一種應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于檢測領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方 法，可在線計算微小型無人機中磁強計的校準(zhǔn)參數(shù)，得到磁強計在整機條件下的準(zhǔn)確輸出。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁強計由于其尺寸、重量、功耗上的優(yōu)勢，且通過與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，可實時修 正導(dǎo)航系統(tǒng)的航向信息，消除航向累積誤差，在微小型無人機導(dǎo)航系統(tǒng)中被廣泛采用。
[0003] 磁強計在微小型無人機中輸出的航向精度主要受三個方面因素影響。一為磁強計 自身存在的傳感器誤差，包括傳感器零位偏差、靈敏度誤差，正交性誤差等；二為環(huán)境磁干 擾誤差，微小型無人機體積較小，機載設(shè)備電磁環(huán)境復(fù)雜，引入了較強的硬磁干擾與軟磁干 擾，使得磁強計工作環(huán)境較為惡劣；三為磁強計的安裝誤差，由于微小型無人機中磁強計尺 寸較小，無嚴(yán)格工裝，通常與機體坐標(biāo)系存在較大的安裝誤差。如何消除與削弱這些誤差對 磁強計的影響，是提尚航向精度的關(guān)鍵。
[0004] 目前磁強計的校準(zhǔn)方法按標(biāo)定條件分主要有無磁轉(zhuǎn)臺下的離線標(biāo)定與存在磁干 擾的在線標(biāo)定，按標(biāo)定方法分主要有多位置法與橢球擬合法等。離線標(biāo)定針對的是磁強計 傳感器自身的誤差參數(shù)，標(biāo)定過程較為復(fù)雜，標(biāo)定效率低、成本高，且在微小型無人機中使 用中仍需對外界磁干擾等誤差進(jìn)行再次標(biāo)定。在線標(biāo)定允許在有磁環(huán)境下進(jìn)行磁強計的標(biāo) 定，能夠?qū)ν饨绱鸥蓴_誤差做出有效補償，但由于微小型無人機中，磁強計工作環(huán)境較為特 殊，通常的在線標(biāo)定方法未能對所有誤差源進(jìn)行有效補償，造成磁強計輸出航向精度不高， 無法滿足微小型無人機實際使用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對微小型無人機中磁強計標(biāo)定復(fù)雜，標(biāo)定參數(shù) 不全的情況，整合了磁強計在微小型無人機的主要誤差參數(shù)，一體化在線計算標(biāo)校參數(shù)，提 高微小型無人機中磁強計的標(biāo)定效率與輸出精度。
[0006] 本發(fā)明包括如下的技術(shù)方案：
[0007] 一種應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方法，整合了磁強計在微小型無人機 中的三類誤差，誤差主要包括環(huán)境磁干擾誤差、傳感器誤差以及安裝誤差。
[0008] 磁干擾誤差主要包括硬磁干擾與軟磁干擾兩種，分別由機載的硬磁材料與軟磁材 料引起。
[0009] 傳感器誤差主要包括磁強計的零偏誤差，靈敏度誤差，正交性誤差。
[0010] 安裝誤差為磁強計的傳感器坐標(biāo)系與微小型無人機的機體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)誤 差矩陣，主要由人為安裝原因、工裝誤差等造成。
[0011] 由于微小型無人機中磁強計位置相對于機體位置固定不變，即機體磁干擾源相對 磁強計位置固定不變，因此，本發(fā)明將外界硬磁干擾與磁強計的零偏誤差整合，外界軟磁干 擾與磁強計的靈敏度誤差整合，對磁干擾誤差、磁強計傳感器誤差統(tǒng)一進(jìn)行橢球擬合計算， 同時根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合微小型無人機的姿態(tài)信息，計算安裝誤差的旋轉(zhuǎn)誤差矩陣，最后， 聯(lián)立所求的誤差參數(shù)，計算出針對微小型無人機整機條件下的磁強計校準(zhǔn)參數(shù)。
[0012] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)有如下優(yōu)點：
[0013] (1)本發(fā)明在微小型無人機整機條件下進(jìn)行磁強計校準(zhǔn)，一體化程度高，工程適用 性強；
[0014] (2)本發(fā)明充分考慮到磁強計在微小型無人機中較為特殊的工作環(huán)境，對整機條 件下的各種誤差進(jìn)行補償，針對性更強，誤差參數(shù)更齊全；
[0015] (3)本發(fā)明標(biāo)定方法靈活，針對微型無人機布局改變、磁強計安裝參數(shù)變化等情 況，可有選擇性的重新標(biāo)定對應(yīng)改變部分的參數(shù)，無需重新標(biāo)定，執(zhí)行效率高；
[0016] (4)本發(fā)明對工裝等無要求，且可在手持條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，操作簡單，可行性高。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方法的流程框圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明標(biāo)定過程中微小型無人機的轉(zhuǎn)動示意圖（本發(fā)明所采用坐標(biāo)系均為 東北天坐標(biāo)系）；
[0019] 圖3為磁強計的傳感器坐標(biāo)系與微小型無人機機體坐標(biāo)系的安裝誤差示意圖（其 中坐標(biāo)系〇x bybzb為微小型無人機機體坐標(biāo)系，O XmYmZm為磁強計傳感器坐標(biāo)系）。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。
[0021] 標(biāo)定進(jìn)行前，需要對無人機整機進(jìn)行上電，使磁強計的校準(zhǔn)環(huán)境與飛行過程中的 工作環(huán)境相近。
[0022] 標(biāo)定過程中，將微小型無人機按照圖2所示方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以確保校準(zhǔn)精度。無人 機通過檢測傳感器狀態(tài)在對應(yīng)姿態(tài)采集磁強計數(shù)據(jù)，進(jìn)行對應(yīng)過程的誤差參數(shù)解算，相關(guān) 控制指令通過無人機地面站發(fā)送，參見圖1，實現(xiàn)對微小型無人機的整機磁強計在線校準(zhǔn)。 校準(zhǔn)內(nèi)容包括：外界磁干擾與磁強計傳感器誤差參數(shù)計算，安裝誤差參數(shù)計算，整機誤差參 數(shù)整合。
[0023] 具體實施方法如下：
[0024] 一、外界磁干擾與磁強計傳感器誤差的參數(shù)計算
[0025] 本發(fā)明將外界硬磁干擾與磁強計的零偏誤差整合，外界軟磁干擾與磁強計的靈敏 度誤差整合，對磁干擾誤差、磁強計傳感器誤差同時進(jìn)行橢球擬合計算。
[0026] 首先將微小型無人機分別繞磁強計XYZ三軸進(jìn)行多位置旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方式如圖2所 示，記錄旋轉(zhuǎn)過程中磁強計輸出：
[0027]
【主權(quán)項】
1. 一種應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述方法將外界硬 磁干擾與磁強計的零偏誤差整合，外界軟磁干擾與磁強計的靈敏度誤差整合，對磁干擾誤 差、磁強計傳感器誤差統(tǒng)一進(jìn)行橢球擬合計算，同時根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合微小型無人機的姿 態(tài)信息，計算安裝誤差的旋轉(zhuǎn)誤差矩陣，最后，聯(lián)立所求的誤差參數(shù)，計算出針對微小型無 人機整機條件下的磁強計校準(zhǔn)參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具體包括： 1) 外界磁干擾與磁強計傳感器共同作用下的校準(zhǔn)參數(shù)的計算； 2) 安裝誤差參數(shù)的計算； 3) 整機誤差參數(shù)的整合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟1)具體為： 11) 將微小型無人機分別繞磁強計XYZ三軸進(jìn)行多位置旋轉(zhuǎn)，記錄旋轉(zhuǎn)過程中磁強計 輸出：
其中m：>X(kl，2,3...?)為磁強計XYZ三軸第i次測量的原始數(shù)據(jù)輸出； 12) 根據(jù)橢球擬合公式利用遞推最小二乘計算外界磁干擾與磁強計傳感器誤差共同作 用下的校準(zhǔn)參數(shù)：
其中，kx，ky，kz為靈敏度誤差因子，a，0，y為軸間不正交誤差角，為磁強計 原始輸出，mbx,mby,mbz為零偏誤差，mx,my,mz為初步校正后磁強計輸出，M為當(dāng)?shù)卮艌鰪姸取? 校準(zhǔn)完成后，無人機記錄kx,ky,kz,a，|3，y，mbx,mby,mbz9個參數(shù)，通過地面站指令步驟 2)的計算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟2)具體為： 21)設(shè)磁強計傳感器坐標(biāo)系m偏離無人機機體坐標(biāo)系b的偏離角(i>x、巾y、4>z，假設(shè)4>x、 傘y、<^均為小角，則安裝誤差矩陣cf可以表示為：
22) 再次將微小型無人機分別繞磁強計XYZ三軸進(jìn)行多位置旋轉(zhuǎn)，根據(jù)步驟1)計算所 得參數(shù)kx,ky,kz,a，0，y，mbx,mby,mbz，記錄旋轉(zhuǎn)過程中校正后的磁強計輸出：
其中mxi，myi，mzi，（i= 1，2, 3…n)為磁強計XYZ三軸第i次測量校正后的數(shù)據(jù)輸出； 23) 利用微小型無人機的姿態(tài)數(shù)據(jù)滾轉(zhuǎn)角妒、俯仰角0、航向角！K對安裝誤差矩陣 參數(shù)利用遞推最小二乘法進(jìn)行計算；
其中，!11!￡，1117，1^為經(jīng)步驟1)校正后磁強計輸出，11 !￡，7，1^為地磁場在導(dǎo)航坐標(biāo)系下分 量，為待測傳感器安裝誤差矩陣； 校準(zhǔn)完成后，無人機記錄4>x、巾y、4>z3個參數(shù)，通過地面站指令開始步驟3)的計算。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟3)對步驟1)、步驟2)計算所 得的誤差參數(shù)進(jìn)行整合計算，最終得到微小型無人機整機的磁強計誤差參數(shù)為誤差矩陣 Ctotal' 零偏誤差Mb。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，磁強計的輸出校正為 Mcai=Ctotal ? (M〇-Mb) 其中，Mm1為整機校準(zhǔn)后磁強計輸出，M^為磁強計原始輸出。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(yīng)用于微小型無人機的整機磁強計校準(zhǔn)方法，所述方法將外界硬磁干擾與磁強計的零偏誤差整合，外界軟磁干擾與磁強計的靈敏度誤差整合，對磁干擾誤差、磁強計傳感器誤差統(tǒng)一進(jìn)行橢球擬合計算，同時根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合微小型無人機的姿態(tài)信息，計算安裝誤差的旋轉(zhuǎn)誤差矩陣，最后，聯(lián)立所求的誤差參數(shù)，計算出針對微小型無人機整機條件下的磁強計校準(zhǔn)參數(shù)。本發(fā)明的磁強計校準(zhǔn)參數(shù)整合了環(huán)境磁干擾參數(shù)、傳感器誤差參數(shù)以及安裝誤差參數(shù)三大類誤差參數(shù)。該方法具備一體化程度高，工程適用性強，校準(zhǔn)精度高等特點。
【IPC分類】G01C25-00
【公開號】CN104613983
【申請?zhí)枴緾N201510056387
【發(fā)明人】樊鵬輝, 魏雅川, 倪書豪, 劉偉, 龔晶, 苗楠, 梁宇恒
【申請人】中國航天時代電子公司
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月3日