[发明专利]一种基于磁传感器的电子罗盘校准方法

说明书

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、倾斜角和磁场强度测量，属于电子罗盘导航校准技术方法。

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(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。

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，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：

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。