一种校准磁力计的装置和方法与流程

本发明属于航空用磁力计领域，具体涉及一种校准磁力计的装置和方法。

背景技术：

磁力计又称电子罗盘，是飞机、无人机等航空器上常用的寻北设备。然而当航空器周围有大电流或铁磁设备时，磁力计容易受到干扰，导致指北偏航角的计算存在误差，所以需要对磁力计进行校准。

传统的校准方法是拖动飞机在地面上旋转一圈进行校准，该方法在飞机较大时实施困难，并且当在空中飞行时遇到干扰时就不能进行校准操作。

技术实现要素：

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种校准磁力计的装置和方法，其目的在于能够方便的对磁力计进行校准，且能在飞行过程中对磁力计进行实时校准并计算校准结果。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种校准磁力计的装置，包括电机、磁力计电路板和导电滑环，所述磁力计电路板安装在电机的电机轴上，磁力计电路板与导电滑环电连接，导电滑环用于给磁力计电路板供电。

进一步地，所述磁力计电路板包括磁力计、处理器、供电输入接口和数据接口，所述磁力计用于采集数据，所述处理器用于接收磁力计采集的数据并进行运算处理，所述数据接口与处理器连接，数据接口用于将处理器运算处理得到的数据导出，所述供电输入接口与磁力计和处理器电连接，供电输入接口给磁力计和处理器供电。

进一步地，所述磁力计电路板的中心线与电机轴的轴线重合。

进一步地，所述电机为步进电机或伺服电机。

一种校准磁力计的装置的校准方法，包括以下步骤：

s1：触发校准装置，电机开始旋转，磁力计采集周围磁场的磁力数据；

s2：处理器获取s1中磁力计采集的数据，并根据磁力计采集的数据运行校准算法获得校准参数；

s3：根据s2中获得的校准参数对磁力计进行校准。

进一步地，所述s1中，在飞行前通过人工触发校准装置，飞行时自动触发校准装置，让电机旋转；

人工触发校准装置的方式为手动控制电机旋转；

自动触发校准装置的方式为，预先在处理器中设定阈值范围，并计算磁力计的磁场向量模值，判断磁场向量模值是否在阈值范围内；若不在，则触发校准装置，电机旋转。

进一步地，所述s2中，校准算法为运行递推最小二乘算法，步骤为：

s21：设磁力计采集的数据为mx'和my'，真值为mx和my，所述真值为没有误差的值；

令mx＝k1*mx'+b1，my＝k2*my'+b2；

其中：k1，b1，k2，b2为要求的干扰系数；

根据mx²+my²＝c²，可以得到：

k1²*mx'²+k2²*my'²+2*k1*b1*mx'+2*k2*b2*my'＝c²-b1²-b2²(公式1)

其中：c为当地水平磁场强度，是已知恒值；

s22：根据s21中的公式1，设n＝c²-b1²-b2²，

公式1两边同时除以n后，

设x＝[k1²/n，k2²/n，2*k1*b1/n，2*k2*b2/n]，x为列向量；

设h＝[mx'²，my'²，mx'，my']，h为行向量；z＝1；

s23：求取x，步骤为：

s231：求取协方差p，

p＝plast-plast*h'*inv(1+h*plast*h')*h*plast

其中：h'为h的转置矩阵，inv为求逆矩阵运算，plast为协方差p在上次循环求得的值，plast的初值选取k*i4，i4为4阶单位矩阵，k为常数，取值为c/10或c/5；

s232：根据步骤s231中的协方差p，求取x，

x＝xlast+p*h'*(z-h*xlast)；

其中：xlast为上次x在上次循环求得的值，xlast取[0，0，0，0]列向量；

s233：传递p和x，令plast＝p，xlast＝x；

s234：循环s231～s234，直至电机旋转一圈后，终止循环，执行s24；

s24：求取k1，b1，k2，b2系数，步骤为：

s241：根据s23中求取的x的值，求取n，

n＝c²/(1+x(3)²/x(1)/4+x(4)²/x(2)/4)

其中：x(1)～x(4)是x列向量中从左到右依次对应的元素；

s242：根据s241中求取的n的值，求取k1和k2，

k1＝sqrt(x(1)*n)，k2＝sqrt(x(2)*n)，

其中：sqrt()为求取平方根运算；

s243：根据s242中求取的k1和k2的值，求取b1和b2，

b1＝x(3)*n/(2*k1)，b2＝x(4)*n/(2*k2)。

进一步地，所述s3中，处理器向磁力计输入mx和my，mx＝k1*mx'+b1，my＝k2*my'+b2。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明磁力计电路板安装在电机的电机轴上，磁力计电路板与导电滑环电连接，电机旋转带动磁力计电路板旋转，不需要转动飞机即可完成磁力计校准，且在飞行过程中可以在线识别磁力计干扰自动开启校准，对磁力计进行实时校准并计算校准结果。当在地面上需要校准磁力计时，通过手动触发校准装置，此时电机会开始旋转，处理器获取磁力计采集的数据，运行校准算法获得校准参数，根据获得的校准参数对磁力计进行校准，当电机旋转一圈完成后，磁力计校准完毕，该方法省去了传统校准磁力计时需要转动飞机的操作，省时省力；当飞机在飞行过程中突然遇到强干扰时，该装置可以通过自动触发校准装置，电机会开始旋转，处理器获取磁力计采集的数据，运行校准算法获得校准参数，根据获得的校准参数对磁力计进行校准，当电机旋转一圈完成后，磁力计校准完毕，该方法为空中飞行时磁力计受到干扰时提供了解决方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明的结构示意图；

图2是本发明的磁力计电路板示意图；

图3是本发明的操作流程图。

图中：1-电机；2-电机轴；3-磁力计电路板；4-导电滑环；5-磁力计；6-处理器；7-供电输入接口；8-数据接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种校准磁力计的装置，包括电机1、电机轴2和导电滑环4，作为本发明的某一优选实施例，电机1选用步进电机或伺服电机(或其他类型的电机)，将磁力计电路板3安装在步进电机的电机轴2上，磁力计电路板3的端面与电机轴2相互垂直安装；当磁力计电路板3随电机轴2一起旋转时，为了防止磁力计电路板3上连接的供电线和数据线不被缠绕，将磁力计电路板3的供电线和数据线通过导电滑环4连接，导电滑环4给电路板3供电。另外，为了防止电机旋转时产生的磁场对磁力计电路板3的干扰，将电机轴2做加长处理。

如图2所示，磁力计电路板3的主要器件包括磁力计5、处理器6、供电输入接口7和数据接口8，供电输入接口7与磁力计5和处理器6连接，用于给磁力计5和处理器6供电，磁力计5用于采集磁场数据，处理器6获取磁力计5采集的数据后，根据采集到的数据运行校准处理算法，并将校准后的磁场数据通过数据接口8输出。

如图3所示，基于本发明的一种校准磁力计的装置的操作流程为，可以通过人工触发校准装置，也可以根据磁力计的模值与预设的阈值比较，根据比较结果判断干扰是否超出阈值，若超出阈值则自动触发校准装置；当触发校准装置后，处理器给步进电机脉冲信号，让步进电机开始旋转，进而带动磁力计电路板3一起旋转，这样磁力计5就可以旋转采集周围磁场数据，并将采集到的数据发送给处理器6，处理器6根据获取的数据，通过递推最小二乘算法进行实时处理，当电机停止旋转后，处理器将最小二乘算法得到的磁力计校准参数发送给磁力5，进而对磁力计进行校准。

地球磁场在某一地区是一恒值，所以将磁力计水平旋转一圈，绘制xy轴数据会得到一个正圆，即mx²+my²＝c²。

设磁力计6采集的数据为mx'和my'，真值为mx和my；如果磁场存在干扰，磁力计6采集的值为mx'＝k1*mx+b1，my'＝k2*my+b2；则绘制出的图形是一个椭圆，即图像变成了(k1*mx+b1)²+(k2*my+b2)²＝c1²；求取椭圆的相关系数，自然就能得到磁场的干扰系数。

本发明的一种校准磁力计的装置的校准方法，包括以下步骤：

s1：触发校准装置，电机1开始旋转，磁力计5采集周围磁场的磁力数据；

具体的，可通过人工触发校准装置或自动触发校准装置，让电机1旋转；

人工触发校准装置，即手动控制电机1旋转；

自动触发校准装置，即预先在处理器6中设定阈值范围，并计算磁力计的磁场向量模值，判断磁场向量模值是否在阈值范围内；若不在，则触发校准装置，电机开始旋转；

阈值范围的设定需根据无人机所在具体的地理位置来设定；

s2：处理器6获取s1中磁力计5采集的数据，根据采集到的数据运行递推最小二乘算法，得到校准参数；

运行递推最小二乘算法的步骤为：

s21：设磁力计6采集的数据为mx'和my'，真值为mx和my，真值即为没有误差的值；

令mx＝k1*mx'+b1，my＝k2*my'+b2；

其中：k1，b1，k2，b2为要求的干扰系数；

根据mx²+my²＝c²，可以得到

k1²*mx'²+k2²*my'²+2*k1*b1*mx'+2*k2*b2*my'＝c²-b1²-b2²(公式1)

其中：c为当地水平磁场强度，是已知恒值；

s22：根据s21中的公式1，设n＝c²-b1²-b2²，

公式1两边同时除以n后，

设x＝[k1²/n，k2²/n，2*k1*b1/n，2*k2*b2/n]，x为列向量；

设h＝[mx'²，my'²，mx'，my']，h为行向量；z＝1；

s23：求取x，步骤为：

s231：根据磁力计采集的数据h＝[mx'²，my'²，mx'，my']，求取协方差p，

p＝plast-plast*h'*inv(1+h*plast*h')*h*plast

其中：h'为h的转置矩阵，inv为求逆矩阵运算，plast为协方差p在上次循环求得的值，plast的初值选取k*i4，i4为4阶单位矩阵，k为常数，取值为c/10或c/10，通常k为较大常数；

s232：根据步骤s231中的协方差p，求取x，

x＝xlast+p*h'*(z-h*xlast)；

其中：xlast为上次x在上次循环求得的值，xlast取[0，0，0，0]列向量；

s233：传递p和x，令plast＝p，xlast＝x；

s234：循环s231～s234，直至电机旋转一圈或若干圈；

s24：求取k1，b1，k2，b2系数，步骤为：

s241：根据s23中求取的x的值，求取n，

n＝c²/(1+x(3)²/x(1)/4+x(4)²/x(2)/4)

其中：x(1)～x(4)是x列向量中从左到右依次对应的元素；

s242：根据s241中求取的n的值，求取k1和k2，

k1＝sqrt(x(1)*n)，k2＝sqrt(x(2)*n)，

其中：sqrt()为求取平方根运算；

s243：根据s242中求取的k1和k2的值，求取b1和b2，

b1＝x(3)*n/(2*k1)，b2＝x(4)*n/(2*k2)；

s3：根据s2中得到的校准参数对磁力计5进行校准，处理器6向磁力计5输入mx和my，mx＝k1*mx'+b1，my＝k2*my'+b2。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。