[发明专利]一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法

摘要

一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，采用三维磁场发生器和无磁转台，先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在转台上。由磁场发生器给出一个从上到下的大磁场，使得传感器测得的数值不为0；标记转台的0位，记录转台3轴角度值，旋转转台的3个轴，使得传感器，m、n轴输出为0，记录转台3轴角度值；再旋转转台的3个轴，使得传感器m、p轴输出为0，记录转台3轴角度值；继续旋转转台的3个轴，使得传感器n、p轴输出为0，记录转台3轴角度值。由所记录的各个角度值计算得出O-mn p各轴与坐标系O3-x3y3z3各轴的变换关系，得出标定结果。本发明方法简单可行，精度高，误差小。

主权项

一种三轴磁传感器磁轴垂直度的标定方法，采用三维磁场发生器和无磁转台，所述的三维磁场发生器由三组相互正交的赫姆霍兹线圈及相应的程控恒流源组成，程控恒流源由计算机控制，产生相应的恒定或预期变化的电流，从而在三组相互正交的赫姆霍兹线圈中心指定的局部空间，产生预期、可控的三维磁场，采用外加固定大磁场、通过记录传感器输出过零位置，进而进行计算得到标定数据，其特征在于，方法如下：首先把三维磁场发生器和无磁转台安装好，并把需要标定的磁传感器固定在无磁转台上，由三维磁场发生器给出一个从上到下的大磁场，使得磁传感器处在磁场中，该磁场大小远大于环境磁场，使得磁传感器各测量轴测得的该磁场分量的数值不为0即为满量程，以提高过零的灵敏度并消除环境磁场的影响；坐标系定义如下：选取惯性坐标系为外环坐标系O0‑x0y0z0：坐标原点O0在无磁转台的旋转中心上，z0轴指向磁场发生装置的竖直方向，与竖直方向产生的磁场方向平行，x0轴指向水平方向与磁场发生装置一个产生水平磁场的方向平行，y0轴与x0轴、z0轴成右手正交坐标系，选取无磁转台初始状态，定义外环轴指向x0轴方向、中环轴指向y0轴方向、内环轴指向z0轴方向时的状态为无磁转台初始状态，选取与中环框架固连的中环坐标系O1‑x1y1z1：坐标原点O1在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O0‑x0y0z0重合；选取与内环框架固连的内环坐标系O2‑x2y2z2：坐标原点O2在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O1‑x1y1z1重合；选取与夹具框架固连的目标坐标系O3‑x3y3z3：坐标原点O3在无磁转台的旋转中心上，初始时刻与O2‑x2y2z2重合；选取非正交磁轴坐标系O‑m n p，坐标原点O在无磁转台的旋转中心上，m、n、p分别为三轴磁传感器三个磁轴的真实方向。通过给定的z0方向的外加磁场，旋转无磁转台的3个轴，使得传感器，m、n轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值；再旋转无磁转台的3个轴，使得传感器m、p轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值；继续旋转无磁转台的3个轴，使得传感器n、p轴输出为0，记录无磁转台3轴角度值，O‑m n p各轴方向的单位矢量om在O3‑x3y3z3中的坐标为r11，r21，r31；on在O3‑x3y3z3中的坐标为r12，r22，r32；op在O3‑x3y3z3中的坐标为r13，r23，r33；则有： r 11 2 + r 21 2 + r 31 2 = 1 - - - ( 1 ) r 12 2 + r 22 2 + r 32 2 = 1 - - - ( 2 ) r 13 2 + r 23 2 + r 33 2 = 1 - - - ( 3 ) 且从O‑m n p到O3‑x3y3z3的坐标变换为： R T 3 = r 11 r 12 r 13 r 21 r 22 r 23 r 31 r 32 r 33 - - - ( 4 ) 从O3‑x3y3z3到O2‑x2y2z2的坐标变换为： R 3 2 = cos γ - sin γ 0 sin γ cos γ 0 0 0 1 - - - ( 5 ) 从O2‑x2y2z2到O1‑x1y1z1的坐标变换为： R 2 1 = cos β 0 sin β 0 1 0 - sin β 0 cos β - - - ( 6 ) 从O1‑x1y1z1到O0‑x0y0z0的坐标变换为： R 1 0 = 1 0 0 0 cos α - sin α 0 sin α cos α - - - ( 7 ) 从O‑mnp到O0‑x0y0z0的坐标变换为：0RT＝0R11R22R33RT    (8)其中：α为从初始状态到终止状态无磁转台外环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为α1、α2、α3；β为从初始状态到终止状态无磁转台中环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为β1、β2、β3；γ为从初始状态到终止状态无磁转台内环轴转过的角度，三次试验转过的角度分别为γ1、γ2、γ3；对应于三次试验的旋转角度，三次试验从O‑mnp到O0‑x0y0z0的坐标变换分别为0RT1、0RT2、0RT3；记外加磁场强度为H，终止状态下外加磁场沿磁传感器三轴方向的磁场分量分别为hm、hn、hp，则有： 0 0 H = R T 1 0 0 0 h p - - - ( 9 ) 0 0 H = R T 2 0 0 h n 0 - - - ( 10 ) 0 0 H = R T 3 0 h m 0 0 - - - ( 11 ) 由(9)可得：cosβ1cosγ1r13‑cosβ1sinγ1r23+sinβ1r33＝0    (12)(sinα1sinβ1cosγ1+cosα1sinγ1)r13+(‑sinα1sinβ1sinγ1+cosα1cosγ1)r23‑sinα1cosβ1r33＝0(13)由(10)可得：cosβ2cosγ2r12‑cosβ2sinγ2r22+sinβ2r32＝0    (14)(sinα2sinβ2cosγ2+cosα2sinγ2)r12+(‑sinα2sinβ2sinγ2+cosα2cosγ2)r22‑sinα2cosβ2r32＝0(15)由(11)可得：cosβ3cosγ3r11‑cosβ3sinγ3r21+sinβ3r31＝0    (16)(sinα3sinβ3cosγ3+cosα3sinγ3)r11+(‑sinα3sinβ3sinγ3+cosα3cosγ3)r21‑sinα3cosβ3r31＝0(17)解由方程(1)‑(3)，方程(12)‑(17)所组成的齐次方程组，可以解出3RT，即传感器三个磁轴相对于传感器固定坐标系的标定矩阵。