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1、(10)申请公布号 CN 102252689 A (43)申请公布日 2011.11.23 CN 102252689 A *CN102252689A* (21)申请号 201010176346.9 (22)申请日 2010.05.19 G01C 25/00(2006.01) G01C 17/32(2006.01) (71)申请人 北京国浩传感器技术研究院 ( 普通 合伙 ) 地址 100045 北京市三里河 54 号科学技术 部办公楼 578 室 (72)发明人 张俊梅 刘硕 韩跃 段远征 余勇 雷卫武 (54) 发明名称 一种基于磁传感器的电子罗盘校准方法 (57) 摘要 本发明公开了一种电。
2、子罗盘全方位校准方 法。 采用卡尔曼滤波算法， 对加速度计与陀螺仪数 据进行滤波处理， 使得磁传感器倾角补偿效果好， 能够进行静态校准， 同时也可进行动态校准。利 用 IGRF 模型可以计算地磁场强度， 基于椭球假设 的软硬磁修正模型参数估计器利用此数据及磁传 感器测量模型得到软磁干扰矩阵、 硬磁干扰向量 的近似估计。 在软硬磁修正的递归算法中， 假设软 磁干扰矩阵是参数均未知的上三角矩阵， 建立数 据模型更符合软磁干扰特征 ； 同时， 其参数初始 值为基于椭球假设的软硬磁修正模型参数估计器 计算结果， 使得初始值不再是在无软硬磁干扰假 设下给出， 与参数真值接近， 能够加快迭代收敛速 度， 。
3、使得校准点选择相对自由。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 4 页 CN 102252695 A1/2 页 2 1. 一种基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 用以实现精确导航的目的， 包括以下步骤 ： 采集三轴加速度计数据、 两轴陀螺仪数据、 三轴磁传感器数据 ； 加速度计数据通过低通数字 滤波器进行处理 ； 陀螺仪数据通过数字滤波器进行处理 ； 磁传感器数据通过低通数字滤波 器进行处理 ； 滤波后加速度计数据进行姿态角解算， 得到俯仰角数据、 翻滚角数据 ； 滤波后 陀螺仪数据得到俯仰角速度、 翻滚角速。
4、度， 并与姿态角解算数据进行匹配 ； 俯仰角、 俯仰角 速度数据进入卡尔曼滤波器 ； 翻滚角、 翻滚角速度数据进入卡尔曼滤波器 ； 滤波后磁传感 器数据进入线性化处理器 ； 线性化处理后的磁传感器数据进入磁数据校准 ； 利用校准后的 磁传感器数据， 以及卡尔曼滤波后的俯仰角数据、 翻滚角数据， 实现磁数据坐标变换， 得到 磁水平三分量值 ； 由磁水平三分量值计算校准的航向角。 2. 如权利要求 1 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的磁数 据校准过程包括以下步骤， 由 IGRF 模型计算出地磁三分量值， 结合线性化处理的磁传感器 数据， 进入基于椭球假设的软硬磁修正模。
5、型参数估计器 ； 再进入接受新的线性化处理的磁 传感器数据， 采用递归最小二乘方法剔除软硬磁干扰影响。 3. 如权利要求 1 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的加速 度计用于测量重力加速度在加速度计垂直三分量方向的分量， 其三分量的合向量大小应与 地球重力加速度相同， 然而， 电子罗盘在有加速度的情况下， 则加速度三轴分量测量值失 真， 融合陀螺仪数据， 能够补偿加速度计三轴数据 ； 同时加速度计数据也补偿了陀螺仪由时 间积累造成的误差。 4. 如权利要求 1 或 3 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的卡尔曼滤波能够消除加速度计、 陀螺仪。
6、数据噪声， 以及异常数据的影响， 提高俯 仰角、 翻滚角精确度 ； 同时加速度计、 陀螺仪数据的融合滤波， 使得校准易于实现， 在静态、 动态情况均可进行。 5. 如权利要求 2 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的 IGRF 模型内嵌于电子罗盘， 能够给出罗盘所在位置的地磁三分量值， 使得罗盘适用地理范围广。 6. 如权利要求 2 或 5 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的 磁数据校准过程， 是利用 IGRF 模型给出的地磁三分量值， 线性化处理后的磁传感器三轴数 据， 在基于椭球假设模型的软硬磁修正模型参数估计器后， 能够解算出更为准确。
7、的软磁、 硬 磁干扰参数， 使得软硬磁消除效果明显。 7. 如权利要求 2 或 5 或 6 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所 述的磁数据校准过程， 是基于椭球假设模型的软硬磁修正模型参数估计器后， 软磁、 硬磁干 扰参数不仅能够用于磁传感器器三轴测试数据的软硬磁修正， 而且可以做为软硬磁修正的 递归最小二乘估计的初始参数， 大大提高其算 法收敛速度， 缩短电子罗盘校准时间。 8.如权利要求2或5或6或7所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的磁数据校准过程， 软硬磁修正的递归最小二乘估计器计算软磁干扰的上三角矩阵、 硬磁干扰向量， 这里的上三角矩。
8、阵其矩阵元素全为未知数， 未做任何假设。 9. 如权利要求 1 或 2 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的 电子罗盘空间全方位校准技术， 在进入基于椭球假设模型的软硬磁修正模型参数估计器 时， IGRF 模型给出数值需要 1 个， 线性化处理后磁传感器数据要至少 6 个磁传感器向量数 据， 且每一个磁传感器向量数据对应的方位不同。 权 利 要 求 书 CN 102252689 A CN 102252695 A2/2 页 3 10. 如权利要求 1 或 2 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的 电子罗盘空间全方位校准技术， 在进入软硬磁修正的。
9、递归最小二乘估计时， 线性化处理后 磁传感器数据要至少 9 个磁三轴向量数据， 且每一个磁三轴向量数据对应的方位不同。 11. 如权利要求 1 所述的基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 其特征在于 ： 所述的电子 罗盘空间全方位校准技术， 需要包括三轴加速度计数据、 两轴陀螺仪数据、 三轴磁传感器。 权 利 要 求 书 CN 102252689 A CN 102252695 A1/6 页 4 一种基于磁传感器的电子罗盘校准方法 0001 技术领域 本发明涉及运用磁传感器对地磁场强度敏感的原理及在磁异常环境 中电子罗盘自动连续校准的导航技术， 提供精确的航向信息和姿态信息， 适用于航向、 倾斜 角。
10、和磁场强度测量， 属于电子罗盘导航校准技术方法。 0002 背景技术 电子罗盘能够提供航向信息， 被广泛地运用于现代运输工具的方向 测量与控制， 如汽车、 飞机、 轮船等。与此同时， 其应用对罗盘的精度提出了更高要求。罗 盘用于导航， 其基本原理是利用磁传感器测量地磁场强度， 由地磁场强度的三分量数据解 算出航向信息。因此， 罗盘提供准确航向信息的前提条件是能够准确测量地球磁场强度。 然而， 利用磁传感器进行地磁测量时， 导致电子罗盘航向误差的因素很多， 比如环境磁干 扰因素， 如电流、 铁质材料、 永久性磁铁等， 使得磁传感器测量值偏离了地磁真值， 从而使 得航向计算时会产生导航偏差 ； 同。
11、时， 罗盘倾斜角度， 其依赖于地理位置和方位， 会导致较 大的航向误差。因此， 磁传感器测量数据的误差补偿是不可缺少的重要环节。目前， 基于 复合信息的磁传感器测量数据的校准技术已成为了电子罗盘研究的热点。所查美国专利 ( 专利号 US4539760) 给出倾角补偿的三轴磁罗盘软硬磁干扰修正方法， 缺点是假设软磁 干扰修正矩阵是一个对称阵， 这与软磁干扰的一般特征不符合。所查美国专利 ( 专利号 US20080270060) 是磁传感器和加速度计校准技术， 采用球假设模型， 计算复杂度低， 易于实 现， 缺点是其球假设模型在有软硬磁干扰的情况下不能实现较好的磁传感器数据修正。所 查美国专利 (。
12、 专利号 US7451549) 介绍三轴磁罗盘的校准过程， 其软磁修正矩阵假设为上 三角矩阵， 采用递归算法实现参数求解， 其缺点是软磁修正的上三角矩阵中其一个未知元 素为 1 不合理 ； 递归算法的收敛性对初始值要求高， 初始值愈接近真值， 递归算法结果愈稳 定， 否则易导致发散， 而此专利给出的迭代初始值是在无软硬磁干扰假设下给出的， 易导致 迭代次数增加， 从而使校准过程时间长， 校准点选择要求高， 导致校准操作不简便， 甚至易 使算法不收敛。 0003 发明内容 为了解决电子罗盘关于自动校准技术中存在的问题， 提供方便又可靠 的软硬磁校准方法。本发明通过加深有关罗盘校准算法的理论认识，。
13、 考察了电子罗盘软硬 磁校准技术的现状， 发明了电子罗盘进一步的校准方法。其技术方案是这样实现的 ： 0004 一种基于磁传感器的电子罗盘校准方法， 用以实现精确导航的目的， 包括以下步 骤 ： 采集三轴加速度计数据、 两轴陀螺仪数据、 三轴磁传感器数据 ； 加速度计数据通过低通 数字滤波器进行处理 ； 陀螺仪数据通过数字滤波器进行处理 ； 磁传感器数据通过低通数字 滤波器进行处理 ； 滤波后加速度计数据进行姿态角解算， 得到俯仰角数据、 翻滚角数据 ； 滤 波后陀螺仪数据得到俯仰角速度、 翻滚角速度， 并与姿态角解算数据进行匹配 ； 俯仰角、 俯 仰角速度数据进入卡尔曼滤波器 ； 翻滚角、 。
14、翻滚角速度数据进入卡尔曼滤波器 ； 滤波后磁 传感器数据进入线性化处理器 ； 线性化处理后的磁传感器数据进入磁数据校准 ； 利用校准 后的磁传感器数据， 以及卡尔曼滤波后的俯仰角数据、 翻滚角数据， 实现磁数据坐标变换， 得到磁水平三分量值 ； 由磁水平三分量值计算校准的航向角。 0005 所述的磁数据校准过程包括以下步骤 ： 由 IGRF 模型计算出地磁三分量值， 结合线 性化处理的磁传感器数据， 进入基于椭球假设的软硬磁修正模型参数估计器 ； 再进入接受 说 明 书 CN 102252689 A CN 102252695 A2/6 页 5 新的线性化处理的磁传感器数据， 采用递归最小二乘方。
15、法剔除软硬磁干扰影响。 0006 所述的加速度计用于测量重力加速度在加速度计垂直三分量方向的分量， 其三分 量的合向量大小应与地球重力加速度相同， 然而， 电子罗盘在有加速度的情况下， 则加速度 三轴分量测量值失真， 融合陀螺仪数据， 能够补偿加速度计三轴数据 ； 同时加速度计数据也 补偿了陀螺仪由时间积累造成的误差。 0007 所述的卡尔曼滤波能够消除加速度计、 陀螺仪数据噪声， 以及异常数据的影响， 提 高俯仰角、 翻滚角精确度 ； 同时加速度计、 陀螺仪数据的融合滤波， 使得校准易于实现， 在静 态、 动态情况均可进行。 0008 所述的 IGRF 模型内嵌于电子罗盘， 能够给出罗盘所在。
16、位置的地磁三分量值， 使得 罗盘适用地理范围广。 0009 所述的磁数据校准过程， 是利用 IGRF 模型给出的地磁三分量值， 线性化处理后的 磁传感器三轴数据， 在基于椭球假设模型的软硬磁修正模型参数估计器后， 能够解算出更 为准确的软磁、 硬磁干扰参数， 使得软硬磁消除效果明显。 0010 所述的磁数据校准过程， 是基于椭球假设模型的软硬磁修正模型参数估计器后， 软磁、 硬磁干扰参数不仅能够用于磁传感器器三轴测试数据的软硬磁修正， 而且可以做为 软硬磁修正的递归最小二乘估计的初始参数， 大大提高其算法收敛速度， 缩短电子罗盘校 准时间。 0011 所述的磁数据校准过程， 软硬磁修正的递归最。
17、小二乘估计器计算软磁干扰的上三 角矩阵、 硬磁干扰向量， 这里的上三角矩阵其矩阵元素全为未知数， 未做任何假设。 0012 所述的电子罗盘空间全方位校准技术， 在进入基于椭球假设模型的软硬磁修正模 型参数估计器时， IGRF 模型给出数值需要 1 个， 线性化处理后磁传感器数据要至少 6 个磁 传感器向量数据， 且每一个磁传感器向量数据对应的方位不同。 0013 所述的电子罗盘空间全方位校准技术， 在进入软硬磁修正的递归最小二乘估计 时， 线性化处理后磁传感器数据要至少 9 个磁三轴向量数据， 且每一个磁三轴向量数据对 应的方位不同。 0014 所述的电子罗盘空间全方位校准技术， 需要包括 ：。
18、 三轴加速度计数据、 两轴陀螺仪 数据、 三轴磁传感器。 0015 本发明与现有技术相比， 具有以下显著特点和积极效果 ： 0016 1、 本发明采用卡尔曼滤波算法， 对加速度计解算的翻滚角与陀螺仪测试的翻滚角 速度、 加速度计解算的俯仰角数据与陀螺仪测试俯仰角速度数据， 分别进行了滤波处理， 使 得加速度计与陀螺仪数据互相补偿， 减小测量噪音， 俯仰角、 翻滚角测试值更准确， 使得磁 传感器倾角补偿效果好， 能够进行静态校准， 同时也可进行动态校准， 从而使得校准过程更 简单、 易于操作。 0017 2、 本发明利用 IGRF 模型可以计算出电子罗盘校准所在位置的地磁场强度， 使得 罗盘适用。
19、地理范围广。 基于椭球假设的软硬磁修正模型参数估计器利用此数据及磁传感器 测量模型， 能够进行模型参数求解， 并得到软磁干扰矩阵、 硬磁干扰向量的近似估计。 0018 3、 本发明在软硬磁修正的递归算法中， 假设软磁干扰矩阵是参数均未知的上三角 矩阵， 建立数据模型更符合软磁干扰特征 ； 同时， 其参数初始值为基于椭球假设的软硬磁修 正模型参数估计器计算结果， 使得初始值不再是在无软硬磁干扰假设下给出， 与参数真值 说 明 书 CN 102252689 A CN 102252695 A3/6 页 6 接近， 能够加快迭代收敛速度， 使得校准点选择相对自由。 0019 附图说明 以下结合附图以及。
20、实施例对本发明做出说明 0020 图 1A 为磁传感器在无软硬磁干扰下三轴测试数据图。 0021 图 1B 为磁传感器在有软硬磁干扰下三轴测试数据图。 0022 图 2A 为磁传感器在无软硬磁干扰下两轴测试数据图。 0023 图 2B 为磁传感器在有软硬磁干扰下两轴测试数据图。 0024 图 3 为电子罗盘校准过程流程图。 0025 图 4 为电子罗盘软硬磁误差修正过程流程图。 具体实施方式 0026 电子罗盘用于导航， 其基本原理是利用磁传感器敏感地磁场强度。为提供准确航 向信息， 本发明从两个方面保证了航向测量精度 ： (1) 磁传感器软磁、 硬磁干扰误差补偿 ； (2) 倾角补偿。 00。
21、27 软磁、 硬磁干扰是影响磁传感器测量的最常见因素。图 1A 为磁传感器在一个球面 测量空间的无软硬磁干扰的数据图， 也可以看作磁干扰完全补偿后的数据图。图 1B 为磁传 感器在一个球面测量空间的有软硬磁干扰的数据图， 其中 X， Y， Z 三轴方向硬磁干扰的大小 分别为 3000nT， 2000nT， 1000nT， 从图中容易看出， 相比无软硬磁干扰情况下， 其中心不在原 点， 且其形状发生改变， 不再是球面形状。 0028 图 2A 为磁传感器在水平面上绕一中心点转动一圈的无软硬磁干扰的 X， Y 两轴数 据图， 也可以看作磁干扰完全补偿后的数据图。图 2B 为磁传感器在水平面上绕一中。
22、心点 转动一圈的有软硬磁干扰的 X， Y 两轴数据图， 其中 X， Y 两轴方向硬磁干扰的大小分别为 3000nT， 2000nT， 从图中容易看出， 相比无软硬磁干扰情况下， 其中心不在原点， 且其形状发 生改变， 不再是圆。 0029 俯仰角， 为罗盘的纵向轴与当地水平面之间的夹角。 翻滚角， 为关于罗盘纵向轴的 角度， 是当地水平面与实际飞行姿态之间的夹角。 航向角， 为在当地水平面上， 顺时针方向， 与真实北极的夹角。硬磁干扰产生于永久磁铁， 和被磁化的金属， 或罗盘上的钢。这些干扰 会保持大小恒定， 与罗盘的相对位置固定， 而与罗盘指向无关， 硬磁干扰在罗盘输出的每个 轴上加了一个定。
23、植， 使得磁输出的圆心偏移， 可用 31 向量 H 表示。软磁干扰来源于地球 磁场和罗盘附近的任何磁性材料之间的相互作用， 与罗盘的方向有关， 可用 33 向量 S 表 示。用 Be表示地磁场强度真值， 用 Bm表示磁传感器测量值， 其两者关系可以表示为 0030 Be S(Bm-H) (1) 0031 在小的区域范围内， 地磁强度可以看作一个恒定值。图 3 给出了电子罗盘校准过 程流程图。磁传感器 311、 加速度计 312、 陀螺仪 313 原始测量数据通过低通数字滤波器进 行处理 321、 322、 323， 减小测量噪声。滤波输出的加速度计数据进行姿态角解算 332， 并与 滤波后陀螺。
24、仪数据得到俯仰角速度 3431、 翻滚角速度 3421 进行匹配 ； 俯仰角 3430、 俯仰角 速度 3431 数据进入卡尔曼滤波器 ； 翻滚角 3420、 翻滚角速度 3421 数据进入卡尔曼滤波器 350， 卡尔曼滤波 350 使得加速度计 322 与陀螺仪 323 数据互相补偿， 减小测量噪音， 俯仰 角、 翻滚角测试值更准确。滤波后磁传感器 331 数据进入线性化处理器， 提高输出值线性 度。线性化处理后的磁传感器数据传递给软硬磁校准 341 过程。为确保软硬磁干扰误差补 说 明 书 CN 102252689 A CN 102252695 A4/6 页 7 偿效果， 其软硬磁校准过程。
25、可以看作分成两步 ： 第一步， 基于椭球假设的软硬磁修正模型参 数估计器420， 可以称作预校准过程。 这一步需要至少6个磁传感器三轴向量数据410， 且每 一个磁传感器三轴向量数据对应的方位不同， 输出 33 软磁干扰对角矩阵 S， 以及 31 的 硬磁干扰向量 H， 一般情况下， 可以根据据此得到的参数进行后续的连续自动校准 ； 同时， 估计参数也可作为第 2 步中递归算法 440 的初始值。第二步， 递归算法 440， 可以称作再校 准过程。利用第一步计算结果， 接受新的磁传感器数据， 利用递归算法求取软磁干扰矩阵、 硬磁干扰向量， 这里假设软磁干扰矩阵为上三角矩阵。利用校准后的磁传感器。
26、数据 341， 以 及卡尔曼滤波 350 后的俯仰角数据、 翻滚角数据， 实现磁数据坐标变换 360， 进行磁传感器 的倾角补偿， 计算得到航向角 370。 0032 图 4 给出了线性化处理后磁传感器数据的软硬磁误差修正过程。可由 GPS 或其他 方式获得校准所在位置的经度、 纬度、 高度， 由罗盘内嵌的 IGRF 模型计算出地磁强度 411， 结合线性化处理的磁传感器数据 410， 进入基于椭球假设的软硬磁修正模型参数估计器 420 ； 再进入接受新的线性化处理的磁传感器数据 430， 采用递归最小二乘方法 440 剔除软 硬磁干扰影响。下面详细说明上述的基于椭球假设的软硬磁修正模型参数估。
27、计器， 以及递 归算法。 0033 由于在小的区域范围内， 地磁强度可以看作一个恒定值。 0034 |Be|2 S(Bm-H)S(Bm-H) 0035 (Bm-H )SS(Bm-H) (Bm-H )C(Bm-H) (2) 0036 其中 C SS， 为一个 33 对称矩阵。假设 0037 0038 三轴磁传感器 410Bm BmxBmyBmz， 将 (2) 式展开， 非线性问题线性化处理， 参数 重组得到 0039 0040 其中 L (CH)/c11。 0041 在基于椭球假设模型 420 时， 软磁干扰矩阵 S 为一对角矩阵， 则 说 明 书 CN 102252689 A CN 10225。
28、2695 A5/6 页 8 0042 0043 式 (4) 简化为 0044 0045 根据磁传感器至少 6 个测试数据 410， 以及由 IGRF 模型 411 得到的 Be， 采用最小 二乘法， 可以求得硬磁干扰向量以及对角矩阵 0046 0047 在再校准过程， 采用递归算法 440 进行求解软磁干扰矩阵、 硬磁向量时， 软磁干扰 矩阵假设为上三角矩阵。式 (4) 可以写为 0048 0049 其迭代参数初始值由上面椭球假设模型 420 求解结果给出 说 明 书 CN 102252689 A CN 102252695 A6/6 页 9 0050 0051 在递归算法开始时， 同时给定递归。
29、算法中的因子， 取接近1的数。 按照下面公式 完成一次迭代 ： 0052 (1) 计算增益因子 0053 0054 (2) 参数值更新 0055 w(n) w(n-1)+k(B2mx(n)-w(n)u(n) (11) 0056 (3) 误差协方差矩阵更新 0057 0058 其中 I9是一个 9 阶的单位矩阵。 0059 在递归算法结束时， 得到模型 w， 由此可以解算得到硬磁干扰向量以及矩阵 对矩阵 进行 Cholesky 分解， 得到 0060 0061 以上所述， 仅是本发明的较佳实施方式， 不应被视为对本发明范围的限制， 而且本 发明所主张的权利要求范围并不局限于此， 凡熟悉此领域技艺的人士， 依照本发明所披露 的技术内容， 可轻易思及的等效变化， 均应落入本发明的保护范围内。 说 明 书 CN 102252689 A CN 102252695 A1/4 页 10 图 1A 图 1B 说 明 书 附 图 CN 102252689 A CN 102252695 A2/4 页 11 图 2B 图 2A 说 明 书 附 图 CN 102252689 A CN 102252695 A3/4 页 12 图 3 说 明 书 附 图 CN 102252689 A CN 102252695 A4/4 页 13 图 4 说 明 书 附 图 CN 102252689 A 。