本發(fā)明涉及三軸磁傳感器技術領域，特別是指一種三軸磁傳感器標定方法及裝置。

背景技術：

三軸磁傳感器是地磁航向測量系統(tǒng)的核心設備，在實際使用中，三軸磁傳感器存在零偏誤差、靈敏度誤差、非正交誤差、非對準誤差、硬磁干擾及軟磁干擾誤差。為保證航向測量的精度，需對三軸磁傳感器進行誤差參數(shù)的標定。為避免室內設備及建筑材料對環(huán)境磁場的干擾，常需在室外進行三軸磁傳感器標定實驗，使用現(xiàn)有的三軸磁傳感器標定設備進行室外標定實驗的缺點是：不便攜帶，需尋找室外電源為現(xiàn)有的三軸磁傳感器標定設備供電。

三軸磁傳感器誤差參數(shù)標定可分為三軸磁傳感器坐標系標定與非對準標定；對于非對準標定，可以基于定軸轉動過程中恒定磁場在轉動軸上投影不變的特性，以載體坐標軸為轉動軸進行定軸轉動，并對轉動過程中三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行主成分分析以確定非對準誤差矩陣，但是，在實際操作中由非理想定軸轉動、測量噪聲以及數(shù)值計算會導致標定結果存在符號錯誤。

引入的誤差將使標定結果的各分量間不滿足正交關系，即標定結果為非正交矩陣，這將在三軸磁傳感器校正過程中引入新的誤差。

標定結果存在符號錯誤及非正交問題的缺點，提供一種能夠獨立進行且具有符號修正及非正交修正功能的非對準標定方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種三軸磁傳感器標定方法及裝置，以解決現(xiàn)有技術所存在的標定結果存在符號錯誤及標定設備不便攜帶且需要室外電源為其供電的問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供一種三軸磁傳感器標定方法，包括：

獲取第一組標定點下三軸磁傳感器的測量數(shù)據；

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣

根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和

對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正。

進一步地，一個具體的傾斜狀態(tài)及航向角對應一個標定點。

進一步地，所述根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣包括：

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果校正所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，并采用主成分分析法標定初始非對準誤差矩陣其中，表示的分量。

進一步地，所述根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果校正所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，并采用主成分分析法標定初始非對準誤差矩陣包括：

對的分量進行標定時，將所述三軸磁傳感器繞載體x軸轉動，獲取第一組標定點下的三軸磁傳感器的n個測量數(shù)據

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果對所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的n個測量數(shù)據進行校正得到校正數(shù)據

對校正數(shù)據進行去均值處理得到去均值后的數(shù)據

計算協(xié)方差矩陣并對角化，得到C＝Pdiag(λ₁,λ₂,λ₃)P^T，P＝[P₁,P₂,P₃]，λ₁>λ₂>λ₃，則

其中，λ₁,λ₂,λ₃是對角化后的協(xié)方差矩陣的特征值，P＝[P₁,P₂,P₃]是對角化后的協(xié)方差矩陣的特征向量，diag(·)表示對角矩陣，T表示轉置；

的分量的標定過程與相同，標定時，所述三軸磁傳感器分別繞載體y軸與z軸轉動，數(shù)據處理過程與相同，的取值等于各自標定過程的P₃。

進一步地，所述其中，表示的均值。

進一步地，所述對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正之后，所述方法還包括：

將方差貢獻率作為指標，評價各分量的標定效果，其中，方差貢獻率低表明標定效果好；

通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，其中，所述叉乘運算的順序按右手定則確定。

進一步地，所述通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，其中，所述叉乘運算的順序按右手定則確定包括：

若α_z<α_x<α_y，則根據正交修正表達式對符號修正后的進行正交修正，正交修正后的表示為所述正交修正表達式為：

其中，α_x,α_y,α_z分別為分量的方差貢獻率。

本發(fā)明的上述技術方案的有益效果如下：

上述方案中，通過預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正，消除非對準誤差矩陣存在的符號錯誤，從而能夠提高三軸磁傳感器的測量數(shù)據校正精度，且無需依賴其他輔助傳感器。

本發(fā)明實施例還提供一種三軸磁傳感器標定裝置，包括：

模數(shù)轉換單元，用于對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行模數(shù)轉換，并將模數(shù)轉換后的信號發(fā)送給信息處理單元；

信息處理單元，用于對所述模數(shù)轉換后的信號進行處理，標定非對準誤差矩陣；

第一電源單元，用于為所述三軸磁傳感器供電；

第二電源單元，用于為所述模數(shù)轉換單元、信息處理單元、第一電源單元供電。

進一步地，所述信息處理單元包括：

獲取模塊，用于獲取第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號；

標定模塊，用于根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號，標定初始非對準誤差矩陣

校正模塊，用于根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和

符號修正模塊，用于對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正。

進一步地，所述信息處理單元還包括：

評價模塊，用于將方差貢獻率作為指標，評價各分量的標定效果，所述方差貢獻率低表明標定效果好；

正交修正模塊，用于通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，所述叉乘運算的順序按右手定則確定；

其中，所述正交修正模塊，具體用于若α_z<α_x<α_y，則根據正交修正表達式對符號修正后的進行正交修正，正交修正后的表示為所述正交修正表達式為：

其中，α_x,α_y,α_z分別為各分量的方差貢獻率。

本發(fā)明的上述技術方案的有益效果如下：

上述方案中，通過模數(shù)轉換單元對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行模數(shù)轉換，并將模數(shù)轉換后的信號發(fā)送給信息處理單元；通過信息處理單元對所述模數(shù)轉換后的信號進行處理，標定非對準誤差矩陣；通過第一電源單元為所述三軸磁傳感器供電；通過第二電源單元為所述模數(shù)轉換單元、信息處理單元、第一電源單元供電，這樣，能夠在室外無電源的條件下長時間進行標定實驗，且所述裝置結構簡單，便于攜帶。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的符號修正前后航向角誤差示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的正交修正前后航向角誤差示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的三軸磁傳感器標定裝置的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的三軸磁傳感器標定裝置的詳細結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發(fā)明針對現(xiàn)有的標定結果存在符號錯誤及標定設備不便攜帶且需要室外電源為其供電的問題，提供一種三軸磁傳感器標定方法及裝置。

實施例一

參看圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種三軸磁傳感器標定方法，包括：

獲取第一組標定點下三軸磁傳感器的測量數(shù)據；

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣

根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和

對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正。

本發(fā)明實施例所述的三軸磁傳感器標定方法，通過預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正，消除非對準誤差矩陣存在的符號錯誤，從而能夠提高三軸磁傳感器的測量數(shù)據校正精度，且無需依賴其他輔助傳感器。

本實施例中，只需對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行處理，就能消除非對準誤差矩陣存在的符號錯誤，無需要其他的輔助信息：例如，輔助傳感器和航姿參考信息。

本實施例中，為了獲取第一組標定點下三軸磁傳感器的測量數(shù)據，首先，需將將所述三軸磁傳感器固定在三自由度手動轉臺上，并將所述三軸磁傳感器電源線及信號線與三軸磁傳感器標定裝置對應接口相連。對所述轉臺進行水平校準，打開所述三軸磁傳感器標定裝置電源開關，調整所述轉臺姿態(tài)角，并逐個采集不同傾斜狀態(tài)及航向角條件下的所述三軸磁傳感器的測量數(shù)據。

本實施例中，傾斜狀態(tài)依次取水平、橫滾+90°及俯仰+90°，在各傾斜狀態(tài)下航向角取值范圍為0°-330°，間隔為30°；一個具體的傾斜狀態(tài)及航向角對應一個標定點，將此時條件下的標定點作為第一組標定點，所述第一組標定點用于非對準標定。

本實施例中，傾斜狀態(tài)還可以依次取為水平、橫滾±30°、橫滾±60°、橫滾+90°、俯仰±30°、俯仰±60°、俯仰+90°，在各傾斜狀態(tài)下航向角取值范圍為0°-330°，間隔為30°；將此時條件下的標定點作為第二組標定點，所述第二組標定點用于三軸磁傳感器坐標系標定。

本實施例中，獲取所述第二組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，得到三軸磁傳感器坐標系標定結果，所述三軸磁傳感器坐標系標定結果包括：三軸磁傳感器誤差矩陣零偏向量其中，

在前述三軸磁傳感器標定方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，標定初始非對準誤差矩陣包括：

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果校正所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，并采用主成分分析法標定初始非對準誤差矩陣其中，表示的分量。

在前述三軸磁傳感器標定方法的具體實施方式中，進一步地，所述根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果校正所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據，并采用主成分分析法標定初始非對準誤差矩陣包括：

對的分量進行標定時，將所述三軸磁傳感器繞載體x軸轉動，獲取第一組標定點下的三軸磁傳感器的n個測量數(shù)據

根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果對所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的n個測量數(shù)據進行校正得到校正數(shù)據

對校正數(shù)據進行去均值處理得到去均值后的數(shù)據其中，所述其中，表示的均值；

計算協(xié)方差矩陣并對角化，得到C＝Pdiag(λ₁,λ₂,λ₃)P^T，P＝[P₁,P₂,P₃]，λ₁>λ₂>λ₃，則

其中，λ₁,λ₂,λ₃是對角化后的協(xié)方差矩陣的特征值，P＝[P₁,P₂,P₃]是對角化后的協(xié)方差矩陣的特征向量，diag(·)表示對角矩陣，T表示轉置；

的分量的標定過程與相同，標定時，所述三軸磁傳感器分別繞載體y軸與z軸轉動，數(shù)據處理過程與相同，的取值等于各自標定過程的P₃。

本實施例中，的分量進行標定后，得到

接著，對進行符號修正：從所述第一組標定點中取一個標定點，若在取的該標定點下，三軸磁傳感器的測量數(shù)據h_s＝[-3801,46310,28677]^T，對該測量數(shù)據進行校正，得到：其中，中的-1表示逆矩陣，對比h_s與第2、3分量存在符號差異，對的第2、3列取負進行符號修正，符號修正后的為：

在前述三軸磁傳感器標定方法的具體實施方式中，進一步地，所述對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正之后，所述方法還包括：

將方差貢獻率作為指標，評價各分量的標定效果，其中，方差貢獻率低表明標定效果好；

通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，其中，所述叉乘運算的順序按右手定則確定。

在前述三軸磁傳感器標定方法的具體實施方式中，進一步地，所述通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，其中，所述叉乘運算的順序按右手定則確定包括：

若α_z<α_x<α_y，則根據正交修正表達式對符號修正后的進行正交修正，正交修正后的表示為所述正交修正表達式為：

其中，α_x,α_y,α_z分別為各分量的方差貢獻率。

本實施例中，α_x,α_y,α_z的作用是衡量的標定效果，α_x,α_y,α_z取值越小說明標定效果越好，正交修正表達式是以三者間的大小關系為依據的。例如，

若各分量的方差貢獻率分別為：9.1×10-7，1.2×10-6，9.5×10-7，對進行正交修正，則正交修正后的表示為其中，

修正后的為：

本實施例中，正交修正方法能夠修正初始非對準矩陣存在的分量間不正交問題，從而能夠提高測量數(shù)據校正精度。

本實施例中，分別應用符號修正與正交修正后的標定結果無符號修正的標定結果以及無正交修正的標定結果對所述三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行校正，并利用轉臺提供的姿態(tài)角信息計算航向角誤差。符號修正前后航向角誤差如圖1所示，正交修正前后航向角誤差如圖2所示，如圖1和圖2所示，經符號修正與正交修正，校正后航向角最大誤差為0.40°，均方根誤差為0.21°；無符號修正校正后航向角最大誤差為180.00°，均方根誤差為102.90°；無正交修正校正后航向角最大誤差為1.39°，均方根誤差為0.62°。

實施例二

參看圖3所示，本發(fā)明實施例還提供一種三軸磁傳感器標定裝置，包括：

模數(shù)轉換單元11，用于對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行模數(shù)轉換，并將模數(shù)轉換后的信號發(fā)送給信息處理單元；

信息處理單元12，用于對所述模數(shù)轉換后的信號進行處理，標定非對準誤差矩陣；

第一電源單元13，用于為所述三軸磁傳感器供電；

第二電源單元14，用于為所述模數(shù)轉換單元、信息處理單元、第一電源單元供電。

本發(fā)明實施例所述的三軸磁傳感器標定裝置，通過模數(shù)轉換單元對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據進行模數(shù)轉換，并將模數(shù)轉換后的信號發(fā)送給信息處理單元；通過信息處理單元對所述模數(shù)轉換后的信號進行處理，標定非對準誤差矩陣；通過第一電源單元為所述三軸磁傳感器供電；通過第二電源單元為所述模數(shù)轉換單元、信息處理單元、第一電源單元供電，這樣，能夠在室外無電源的條件下長時間進行標定實驗，且所述裝置結構簡單，便于攜帶。

本實施例中，所述信息處理單元的功能可由個人電腦、平板電腦、可編程邏輯控制器、智能芯片單元等實現(xiàn)。

如圖4所示，本實施例中，所述第一電源單元可以是直流電源3，所述第二電源單元可以包括：蓄電池4和逆變器5。所述裝置除了包括：信息處理單元1、模數(shù)(AD)轉換單元2、直流電源3、蓄電池4、逆變器5，所述裝置還包括：便攜式機箱、電源開關6、充電接口7、電源接口8、信號接口9及連接導線(其中，實線為供電連接導線，虛線為信號連接導線)；具體的，可以在所述便攜式機箱前面板安裝信息處理單元1及電源開關6，在所述便攜式機箱底板安裝AD轉換單元2、直流電源3、蓄電池4及逆變器5，在所述便攜式機箱后面板安裝充電接口7、電源接口8及信號接口9。這樣，將各組件安裝在所述便攜式機箱內，便于攜帶；且所述裝置還配置有蓄電池及逆變器，能夠在室外無電源的條件下長時間進行標定實驗。

本實施例中，電源接口用于連接三軸磁傳感器三軸磁傳感器的電源線，直流電源通過所述電源接口向三軸磁傳感器供電，信號接口用于連接三軸磁傳感器的信號線，AD轉換單元用于將三軸磁傳感器的測量數(shù)據轉化為數(shù)字信號，信息處理單元用于對所述轉化后的數(shù)字信號進行處理，輸出標定結果；蓄電池是所述三軸磁傳感器標定裝置的電源，充電接口用于連接蓄電池的充電線，電源開關用于接通和斷開蓄電池供電連接，逆變器的輸入是蓄電池輸出的直流電，輸出是220V交流電，逆變器是對蓄電池輸出電源進行轉換，為信息處理單元、AD轉換單元及直流電源供電，操作簡單。

在前述三軸磁傳感器標定裝置的具體實施方式中，進一步地，所述信息處理單元包括：

獲取模塊，用于獲取第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號；

標定模塊，用于根據預先存儲的三軸磁傳感器坐標系標定結果和獲取的所述第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號，標定初始非對準誤差矩陣

校正模塊，用于根據預先存儲的所述三軸磁傳感器坐標系標定結果及標定的所述初始非對準誤差矩陣對獲取的第一組標定點下的三軸磁傳感器的測量數(shù)據對應的數(shù)字信號進行校正，將本次校正前后的測量數(shù)據分別表示為h_s和

符號修正模塊，用于對比h_s和對應分量的符號，若h_s和對應分量的符號不一致，則將對應分量取負完成符號修正。

在前述三軸磁傳感器標定裝置的具體實施方式中，進一步地，所述信息處理單元還包括：

評價模塊，用于將方差貢獻率作為指標，評價各分量的標定效果，所述方差貢獻率低表明標定效果好；

正交修正模塊，用于通過叉乘運算利用標定效果好的分量重新計算標定效果差的分量，所述叉乘運算的順序按右手定則確定；

其中，所述正交修正模塊，具體用于若α_z<α_x<α_y，則根據正交修正表達式對符號修正后的進行正交修正，正交修正后的表示為所述正交修正表達式為：

其中，α_x,α_y,α_z分別為各分量的方差貢獻率。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。