一種兩維電子指南針校準算法的製作方法

2023-10-30 18:37:07 4

專利名稱：一種兩維電子指南針校準算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種兩維電子指南針校準算法。
背景技術：
目前，業界對於兩維電子指南針的應用很少，特別是在行動電話設備領域。通常使用的兩維電子指南針的算法，在做地磁校準時，需要用戶讓設備旋轉超過 兩圈(兩圈半左右)。其中先旋轉半圈左右建立臨時坐標系，用於監測旋轉動作；其次轉第 一圈採集數據的最大值/最小值，進而求出幾何中心；最後轉第二圈求各個點到幾何中心 的距離，進而得出磁傳感器正交軸的靈敏度誤差。上述校準算法具有以下缺陷1.校準過程較為複雜，需要沿著順時針或逆時針一個方向水平旋轉設備近三圈， 並且無法屏蔽設備順時針/逆時針交替較快旋轉所造成的監測誤差；2.校準算法只關注幾何中心以及各採樣點到幾何中心的距離，無法實現圖形層面 的最優匹配；3.對一般磁傳感器各軸上的靈敏度誤差補償精度較低，並且無法修正一般磁傳感 器各軸非正交造成的誤差；4.只能手動啟動校準，無法實現自動校準；5.使用磁傳感器獲得的原始數據而非真正的磁物理量數據進行計算，無法較好地 兼容不同類型的磁傳感器。基於以上缺陷，業界確有必要開發一種新的兩維電子指南針校準算法。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，現有電子指南針的地磁校準算法，不僅校準過程 較為複雜、無法實現圖形層面的最優匹配、無法對一般磁傳感器各軸上的靈敏度誤差進行 精確補償、無法修正一般磁傳感器各軸非正交造成的誤差、無法實現自動校準，而且不能較 好地兼容不同類型的磁傳感器。為解決上述技術問題，本發明提供一種兩維電子指南針校準算法，其包括有以下步驟。建立一個特殊的橢圓單位圓，其圓點位於指南針的磁傳感器坐標系原點，半徑為 1。持續獲取磁傳感器採集到的物理量級別磁數據，更新磁物理量數據的最大值/最小值， 並將新採集到的數據帶入第一橢圓方程，計算出其平方的數值，並與預設的閥值做比較，如 果數據超出閥值，則計算橢圓參數。採集磁傳感器數據，獲得當前周圍磁場磁感強度的最大 值/最小值坐標並保存。利用已採集到的磁物理量數據的最大值/最小值動態計算橢圓的 幾何中心。將橢圓幾何中心以及兩次不同採樣點帶入第二橢圓方程，計算出第二橢圓方程 的長半軸/短半軸參數，進而計算出因磁傳感器自身誤差造成的靈敏度誤差和非正交度並 補償。將計算結果保存到校準參數存儲空間中。
進一步的，在不同實施方式中，其中涉及使用的第一橢圓方程為F(x，y)= b2*x2+a2*y2_a2*b2。進一步的，在不同實施方式中，其中在獲取磁傳感器採集到的物理量級別磁數據 時，對採集到的數據進行數據處理，並將數據投影到嵌入式處理器能夠容納的數值範圍內。
進一步的，在不同實施方式中，其中對磁傳感器採集到的數據涉及使用的數據處 理公式為A = A* (Rmax-Rmin) / (Amax-Amin)其中A表示待映射的數據，Rmax/Rmin表示映射後的數據最大值和最小值，KJKm 表示待映射的數據最大值和最小值。進一步的，在不同實施方式中，其中其為當連續若干數據都超出閥值時，計算橢圓 參數。這是因為，當連續若干數據都超出閥值時，則說明當前參數構成的橢圓圖形與已有採 樣點軌跡所構成的圖形在圖形層面不匹配，需要進入計算橢圓參數的過程，也就是進行後 續步驟；否則，則說明目前圖形匹配較好，不需進行後續步驟，下次採樣時再繼續執行採樣 值與預設閥值的比較步驟。進一步的，在不同實施方式中，其中動態計算橢圓的幾何中心的方式為取磁物 理量數據最大值/最小值採樣點線段的中點作為採樣點軌跡的幾何中心，並建立新的坐標系。進一步的，在不同實施方式中，其中建立新坐標系涉及使用的公式為Xoriginal = (Xmax+Xmin)/2Yoriginal = (Ymax+Ymin)/2其中X。Hginal、Yoriginal表示新建立的坐標系原點在原坐標系中的坐標，Xmax/Ymax表 示X/Y兩維坐標數值的最大值，Xmin/Ymin表示X/Y兩維坐標數值的最小值。進一步的，在不同實施方式中，其中涉及使用的第二橢圓方程為標準橢圓方程X2/ a2+y2/b2 = 1。計算方式為x02/a2+y02/b2 = 1X1Va^y1Vb2 = 1a2 = (y>x02-y02*xi2) / (Yi2-Y02)b2 = (a2*Yl2)/(a2-Xl2)相對於現有技術，本發明採用基於最小二乘法的橢圓擬合來實現兩維電子指南針 的校準算法，其具有以下優點1.解決了傳統的兩維指南針只能手動校準的局限以及校準過程需要用戶較為復 雜的操作的問題只能在水平面上沿著順時針或逆時針一個方向旋轉將近三圈，並且無法 屏蔽設備順時針/逆時針交替較快旋轉所造成的監測誤差。本發明涉及的校準算法理論上 只需要水平隨意旋轉設備達到一周即可，而實際的測試表明通常只需要水平旋轉設備200 度左右就可以計算出最終校準結果了。2.校準結果的精確度比傳統的兩維指南針校準結果有較大提高，由於採用了橢圓 擬合的方法，實現了動態逼近的數學逼近法，校準結果所組成的數學圖形與真實磁傳感器 採樣軌跡最接近，即以圖形最優匹配為最高目標，真實軌跡與數學擬合結果的圖形誤差最 大不超過1%。
3.高準確度自動補償磁傳感器誤差。相比傳統的兩維指南針簡單使用坐標最值估 算採樣軌跡的幾何中心而忽略實際軌跡圖形的方法，本發明涉及的算法更關注於幾何圖形 級別的最優匹配，不僅僅可以更準確計算出一般磁傳感器各個感應陣列的靈敏度誤差，還 可以計算出一般磁傳感器各感應陣列的非正交度並修正，最終實現比傳統的兩維指南針更 高準確度的誤差補償。4.本校準算法不但可以手動校準，還可以進行自動校準。5.相比傳統的兩維指南針校準算法使用磁傳感器的原始轉換數據，本發明涉及的 算法使用磁傳感器轉換的真正的磁物理量數據，更好的兼容了不同的磁傳感器，方便算法 的整機移植。
具體實施例方式本發明涉及的兩維電子指南針校準算法，是基於最小二乘法的橢圓擬合方法來實 現兩維電子指南針新式的、數學層面的、簡便的校準的算法，用戶只需在水平面讓設備劃一 個「8」的軌跡或者水平旋轉一圈即可。且在計算過程中，使用數值映射方法，將採集到的數 據投影到嵌入式處理器的數據長度能夠容納的範圍之內進行計算。由於磁傳感器自身的裝配誤差和靈敏度誤差、以及設備硬磁幹擾等因素的存在， 使兩維磁傳感器在水平面採集到的數據形成的軌跡近似為一個幾何中心偏離磁傳感器坐 標系原點一定數值的橢圓，因此，求出最接近該軌跡的橢圓即可實現精確指向。本發明涉及的兩維指南針校準算法，首先是建立一個特殊的橢圓單位圓，其圓 點位於磁傳感器坐標系原點，半徑為1 ；持續獲取磁傳感器採集到的物理量級別磁數據，更 新磁物理量數據的最大值/最小值，並利用磁物理量數據的最大值/最小值動態計算橢圓 的幾何中心；將橢圓幾何中心以及兩次不同採樣點帶入橢圓標準方程，計算出橢圓方程的 長半軸/短半軸參數，進而計算出因磁傳感器自身誤差造成的靈敏度誤差和非正交度並補 償。將新採集到的數據帶入更新參數後的橢圓方程F(x，y)，計算出其平方的數值F2(x，y)， 並與預設的閥值做比較，如果連續若干數據都超出閥值，則說明當前參數構成的橢圓圖形 與已有採樣點軌跡所構成的圖形在圖形層面不匹配，需要重複上面計算橢圓參數的過程。 否則，說明目前圖形匹配較好，繼續計算新的磁物理量數據採樣。
具體實施方式
包括有以下步驟1.建立一個特殊的橢圓——單位圓，圓心位於磁傳感器X/Y坐標系原點，半徑為
Io2.採集磁傳感器數據，獲得當前周圍磁場磁感強度的最大值/最小值坐標並保 存；同時對數據進行數值映射，將數據投影到嵌入式處理器能夠容納的數值範圍內；其中 涉及使用的公式為formula see original document page 0
其中A表示待映射的數據，Rmax/Rmin表示映射後的數據最大值和最小值，KJKm 表示待映射的數據最大值和最小值。3.判斷該採樣點對當前橢圓的質量分數，如果超過預設的閥值，則進入步驟4 ；否 則計算指針指向後推出，下次採樣仍然進入步驟2 ；其中涉及使用的公式為formula see original document page 0
4.取最大值/最小值採樣點線段的中點作為採樣點軌跡的幾何中心並建立坐標 系；Xoriginal = (Xmax+Xmin)/2 _8] Yoriginal = (Ymax+Ymin)/2其中X。Hginal、Yoriginal表示新建立的坐標系原點在原坐標系中的坐標，Xmax/Ymax表 示X/Y兩軸坐標數值的最大值，xmin/Ymin表示X/Y兩軸坐標數值的最小值。5.通過兩組採樣數據求出最接近當前已有採樣點軌跡的橢圓，並將計算結果反映射回到原有的數值範圍；其採用橢圓標準方程公式X2/a2+y7b2 = 1進行計算x02/a2+y02/b2 = 1X1Va^y1Vb2 = 1a2 = (y>x02-y02*xi2) / (Yi2-Y02)b2 = (a2*yi2)/(a2-Xl2)6.返回步驟2繼續執行。本發明涉及的校準算法的流程如上述步驟1 6所述，當用戶將設備在水平面扭 動出一個「 8 」字之後(或水平旋轉超過半圈即可)，根據本發明涉及的校準算法計算出的橢 圓已經基本最接近已有的採樣點軌跡和未採集到的數據點所組成的軌跡了，此時設備即可 實現精確指向。本發明採用新的校準原理，大大簡化了校準過程，並且更關注於校準結果所構成 的幾何圖形與採樣點軌跡圖形，在圖形層面的匹配，實現最優匹配。如此還可以高準確度的 計算出一般磁傳感器的各軸靈敏度誤差以及各軸的非正交度誤差，並高精度的補償。同時 完全實時自動校準，也可以配合手動校準。另外，使用磁物理量數據進行計算，方便磁傳感 器更新替換。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為 限，但凡本領域普通技術人員根據本發明揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利 要求書中記載的保護範圍內。
權利要求
一種兩維指南針校準算法，其特徵在於包括有以下步驟建立一個特殊的橢圓單位圓，其圓點位於指南針的磁傳感器坐標系原點，半徑為1；持續獲取磁傳感器採集到的物理量級別磁數據，更新磁物理量數據的最大值/最小值，並將新採集到的數據帶入第一橢圓方程，計算出其平方的數值，並與預設的閥值做比較，如果數據超出閥值，則進入到計算橢圓參數的步驟；採集磁傳感器數據，獲得當前周圍磁場磁感強度的最大值/最小值坐標並保存，利用已採集到的磁物理量數據的最大值/最小值動態計算橢圓的幾何中心；將橢圓幾何中心以及兩次不同採樣點帶入第二橢圓方程，計算出第二橢圓方程的長半軸/短半軸參數，進而計算出因磁傳感器自身誤差造成的靈敏度誤差和非正交度並補償；將計算結果保存到校準參數存儲空間中。
2.根據權利要求1所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中涉及使用的第一橢 圓方程為 F(x，y) = b2*X2+a2*y2-a2*b2。
3.根據權利要求1所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中在獲取磁傳感器採 集到的物理量級別磁數據時，對採集到的數據進行數據處理，並將數據投影到嵌入式處理 器能夠容納的數值範圍內。
4.根據權利要求3所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中對磁傳感器採集到 的數據涉及使用的數據處理公式為A = A* (Rmax-Rmin) / (Amax-Amin)其中A表示待映射的數據，Rmax/Rmin表示映射後的數據最大值和最小值，Amax/Amin表示 待映射的數據最大值和最小值。
5.根據權利要求1所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中其為當連續若干數 據都超出閥值時，則進入到計算橢圓參數的步驟。
6.根據權利要求1所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中動態計算橢圓的幾 何中心的方式為取磁物理量數據最大值/最小值採樣點線段的中點作為採樣點軌跡的幾 何中心，並建立新的坐標系。
7.根據權利要求6所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中建立新坐標系涉及 使用的公式為formula see original document page 2其中X iginal、Yoriginal表示新建立的坐標系原點在原坐標系中的坐標，表示X/ Y兩維坐標數值的最大值，Xmin/Ymin表示X/Y兩維坐標數值的最小值。
8.根據權利要求1所述的兩維指南針校準算法，其特徵在於其中涉及使用的第二橢 圓方程為標準橢圓方程x2/a2+y2/b2 = 1，計算方式為formula see original document page 2
全文摘要
本發明公開了一種兩維指南針校準算法，其包括有以下步驟。首先是建立一個特殊的橢圓-單位圓。持續獲取磁傳感器採集到的物理量級別磁數據，更新磁物理量數據的最大值/最小值，並利用磁物理量數據的最大值/最小值動態計算橢圓的幾何中心。將橢圓幾何中心以及兩次不同採樣點帶入橢圓標準方程，計算出橢圓方程的長半軸/短半軸參數，進而計算出因磁傳感器自身誤差造成的靈敏度誤差和非正交度並補償。本發明涉及的兩維指南針校準算法，基於最小二乘法的橢圓擬合方法，實現了兩維指南針新式的、數學層面的、簡便的校準。
文檔編號G01C17/38GK101806595SQ201010150238
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者司學琴, 周宏繼, 曹海軍, 榮毅, 趙華東 申請人:美新半導體(無錫)有限公司