一種三維電子羅盤的標定方法
2023-11-10 15:25:47 2
專利名稱：一種三維電子羅盤的標定方法
技術領域：
本發明涉及對三維電子羅盤的標定，特別涉及內置有磁傳感器的利用地磁場進行定位的裝置。
背景技術：
三維電子羅盤利用內置的磁傳感器通過感應地球磁場來確定航向，三維電子羅盤同時內置有傾角傳感器，通過傾角補償，使三維電子羅盤在傾斜情況下仍能準確判別方向。三維電子羅盤體積小，指示方向準確，輸出電信號，可以通過各種接ロ集成到其他電子系統中，使用方便，現已廣泛應用於海陸空航行、慣性導航、自主機器人和地質勘測等領域。由於三維電子羅盤內置的磁傳感器三軸並非完全正交，傾角傳感器的測量軸也存在非正交問題，並且由於安裝等問題，磁傳感器坐標系和傾角傳感器坐標系對應的各個軸並不嚴格平行，使得傾角補償不準確，磁傳感器和三維電子羅盤外殼坐標系也並非完全重合，致使測量的航向角存在誤差。所以解決這幾個問題是提高三維電子羅盤精度的關鍵。現有的校準三維電子羅盤的方法有歸ー歸零法、最小二乗法和擬橢圓法等，但是這些方法均沒有從最基本的結構入手，而只是用線性擬合的方法校準結果，而三維電子羅盤存在正交問題和坐標系不重合問題時，輸出結果是非線性的，用以上方法均不準確。還存在使用無磁的方法校準磁傳感器的，在磁屏蔽房中進行實驗，或者使用三維線圈將環境磁場抵消，在人為產生ー個大小及角度已知的磁場來對傳感器進行標定，但是這種方法對儀器條件要求苛刻，需要昂貴且體積大的磁屏蔽房和三維亥姆霍茲線圏。在專利CN 101393022A中，發明者在環境磁場存在的情況下利用磁傳感器在特定位置的輸出值對其本身進行標定，不需要昂貴的磁屏蔽儀器和磁產生儀器。然而，這種標定方法需要對磁傳感器的22個方位角輸出值進行測量，過於複雜，且這22個位置中，有45度、135度、225度和315度的空間位置出現，對於外形為三維電子羅盤外殼的磁傳感器而言，空間位置容易實現的是90度整數倍的位置，而對其它位置的實現比較困難，並且帶入誤差較大，因而這種標定方法所能達到的精度只能是3 5度，而對於現在測量精度已經達到0. 5度的磁傳感器而言，顯然是不合適的。另外，這種標定方法基於磁傳感器輸出特性為線性的假定，因而不能對存在正交誤差的三維電子羅盤進行高精度標定。在專利CN200910117170. 7中，發明者同樣在周圍磁場存在的情況下進行標定，並通過在ー維旋轉平臺水平方向360度旋轉以及三維電子羅盤90度整數倍翻轉的弱磁方向傳感器空間位置變化所對應的傳感器輸出變化，確定弱磁方向傳感器敏感方向大地坐標系和三維電子羅盤外殼坐標系中的空間位置，同樣不需要苛刻的實驗條件，並且方法簡單易行。但是該專利所用的旋轉平臺只能在水平面內旋轉，因而在確定磁傾角時存在較大誤差，且並未對磁傳感器和傾角傳感器聯合使用確定標定方法，因此難以做到高精度標定。
發明內容
本發明目的是針對現有的校準三維電子羅盤的線性的標定方法不準確的缺點，提出ー種利用地磁場對三維電子羅盤進行標定的方法，該方法使用ー個三維無磁旋轉平臺，利用三維電子羅盤內置的磁傳感器和傾角傳感器在不同空間方向的輸出值變化對三維電子羅盤進行標定。本發明為實現其目的所採取的技術方案ー種三維電子羅盤的標定方法，該方法的實現裝置包括一個三維無磁旋轉平臺和ー個內部置有三個磁傳感器和一個傾角傳感器的三維電子羅盤，所述三維電子羅盤放置於所述三維無磁旋轉平臺的中央位置，通過所述三維無磁旋轉平臺使所述三維電子羅盤在繞電子羅盤基準坐標系、大地坐標系的坐標軸各軸旋轉過程中，磁傳感器以及傾角傳感器在地磁場及重力場作用下輸出變化，確定磁傳感器和傾角傳感器敏感方向矢量、三維電子羅盤基準坐標系之間的空間位置關係，獲得磁傳感器和傾角傳感器的輸出特性，獲得任意地磁場下三維電子羅盤輸出與三維電子羅盤基準坐標系與大地坐標系之間的關係，確定方位角度，實現對三維電子羅盤高精度標定。繞空間軸精密旋轉由一個三維無磁旋轉平臺提供，其三個選擇軸組成標準的右手
三維直角坐標系G G)，ft軸沿重力方向向下，&軸和&軸為相互正交的兩軸，並且由Q軸和G軸組成的平面可以調節至水平狀態；三維電子羅盤外殼具有三維基準直角坐標系e:(ei e2 e3)，ei軸為三維電子羅盤的指示方向，e2軸在水平面上與ei軸正交；三維電子羅盤內置有三個磁傳感器，其敏感方向構成磁傳感器坐標系e : ( e i e2
￡ 3)；三維電子羅盤內置有ニ維傾角傳感器，其ニ個敏感方向以及由右手關係決定的第三個軸組成傾角傳感器坐標系い-(I1 I2 13)，し軸和し軸分別為測量傾斜角和測量翻滾角的兩個敏感方向；地磁場和重力場構成大地坐標系4 :( 4 I ^3),其三軸分別指向磁北方向、磁東方向和重力方向；規定當逆向面對坐標軸時，逆時針方向為正向，所有的角度保持在區間
2 + cos 緝 31~ = 權利要求
1.一種三維電子羅盤的標定方法，該方法的實現裝置包括一個三維無磁旋轉平臺(I)和一個內部置有三個磁傳感器(3)和一個傾角傳感器(4)的三維電子羅盤(2)，所述三維電子羅盤(2)放置於所述三維無磁旋轉平臺(I)的中央位置，其特徵在於通過所述三維無磁旋轉平臺(I)使所述三維電子羅盤(2)在繞電子羅盤基準坐標系、大地坐標系的坐標軸各軸旋轉過程中，磁傳感器(3)以及傾角傳感器(4)在地磁場及重力場作用下輸出變化，確定磁傳感器(3)和傾角傳感器(4)敏感方向矢量、三維電子羅盤(2)基準坐標系之間的空間位置關係，獲得磁傳感器(3)和傾角傳感器(4)的輸出特性，獲得任意地磁場下三維電子羅盤(2)輸出與三維電子羅盤(2)基準坐標系與大地坐標系之間的關係，確定方位角度，實現對三維電子羅盤(2)高精度標定。
2.根據權利要求I所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於所述三維無磁旋轉平臺(I )，其三個選擇軸組成標準的右手三維直角坐標系ζ :(h ζ2 ξ3)，ξ3軸沿重力方向向下，ξ i軸和ξ 2軸為相互正交的兩軸； 所述三維電子羅盤(2)外殼具有三維基準直角坐標系e:(ei e2為三維電子羅盤(2)的指示方向，e2軸在水平面上與θι軸正交； 所述三維電子羅盤(2)內置的三個磁傳感器(3)，其敏感方向構成磁傳感器(3)坐標系ε ( ε I ε 2 ε 3); 所述三維電子羅盤(2)內置的二維傾角傳感器(4)，其二個敏感方向以及由右手關係決定的第三個軸組成傾角傳感器(4)的坐標系IJi1 ξ2 ξ 3)，ξ i軸和ξ 2軸分別為測量傾斜角和測量翻滾角的兩個敏感方向； 所述地磁場和重力場構成大地坐標系ζ :( ζ i ζ2 ζ3)，其三軸分別指向磁北方向、磁東方向和重力方向； 規定當逆向面對坐標軸時，逆時針方向為正向，所有的角度保持在區間[0，2π); 將三維無磁旋轉平臺(I)坐標系的面調節為水平狀態，將三維電子羅盤(2)外殼的ei軸和e2軸分別緊靠三維無磁旋轉平臺的C1軸和ζ2軸上並固定，以43軸為旋轉軸，在三維無磁旋轉平臺沿順時針方向轉動一周的過程中，當磁傳感器(3) ε i軸輸出最大值時，將此位置的三維無磁旋轉平臺轉動角度記為Θ 01 ;然後，以ei為旋轉軸將其正方向翻轉180°，再次使三維無磁旋轉平臺繞其ζ 3軸旋轉一周，獲得使磁傳感器(3) ε I軸獲得最大值時的轉動角度，記為θοι』 ; 三維無磁旋轉平臺(I)坐標系的C1軸在初始位置時與大地坐標系的C1軸的夾角記為Z ζ i ζ工，使三維無磁旋轉平臺(I)從上述的初始位置繞ζ 3軸順時針旋轉角度Z ζ,ζ,,得到新的基準位置，在該基準位置下使三維無磁旋轉平臺(I)繞其軸帶動三維電子羅盤(2)逆時針轉動，當磁傳感器(3) ε 取得極大值時，得到當前三維無磁旋轉平臺(I)轉動的角度Qtl2;在新的基準位置下，將三維電子羅盤(2)沿其外殼的ei軸將其翻轉180°，再次使三維無磁旋轉平臺(I)繞其軸旋轉一周，再次獲得使磁傳感器(3)的^軸獲得最大值時的轉動角度，記為θ:； 在新的基準位置下，將三維無磁旋轉平臺(I)繞其 2軸帶動三維電子羅盤(2)順時針轉動一個角度，此角度為磁傾角Z ζ3Β的餘角β ,然後,使三維無磁旋轉平臺(I)繞其ζ3軸帶動三維電子羅盤(2)旋轉一周，轉角為Θ時，磁傳感器(3) S1軸輸出量V1的函數表達式為=V1 = fi(BM) = f1 (B0Cos θ )；通過翻轉三維電子羅盤(2)，將其三維電子羅盤(2)外殼坐標系的不同面放置在三維無磁旋轉平臺(I)上，使磁傳感器(3)的ε2軸和ε3軸分別代替S1軸進行上述的操作；將三維無磁旋轉平臺(I)坐標系的面調節為水平狀態，獲得傾角傳感器(4)的兩個輸出量:再將三維電子羅盤(2)沿ei軸逆時針翻轉90度，則得到傾角傳感器(4)的另外兩個輸出量我31 ^231 .進行實際測量時，假設新磁場大小為B1，獲得磁傳感器(3)三個軸的原始輸出大小，記 為
3.根據權利要求2所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於所述三維無磁旋轉平臺(I)坐標系的q軸在初始位置時與大地坐標系的^軸的夾角Z Cj1，和磁傳感器(3)ε i軸在羅盤坐標系的eie2面內的投影方向與羅盤坐標系的ei軸的夾角Z eielN分別
4.根據權利要求2所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於所述磁傳感器(3)ε !軸在羅盤坐標系的eie3面內的投影分量與ei軸的夾角Z ei ε u，和地磁場矢量與豎直方向的夾角Z ζ3Β分別為
5.根據權利要求2所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於所述磁傳感器(3)ε I軸在三維電子羅盤(2)外殼坐標系內的坐標表達式為
6.根據權利要求2所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於分別計算出磁傳感器(3) ε 2軸和ε 3軸在外殼坐標系內的矢量表達式，得到磁傳感器(3)坐標系與外殼坐標系的轉換關係表達式為
7.根據權利要求2所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於設傾角傳感器(4)與e2e3面夾角為化3 $223，則有
8.根據權利要求6所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於利用實驗時獲取的
9.根據權利要求I所述的三維電子羅盤的標定方法，其特徵在於所述磁傳感器(3)採用各向異性磁阻傳感器、霍爾效應磁傳感器、磁感傳感器、磁通門磁傳感器或方向敏感且量程與地磁場相仿或者小於地磁場的磁傳感器。
全文摘要
本發明公開了一種三維電子羅盤的標定方法，該方法實現裝置包括一個三維無磁旋轉平臺和一個內部置有三維磁傳感器和傾角傳感器的三維電子羅盤。通過三維電子羅盤在空間旋轉時地磁場和重力場導致的三維磁傳感器和傾角傳感器的輸出變化，確定傳感器敏感方向矢量、三維電子羅盤外殼坐標系、大地坐標系之間的空間位置關係，確定磁傳感器和傾角傳感器的輸出特性，獲得三維電子羅盤輸出值與空間方位的一一對應關係，從而實現對其校準標定。本發明提供的標定方法不需要現有磁傳感器標定使用的磁屏蔽房和亥姆霍茲線圈，不需要對三維電子羅盤內部磁傳感器和傾角傳感器位置進行調節，在有精密的三維無磁旋轉平臺的情況下實現對三維電子羅盤的高精度標定。
文檔編號G01C17/38GK102818564SQ20121027363
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者陳池來, 劉建強, 程珍 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院