，但更严峻的问题在于，即使已经在室内转台上进行过校准的磁传感器一样不适用于外部磁场干扰过大的使用场合，需要重新进行磁传感器校准。因此，通过磁场测量转台校准磁传感器具有很大局限性，无法实现就地校准，不便于实际使用。

传统的磁传感器现场校准方法主要有平面椭圆校准方法和三维椭球校准方法。用于测量地磁的磁传感器的一般是三轴传感器，如图1所示，磁传感器绕z轴在xy平面做圆周运动时测得的地磁场在xy平面的投影轨迹由标准圆表示。在没有任何外界磁场干扰时，可以用一个以o(0，0)为中心、地磁强度大小为半径的标准圆表示此轨迹。当存在外界磁场干扰时，磁传感器测得到的磁场强度α为该点地磁场β与附加磁场γ之和。记作：

α测量值＝β地磁场+γ附加磁场

外部干扰磁场γ在短时间范围内可以看成一个恒定矢量，计算求出γ即可实现磁传感器的校准，以排除外界磁场干扰对航向角估计的影响。

得到xy平面内的圆心的位置为((xmax+xmin)/2,(ymax+ymin)/2)。同样将设备在xz平面内旋转可以得到地球磁场在xz平面上的轨迹圆，这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx,γy,γz)。

对于椭球校准，一般情况下，当磁传感器在空中各个方向旋转时，测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球，所有的采样点都落在这个球的表面上，这一点同两维平面内投影得到的圆类似。这种情况下，磁传感器的输出满足下式：

(x-γx)²+(y-γy)²+(z-γz)²＝r²

通过最小二乘法拟合即可得到o(γx,γy,γz)，即固定磁场干扰矢量的大小及方向。

目前最常用的磁传感器校准方法主要基于椭球拟合校准，如智能手机上使用指南针之前需要进行画“∞”字校准法。此类校准方法无需辅助测量设备，操作简单易行且对磁传感器校准十分有效。然而，这种方法最大的不足之处在于采用椭球拟合校准时磁传感器的敏感轴会与加速度计等其他惯性传感器的敏感轴不重合而带来新的航向估计误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是高精度的无磁转台虽然能够实现磁传感器的精确校准，适用于生产厂家的出厂校准，但是不适合磁传感器受到干扰后的加工现场校准。平面校准方法和椭球拟合校准本质上类似，均采用数学上的拟合方法求得假设误差模型参数的最优解，没有考虑到物理实际上的传感器敏感轴一致。采用椭球拟合校准时磁传感器的敏感轴可能会与加速度计等其他传感器的敏感轴不重合而带来新的航向估计误差。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种磁传感器校准装置，装置由不导磁的铝合金加工而成，包含多个由预设角度组成的用于与完成放置的端面，其中，所述装置的底部设置有用于放置待检测磁传感器的一个或者多个固定底座，各固定底座的底部设置有相应磁传感器的供电端口和数据端口，具体的：

所述待测磁传感器为已校验完成的加速度传感器封装完成的单元主体；或者，

所述装置上还设置有用于固定已校验完成的加速度传感器的预设底座。

优选的，在各端面之间的中心线相连后所构成的截面上，中心线与各端面两边相交点到装置的外接圆圆心构成所述预设角度，且预设角度的范围为30°-45°。

优选的，所述端面上各自设置有至少两个固定用凹槽，所述固定用凹槽用于嵌入固定台面上拥有相同数量的固定脚，完成所述校准装置的固定。

优选的，所述至少两个固定用凹槽中包括供电电极和数据电极，所述供电电极和数据电极分别通过导线与设置在装置底部上的各底座的供电端口和数据端口相连。

第二方面，本发明还提供了一种磁传感器校准方法，所述方法包括：

将已经完成校准的加速度传感器和待检测的磁传感器设置在同一检测环境中；

获取两者的检测数据，并依据检测得加速度数据和磁场数据的点乘为常量的理论，建立所述加速度传感器和所述磁传感器的检测数据的第一等式；

将所述第一等式转换为由各待校准参数构成的第一函数式，并将多组检测数据带入所述第一函数式，求解得到所述磁传感器的检测结果。

优选的，所述第一等式为：a·u＝a^tly-a^td＝常数，其中，u是磁传感器的输入，即理论上校准完成后的磁传感器输出值；a为加速度计经过校准后测得的是重力值。

优选的，所述第一函数式为：

其中，h表示磁传感器复合误差矩阵，bias为磁传感器偏置矩阵；则所述求解得到所述磁传感器的检测结果包括最小二乘法。

优选的，所述已经完成校准的加速度传感器的校准方法具体包括：

将待测的一个或者多个加速度传感器固定在校准装置中；

按照预设的计算方法，选择校准装置的至少12个端面分别固定，并完成相应数据采集；

将采集到的数据分别带入各加速度传感器的计算等式中，计算得到对应各加速度传感器的包括零偏、标度因数、轴间误差和比例因子中一个或者多个参数的校准结果。

优选的，所述将采集到的数据分别带入各加速度传感器的计算等式中，具体为：

将采集得到的数据代入等式：yk＝sktkmkuk+bk计算得到标度因数误差和轴间误差；

其中k表示不同类型的传感器，uk表示理想坐标系下的被测物理量，yk表示传感器原始输出值向量，bk表示传感器偏置向量，sk表示传感器标度因数矩阵，tk和mk分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵。

优选的，所述校准装置包括相互之间中心垂直的三个柱体，三个柱体的六个顶面构成校准时候固定用的主端面；

三个柱体在中心垂直位置各自被分成两节，并且各节柱体之间设置有连接块，所述连接块的表面为扇形或者多边形，且厚度参考柱体的经长或者边长设计；其中，相邻的三节柱体之间的连接块组成一镂空椎体空间，所述椎体中相交于椎顶的三个斜面用于放置待测的加速度传感器。

本发明提出了一种新颖的磁传感器校准方法和装置。其中方法在预先校准了加速度传感器的基础上，利用加速度传感器的采集得到的重力向量和完成校准后的磁传感器采集得到的磁场向量的点乘为常数的理论依据建立第一函数，并通过带入加速度传感器的采集数据和磁传感器的检测数据(即未完成校准的磁传感器的采集数据)，计算得到校准参数值。本发明提出的方法克服了现有技术中存在的仅通过磁传感器自身检测数据完成校准过程所带来的传感器敏感轴一致性问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的现有技术中的磁传感器xy平面磁力线投影轨迹示意图；

图2是本发明实施例提供的一种磁传感器校准装置结构主视图；

图3是本发明实施例提供的一种磁传感器校准装置结构仰视图；

图4是本发明实施例提供的一种磁传感器校准装置结构俯视图；

图5是本发明实施例提供的一种磁传感器校准装置的端面剖视图；

图6是本发明实施例提供的一种带凹槽结构的磁传感器校准装置结构主视图；

图7是本发明实施例提供的一种磁传感器的校准方法流程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种加速度传感器的校准方法流程示意图；

图9是本发明实施例提供的一种传感器误差模型示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有技术中：

通常三轴mems磁传感器的误差模型可以写成如下形式：

y3×1＝h3×3·u3×1+bias3×1

其中u表示传感器的输入向量；h为传感器的复合误差校准矩阵，包含传感器的标度因数误差和轴间误差，bias为传感器的零偏，y表示传感器输出向量。假设l＝h^-1、d＝h^-1·bias，则由上式可得：

u＝ly-d

虽然真实的地磁分量我们很难知道，但是地磁场u的模值是恒定已知的。即：

||u||²＝(ly-d)²＝(ly-d)·(ly-d)＝y^tl^tly-2d^tly+d^td＝常数

由不同的磁传感器测量值yi确定l和d，使得最小，此时即可使用最小二乘法椭球拟合方法仅为数学形式上的最优解，校准完成之后很难保证磁传感器的轴线方向与惯性传感器的轴线一致。

发明人根据地球上某一点的重力加速度g与地磁场强度h均为已知量，得出这两个矢量的点乘g·h为常数。假设磁传感器在k个静态位置的输出值矩阵为设此时对应的加速度计输出为可得加速度计输出和磁传感器输出满足式：

a·u＝a^tly-a^td＝常数

u是磁传感器输入，即地磁场值h；加速度计经过校准后测得的是重力值g，因此上式成立。此时根据不同方向上的磁传感器输出ym和加速度计输出am，可由最小二乘法确定l和d，使得

最小。

本发明所提出的校准方法充分利用了重力场信息，可以使磁传感器的敏感轴和加速度计的敏感轴保持一致，实现真正意义上的磁场精确校准。

接下来将通过具体实施例给予阐述所述校准方法，以及用于支撑所述校准方法的相关装置(例如实施例1)和辅助方法(例如实施例3)。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种磁传感器校准装置，如图2-图4所示，装置由不导磁的铝合金加工而成，包含多个由预设角度组成的用于与完成放置的端面(如图2所示)，其中，所述装置的底部设置有用于放置待检测磁传感器的一个或者多个固定底座(如图4所示)，各固定底座的底部设置有相应磁传感器的供电端口和数据端口，具体的：

所述待测磁传感器为已校验完成的加速度传感器封装完成的单元主体(例如：图4所示的待校准传感器模块即为由待检测磁传感器和已完成校准的加速度传感器封装完成)；或者，

所述装置上还设置有用于固定已校验完成的加速度传感器的预设底座(如图2所示)。其中，预设底座的数量可以是一个或者多个，其中，若预设底座的数量为多个则可以通过根据每一个加速度传感器的检测数据求解得到一组磁传感器的校准值，并通过求均值的方式，进一步提高磁传感器最终校准结果的准确度。

本发明实施例所提出的装置可以配合实施例2中所要提出的磁传感器校准方法在预先校准了加速度传感器的基础上，利用加速度传感器的采集得到的重力向量和完成校准后的磁传感器采集得到的磁场向量的点乘为常数的理论依据建立第一函数，并通过带入加速度传感器的采集数据和磁传感器的检测数据(即未完成校准的磁传感器的采集数据)，计算得到校准参数值。本发明实施例所提出的装置能够在配合实施例2所述的方法基础上，克服了现有技术中存在的仅通过磁传感器自身检测数据完成校准过程所带来的传感器敏感轴一致性问题。

在本发明实施例中，在各端面之间的中心线相连后所构成的截面上，中心线与各端面两边相交点到装置的外接圆圆心构成所述预设角度，且预设角度的范围为30°-45°。如图5所示，为预设角度采用30°时的效果示意图，其中，除了量测的端面外(这两面通常不会作为固定用的端面)，其余各端面的两边到圆心的夹角均为30°。

在本发明实施例中，存在一种优选的实现方案，不仅可以改善校准装置的水平放置稳定性，而且可以进一步解决校准装置中各待检测的磁传感器的供电问题，如图6所示，所述端面上各自设置有至少两个固定用凹槽，所述固定用凹槽用于嵌入台面上拥有相同数量的固定脚，完成所述校准装置的固定。

为了能够获得上述供电以及数据传输功能，则所述至少两个固定用凹槽中包括供电电极和数据电极，所述供电电极和数据电极分别通过导线与设置在装置底部上的各底座的供电端口和数据端口相连。

实施例2:

在提供了如实施例1所述的磁传感器校准方法之后，本发明实施例还提供了一种磁传感器校准方法。本发明实施例所提出的磁传感器校准方法可以适用于实施例1所述的校准装置，同样也可以适用于其他普通的校准装置(但是考虑到对外界干扰和校准的便捷性来说，优选本发明实施例1所提出的校准装置)，如图7所示，所述方法包括：

在步骤201中，将已经完成校准的加速度传感器和待检测的磁传感器设置在同一检测环境中。

所述同一检测环境可以是如实施例1所述的检测装置上。其中，加速度传感器和磁传感器可以是已经封装完成的对象，还可以是相互之间独立的元器件(即未封装在一起的形式)。

在步骤202中，获取两者的检测数据，并依据检测得加速度数据和磁场数据的点乘为常量的理论，建立所述加速度传感器和所述磁传感器的检测数据的第一等式。

在步骤203中，将所述第一等式转换为由各待校准参数构成的第一函数式，并将多组检测数据带入所述第一函数式，求解得到所述磁传感器的检测结果。

本发明实施例提出了一种新颖的磁传感器校准方法，在预先校准了加速度传感器的基础上，利用加速度传感器的采集得到的重力向量和完成校准后的磁传感器采集得到的磁场向量的点乘为常数的理论依据建立第一函数，并通过带入加速度传感器的采集数据和磁传感器的检测数据(即未完成校准的磁传感器的采集数据)，计算得到校准参数值。本发明实施例提出的方法克服了现有技术中存在的仅通过磁传感器自身检测数据完成校准过程所带来的传感器敏感轴一致性问题。

在本发明实施例中，所述第一等式为：a·u＝a^tly-a^td＝常数，其中，u是磁传感器的输入，即理论上校准完成后的磁传感器输出值；a为加速度计经过校准后测得的是重力值。

在本发明实施例中，所述第一函数式为：其中，h表示磁传感器复合误差矩阵，bias为磁传感器偏置；则所述求解得到所述磁传感器的检测结果包括最小二乘法、牛顿迭代法。

实施例3:

本发明实施例还提供了一种加速度传感器的校准方法，所述校准方法使用如实施例1所述的加速度传感器的校准装置，如图8所示，所述方法还包括：

在步骤301中，将待测的一个或者多个加速度传感器固定在校准装置中；如图2所示的校准装置(此时，预设底座可以布满如图2所示的整个面)。

在步骤302中，按照预设的计算方法，选择校准装置的至少12个端面分别固定，并完成相应数据采集。为了增加所述检测端面的数量(如图2所示的有效的端面数量为9个)，可以进一步减少如图2所示校准装置的端面与圆心的夹角(例如20°)。其中，本发明实施例4将提供一种可适用于加速度传感器校准的校准装置。

在步骤303中，将采集到的数据分别带入各加速度传感器的计算等式中，计算得到对应各加速度传感器的包括零偏、标度因数、轴间误差和比例因子中一个或者多个参数的校准结果。

本发明实施例设计了可用于加速度计的校准方法。可以实现加速度计的零偏、标度因数和比例因子等完整的误差校准。另一方面，本发明实施例的校准方法可以实现使用单个检测器件，同一时间对尽可能多地加速度传感器进行校准，提高了校准效率。

对于多轴传感器，传感器的各敏感轴理论上应该保持垂直正交。进一步地，对于多传感系统，应该保持各传感器之间相互垂直安装，且各传感器的敏感轴应该对齐到统一的参考坐标系，然而传感器由于生产工艺和芯片贴装过程误差导致的包括轴间非正交和不对齐在内的各种交叉耦合误差难以避免。如图9所示，使用传感器误差模型来描述传感器的误差传播特性。

图9中下标k表示不同类型的传感器。uk表示理想坐标系下的被测物理量，yk表示传感器原始输出值向量。bk表示传感器偏置向量：

sk表示传感器标度因数矩阵(其中，标度因数是加速度传感器输出量与输入角速率的比值)：

tk和mk分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵，是主要的交叉耦合误差项。综上，传感器的原始输出值与被测物理量的关系可以表示为：

yk＝sktkmkuk+bk(1-3)

通常得到多个测试点的传感器输出值之后，采用最小二乘法通过对1-3式进行处理，我们通过两步参数估计方法来简化传感器确定性误差参数的最优化处理过程。首先，定义一个复合误差矩阵hk，满足：

hk＝sktkmk(1-4)

来代替单独估计标度因数矩阵sk、正交化矩阵tk和对齐矩阵mk。通过这种简化，传感器确定性误差模型式(1-3)中没有被考虑到的线性时变误差也将得到校准。

当传感器处于静止状态时，在不考虑科里奥利加速度的情况下仅仅只有重力加速度作用到加速度计上，保持传感器处于w个不同的位置，加速度计在w个位置下的输出定义为其中表示第i个位置下的加速度计输出。假设加速度计在w个位置下的姿态角分别为φi和θi(i＝1,2,...,w)，根据静止状态下加速度计输入值和重力加速度的关系：

其中表示第i个位置下的作用在加速度计上的重力加速度输入，即被测加速度。展开式(1-5)可以得到不同位置处精确的输入加速度的值

将总的输入加速度定义为加速度计不同位置下总的偏置向量定义为ba|3×w＝r(ba)(r()函数表示ba的每一列元素设置为加速度计的偏置ba)。加速度计的偏置向量以及复合误差矩阵可以按式(1-7)进行迭代估计直到收敛。

式中表示(ya-haua)的第i列元素。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。