一种三维电子指南针的校准方法与流程

本发明涉及一种三维电子指南针的校准方法。

背景技术

近年来，电子指南针广泛应用于导航、人体姿态测量等场景。由于gps的信号在森林、密集建筑等地方十分微弱，所以通常需要电子指南针来辅助定位。

电子指南针的工作原理是通过磁传感器测量某一方向上地磁的分量强度，确定该传感器与地磁的夹角，从而确定前进方位。然而地磁场属于弱磁场，由于电子指南针周围的磁性材料带来的硬磁干扰和软磁干扰会导致磁传感器的测量值偏离真值。此外，因为传感器本身制作的工艺问题，如轴不正交，也会导致磁传感器的测量值偏离真值。

如果只有地磁的作用，磁传感器三轴输出的数据对应到空间直角坐标系上应该是一个球心在原点的正球。然而，硬磁干扰会使得这个正球变成一个以硬磁干扰量为球心的正球。如果同时考虑地磁、硬磁和软磁的作用，上述正球会变成以硬磁干扰量为球心的椭球。轴不正交产生的干扰可以等效为软、硬磁干扰。因而在使用电子指南针之前需要进行校准，补偿其三轴读出的数据，使其落在球心在原点的正圆球球面上。

现有的三维电子指南针的校准方法，或需要外部设备的帮助，或校准过程要求较高，且大都没有进行软磁补偿。难以满足野外行动的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维电子指南针的校准方法，该方法将电子指南针在空间中做8字运动，即可对软硬磁干扰、轴不正交引起的误差干扰作出补偿，进行电子指南针的校准；该方法使得电子指南针的校准过程更加灵活，精确度更高，满足野外运动的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种三维电子指南针的校准方法，将电子指南针在空间中做8字运动，采集磁传感器的三个轴读出的数据；然后将采集到的数据进行椭球拟合，得到椭球方程和球心坐标；之后再将拟合得到的椭球方程分别投影至三个坐标轴平面，分别求出三个平面上的椭圆的参数：α、b、长轴转角；最后根据所得的参数对新得到的数据进行校准。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：

步骤s1：将电子指南针在空间中做8字运动，使得电子指南针采集到上、下、东、南、西、北八个方位即与空间直角坐标系的八个象限相对应的数据；

步骤s2：进行椭球拟合，采用最小二乘法拟合法求出椭球的10个最佳参数a、b、c、d、e、f、g、i、j和椭球球心坐标(x0,y0,z0)；椭球方程的一般表达式为：

ax²+by²+cz²+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j＝0

分别令上式中的z＝0、x＝0、y＝0，则可分别得椭球在xoy、xoz、yoz面上的投影方程：

ax²+by²+dxy+gx+hy+j＝0

ax²+cz²+exz+gx+iz+j＝0

by²+cz²+fyz+hy+iz+j＝0

步骤s3：根据椭球在xoy面上的投影方程：ax²+by²+dxy+gx+hy+j＝0，求出xoy面上的椭圆的参数：长轴转角θx,y、αx,y和bx,y，计算公式如下：

其中，

g'＝g·cos(θx,y)-h·sin(θx,y)

h'＝g·sin(θx,y)+h·cos(θx,y)

a'＝a·cos²(θx,y)-d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·sin²(θx,y)

b'＝a·sin²(θx,y)+d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·cos²(θx,y)

同理可以求得椭球方程在xoz面和yoz面上各自的椭圆参数θx,z，αx,z，bx,z和θy,z，αy,z，by,z；

步骤s4：根据椭球球心坐标(x0,y0,z0)、以及步骤s3所求参数即可对磁传感器获取的数据进行软硬磁补偿校准。

在本发明一实施例中，所述步骤s4的具体实现过程如下：

步骤s41、消除硬磁干扰：硬磁的干扰使得磁传感器三轴输出的数据偏移固定量，该偏移固定量就是椭球球心(x0,y0,z0)到原点的偏离距离；对磁传感器的三轴受到的硬磁干扰进行硬磁补偿校准，就是将磁传感器的三轴读到的数据分别减去上述的偏移固定量，即为：

xe＝xreading-x0

ye＝yreading-y0

ze＝zreading-z0

其中，xreading、yreading、zreading分别是磁传感器x轴、y轴和z轴新读取的数据，xe,ye,ze是磁传感器三轴消除了硬磁干扰后的数据；

步骤s41、消除软磁干扰：分别对x轴-y轴，x轴-z轴，y轴-z轴进行软磁补偿校准；以x轴-y轴的软磁补偿为例，根据所求得的xoy面上的椭圆的长轴转角θx,y，可得旋转矩阵r：

然后将消除硬磁干扰后的数据旋转至标准椭圆上，具体为：

然后将上述的数据拉伸至正圆上：具体为：

若αx,y>bx,y，有：

xc＝xe0

若bx,y>αx,y，有：

yc＝ye0

最后再将得到的数据xc，yc旋转回去，有：

其中，xc0，yc0即为软硬磁补偿校准后的数据；对x轴-z轴，y轴-z轴的软磁补偿也是同样的道理，如此重复计算后可以得到六个数据，分别是：

为了结果的精确性，对六个数据进行加权平均，得

其中，xvalue，yvalue，zvalue为磁传感器三轴经过软硬磁校准的最终数据。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明中，对电子指南针的校准方法进行了创新：

1、校准过程无需倾角传感器等外部设备辅助，只需在空间中绕8字运动即可；

2、本发明采用最小二乘法拟合椭球，并考虑由于软硬磁干扰引起的椭球旋转和伸缩，对其进行补偿；其中软磁补偿方案是基于椭圆的长轴转角而实现的，比现有的3轴电子指南针校准技术效果更好；

3、在消除软硬磁干扰的同时，本方法也一并消除了磁传感器轴不正交带来的误差干扰；

与现有的校准技术相比，本发明所得的结果更加精确，校准过程也更加灵活，在电子指南针领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为三维电子指南针的校准过程图。

图2为软磁对磁传感器三轴的干扰效果图。

图3为软磁对磁传感器x轴和y轴的干扰效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种三维电子指南针的校准方法，将电子指南针在空间中做8字运动，采集磁传感器的三个轴读出的数据；然后将采集到的数据进行椭球拟合，得到椭球方程和球心坐标；之后再将拟合得到的椭球方程分别投影至三个坐标轴平面，分别求出三个平面上的椭圆的参数：α、b、长轴转角；最后根据所得的参数对进行数据校准。该方法具体实现步骤如下：

步骤s1：将电子指南针在空间中做8字运动，使得电子指南针采集到上、下、东、南、西、北八个方位即与空间直角坐标系的八个象限相对应的数据；

步骤s2：进行椭球拟合，采用最小二乘法拟合法求出椭球的10个最佳参数a、b、c、d、e、f、g、i、j和椭球球心坐标(x0,y0,z0)；椭球方程的一般表达式为：

ax²+by²+cz²+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j＝0

分别令上式中的z＝0、x＝0、y＝0，则可分别得椭球在xoy、xoz、yoz面上的投影方程：

ax²+by²+dxy+gx+hy+j＝0

ax²+cz²+exz+gx+iz+j＝0

by²+cz²+fyz+hy+iz+j＝0

步骤s3：根据椭球在xoy面上的投影方程：ax²+by²+dxy+gx+hy+j＝0，求出xoy面上的椭圆的参数：长轴转角θx,y、αx,y和bx,y，计算公式如下：

其中，

g'＝g·cos(θx,y)-h·sin(θx,y)

h'＝g·sin(θx,y)+h·cos(θx,y)

a'＝a·cos²(θx,y)-d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·sin²(θx,y)

b'＝a·sin²(θx,y)+d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·cos²(θx,y)

同理可以分别求得椭球方程在xoz面和在yoz面上的投影椭圆的参数θx,z，αx,z，bx,z和θy,z，αy,z，by,z；

步骤s4：根据椭球球心坐标(x0,y0,z0)、以及步骤s3所求参数即可对磁传感器获取的数据进行软硬磁补偿校准。所述步骤s4的具体实现过程如下：

步骤s41、消除硬磁干扰：硬磁的干扰使得磁传感器三轴输出的数据偏移固定量，该偏移固定量就是椭球球心(x0,y0,z0)到原点的偏离距离；对磁传感器的三轴受到的硬磁干扰进行硬磁补偿校准，就是将磁传感器的三轴读到的数据分别减去上述的偏移固定量，即为：

xe＝xreading-x0

ye＝yreading-y0

ze＝zreading-z0

其中，xreading、yreading、zreading分别是磁传感器x轴、y轴和z轴新读取的数据，xe,ye,ze是磁传感器三轴消除了硬磁干扰后的数据；

步骤s41、消除软磁干扰：分别对x轴-y轴，x轴-z轴，y轴-z轴进行软磁补偿校准；以x轴-y轴的软磁补偿为例，根据所求得的xoy面上的椭圆的长轴转角θx,y，可得旋转矩阵r：

然后将消除硬磁干扰后的数据旋转至标准椭圆上，具体为：

然后将上述的数据拉伸至正圆上：具体为：

若αx,y>bx,y，有：

xc＝xe0

若bx,y>αx,y，有：

yc＝ye0

最后再将得到的数据xc，yc旋转回去，有：

其中，xc0，yc0即为软硬磁补偿校准后的数据；对x轴-z轴，y轴-z轴的软磁补偿也是同样的道理，如此重复计算后可以得到六个数据，分别是：

为了结果的精确性，对六个数据进行加权平均，得

其中，xvalue，yvalue，zvalue为磁传感器三轴经过软硬磁校准的最终数据。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明提供了一种便捷、精确三维电子指南针校准方法，该方法只需将电子指南针在空间中做8字运动，即可对软硬磁干扰、轴不正交引起的误差干扰作出补偿，进行电子指南针的校准。该方法使得电子指南针的校准过程更加灵活，精确度更高，满足野外运动的要求。

三维电子指南针的校准过程如图1所示：先将电子指南针在空间中做8字运动，采集磁传感器的三个轴读出的数据；然后将采集到的数据进行椭球拟合，得到椭球方程和球心坐标；之后再将拟合得到的椭球方程分别投影至三个坐标轴平面，分别求出三个平面上的椭圆参数：α、b和长轴转角；最后根据既得的参数对新的数据进行校准。整个过程校准过程无需额外的倾角传感器或其他设备辅助。

将电子指南针在空间中做8字运动，需尽量使电子指南针采集到上、下、东、南、西、北八个方位(和空间直角坐标系的八个象限相对应)的数据。这样拟合出来的椭球精确度更高。椭球方程的一般表达式为：

ax²+by²+cz²+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j＝0

所述的椭球拟合过程，采用最小二乘法拟合法求出椭球的10个最佳参数a,b,c,d,e,f,g,i,j和椭球球心坐标(x0,y0,z0)。

得到椭球方程的一般表达式后，分别将椭球投影至空间直角坐标系的三个坐标平面：xoy面、xoz面和yoz面。以椭球投影至xoy面为例，只需将椭球一般表达式：

ax²+by²+cz²+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j＝0

中的x变量取0，即可得椭球在xoy面上的投影方程：

ax²+by²+dxy+gx+hy+j＝0

以此类推，可以分别得到椭球在xoz、yoz面上的投影方程：

ax²+cz²+exz+gx+iz+j＝0

和

by²+cz²+fyz+hy+iz+j＝0

在只有地磁的作用时，将电子指南针在空间中旋转一周，磁传感器三轴输出的数据对应到空间直角坐标系上是一个以原点为球心的正圆球。而软磁的干扰会使得该正球畸变成椭球，软磁的干扰效果如图2所示。以软磁对x轴和y轴的干扰分析为例，如图3所示，如果只有地磁作用，磁传感器的x轴和y轴在水面上旋转一周后，输出的数据对应到直角坐标系上是一个圆心在原点的正圆形，然而软磁的干扰将两轴的数据拉伸为椭圆，并将该椭圆旋转了一定的角度，即软磁干扰下的椭圆并非标准椭圆，它具有一定的长轴转角。为消除软磁干扰，需要将椭圆旋转回标准椭圆，然后按照长轴和短轴的比例，将椭圆拉伸为正圆。z轴的软磁干扰和补偿校准亦同理。所以，若要对磁传感器的三轴输出的数据进行精准的软磁校准，就必须分别求出三个坐标平面上的椭圆参数：α、b、长轴转角θ。

获得三个坐标平面上的椭圆的方程一般表达式后，即可分别根据椭圆一般方程的参数求出每个坐标平面上的椭圆参数：α，b和长轴转角θ。以xoy面为例，三个参数的计算公式如下：

其中，

g'＝g·cos(θx,y)-h·sin(θx,y)

h'＝g·sin(θx,y)+h·cos(θx,y)

a'＝a·cos²(θx,y)-d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·sin²(θx,y)

b'＝a·sin²(θx,y)+d·cos(θx,y)·sin(θx,y)+b·cos²(θx,y)

同理可以求得xoz面和yoz面上各自的参数θx,z，αx,z，bx,z和θy,z，αy,z，by,z。

上述步骤所求得的椭球的球心和每个坐标平面上的椭圆的三个参数(共九个)即为电子指南针的软硬磁补偿校准所必需的补偿系数。之后磁传感器获取的数据都必须经过软硬磁补偿校准，具体的校准方法如下：

硬磁的干扰使得磁传感器三轴输出的数据偏移一个固定量，这个偏移量就是椭球球心(x0,y0,z0)到原点的偏离距离。以传感器的x轴读出的数据为例，新读出的数据是偏移了x0。

传感器的y轴和z轴读出的数据同理。对磁传感器的三轴受到的硬磁干扰进行硬磁补偿校准，就是将磁传感器的三轴读到的数据分别减去上述的偏移量，即为：

xe＝xreading-x0

ye＝yreading-y0

ze＝zreading-z0

其中，xreading,yreading,zreading分别是磁传感器x轴、y轴和z轴新读取的数据，x0,y0,y0是拟合后的椭球球心坐标，xe,ye,ze是磁传感器三轴消除了硬磁干扰后的数据。

为消除软磁干扰，本方法中分别对x轴-y轴，x轴-z轴，y轴-z轴进行软磁补偿校准。以x轴-y轴的软磁补偿为例，根据所求得的xoy面上的椭圆的长轴转角θx,y，可得旋转矩阵r：

然后将消除硬磁干扰后的数据旋转至标准椭圆上，具体为：

然后将上述的数据拉伸至正圆上。具体为：

若αx,y>bx,y，有：

xc＝xe0

若bx,y>αx,y，有：

yc＝ye0

最后再将得到的数据xc,yc旋转回去，有：

其中xc0，yc0即为软硬磁补偿校准后的数据。对x轴-z轴，y轴-z轴的软磁补偿也是同样的道理，如此重复计算后可以得到六个数据，分别是：

为了结果的精确性，本方法中对六个数据进行加权平均，得

其中，xvalue,yvalue,zvalue为磁传感器三轴经过软硬磁校准的最终数据。

由于轴不正交的干扰和软硬磁干扰在数学上的效果等同，所以上述过程也消除了磁传感器轴不正交所带来的干扰。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。