电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法，涉及电子罗盘的误差补偿领域，其方法为：先选择一电子罗盘，得到MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的理论值和初始测量值、和x、y轴上多个样本点的初始磁场强度，送入卡尔曼滤波器；再求解MEMS三轴加速度计的误差补偿参数矩阵、以及磁场数据的椭圆拟合参数，分别对MEMS三轴加速度计和磁传感器数据进行补偿，本发明专利技术不仅能减小数据输出噪声，还能有效地补偿MEMS加速度计自身零偏、刻度因子、非正交及安装误差，并且对外界的磁场干扰进行补偿。精度较高，操作简单，易于实现，具有重要的工程实用价值。具有重要的工程实用价值。具有重要的工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】
电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法


[0001]本专利技术涉及电子罗盘的误差补偿领域，尤其涉及一种电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法。

技术介绍

[0002]电子罗盘中，会用到MEMS三轴加速度计和磁传感器。
[0003]关于MEMS三轴加速度计：目前MEMS三轴加速度计存在较大的测量噪声，可达数百mg，严重影响后续的数据处理。这些问题主要是因由以下几个方面产生的：1、未处理传感器输出数据，输出数据存在较大噪声，严重影响测量精度。
[0004]2、MEMS三轴加速度计自身存在零偏误差、刻度因子误差、非线性误差、三轴非正交误差以及安装误差，严重影响电子罗盘的倾斜角测量和补偿精度。
[0005]3、受到外界干扰磁场的影响，磁测数据与真实值偏差较大。
[0006]综上，MEMS三轴加速度计的误差主要来源于自身的零偏误差、刻度因子误差、非线性误差、以及安装使用时的安装误差等，如何对这些误差进行标定和补偿，是亟需解决的问题。
[0007]关于磁传感器：外界环境干扰磁场会造成磁场测量误差，故磁传感器测得的数据与实际数据也会存在偏差。
[0008]由于加速度和磁场强度均存在偏差，我们在用到二者之一或二者结合进行后续数据处理时，会导致数据偏差较大。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的就在于提供一种解决上述问题，能克服电、三轴加速度计自身的零偏误差、刻度因子误差、非线性误差、以及安装使用时的安装误差的，电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法，包括以下步骤；S1.选择一电子罗盘，所述电子罗盘包括MEMS三轴加速度计和磁传感器；通过六位置标定法，得到MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的理论值和初始测量值；罗盘沿x、y轴形成的平面旋转一周，由磁传感器得到x、y轴上多个样本点的初始磁场强度；S2.将初始测量值和初始磁场强度值分别送入卡尔曼滤波器中处理，得到MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的优化测量值、和x、y轴上多个样本点的优化磁场强度；S3.求解MEMS三轴加速度计的误差补偿参数矩阵，包括步骤S31
‑
S32；S31.建立MEMS三轴加速度计的误差补偿参数矩阵求取模型；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中，和分别为三轴加速度计在第i个位置的理论值和第j个位置的优化测量值；，g
x
、g
y
、g
z
分别为MEMS三轴加速度计在x、y、z轴上的理论值；，G
x
、G
y
、G
z
分别为MEMS三轴加速度计在x、y、z轴上的优化测量值；S32.将MEMS三轴加速度计在六位置的理论值和优化测量值带入上式（1），求解得到误差补偿参数矩阵A4×3；S4.在xy平面上的设置椭圆方程，对样本点采用最小二乘椭圆拟合算法，求解椭圆参数A，B，C，D和E，进一步得到椭圆拟合参数并保存，所述椭圆拟合参数包括椭圆圆心（x0，y0）、长轴a、短轴b和椭圆旋转角θ；S5.将S1中电子罗盘置于实测场景中，按步骤S1、S2得到实测场景下，MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的优化测量值、和x、y轴上多个样本点的优化磁场强度；S6.对三轴加速度计进行补偿，包括步骤S61
‑
S62；S61.将A4×3前三行构成一综合误差系数矩阵K3×3，第四行三个元素从左到右依次标记为G
x0
、G
y0
、G
z0
，分别表示x、y、z轴上的零偏误差；S62.将S5中的优化测量值、K3×3、G
x0
、G
y0
、G
z0
带入下式，计算得到MEMS三轴加速度计在x、y、z轴上的补偿测量值g'
x
、g'
y
、g'
z
；=K3×3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）S7.采用椭圆拟合参数对优化磁场强度进行补偿，得到补偿磁场强度。
[0011]作为优选：S1中，所述六位置标定法具体为；S11将电子罗盘安装在三轴无磁转台上，使电子罗盘各敏感轴方向与三轴无磁转台一致，调整三轴无磁转台处于水平状态；S12接通电子罗盘电源，预热3分钟后，开始对MEMS三轴加速度计进行标定；S13调整三轴无磁转台，使MEMS三轴加速度计位于六位置中的第一个位置；S14数据采集；静止30秒，在静止状态下采集MEMS三轴加速度计的三轴输出数据，数据采集持续30秒；S15调整三轴无磁转台，使MEMS三轴加速度计分别位于六位置中的第2
‑
6个位置，在每个位置按照步骤S14进行数据采集。
[0012]关于卡尔曼滤波：
卡尔曼滤波算法是工程应用中最为广泛的一种最优估计算法。对于电子罗盘中使用的MEMS三轴加速度计，其系统状态转移矩阵A
k
、观测矩阵H
k
、动态噪声W
k
、观测噪声V
k
均可认为是固定值，即A
k
=A，H
k
=H，W
k
=W，V
k
=V，因此可得到MEMS三轴加速度计的卡尔曼滤波方程如下：状态向量预测方程为： ；状态向量协方差矩阵预测方程为：；卡尔曼滤波增益方程为：；状态向量更新方程为：；状态向量协方差矩阵更新方程为：；其中，表示根据k
‑
1时刻的三轴状态估计向量预测得到的k时刻的三轴状态预测向量，表示k
‑
1时刻的三轴状态估计向量，表示由k
‑
1时刻到k时刻的三轴状态预测误差协方差，表示k
‑
1时刻的三轴状态估计误差协方差。
[0013]我们对将数据进行卡尔曼滤波后，能有效减小测量噪声。
[0014]关于MEMS三轴加速度计，误差主要来源于自身的零偏误差、刻度因子误差、非线性误差、三轴非正交误差以及安装使用时的安装误差等。由于三轴非正交误差与安装误差产生的影响类似，在进行标定与补偿时，可以将两者统一表示为安装误差。因此，根据MEMS三轴加速度计的主要误差来源及特点，对某一位置而言，可将MEMS三轴加速度计的输出误差数学模型表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）式中，g
x0
、g
y0
、g
z0
表示MEMS三轴加速度计在x、y、z轴的零偏值，单位为g；g
x
、g
y
、g
z
表示MEMS三轴加速度计在x、y、z轴的理论值，单位为g；S
gxx
、S
gyy
、S
gzz
表示MEMS三轴加速度计的刻度因子系数；K
gxy
、K
gxz<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电子罗盘传感器误差及安装误差快速标定与补偿方法，其特征在于：包括以下步骤；S1.选择一电子罗盘，所述电子罗盘包括MEMS三轴加速度计和磁传感器；通过六位置标定法，得到MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的理论值和初始测量值；罗盘沿x、y轴形成的平面旋转一周，由磁传感器得到x、y轴上多个样本点的初始磁场强度；S2.将初始测量值和初始磁场强度值分别送入卡尔曼滤波器中处理，得到MEMS三轴加速度计在每个位置处x、y、z轴上的优化测量值、和x、y轴上多个样本点的优化磁场强度；S3.求解MEMS三轴加速度计的误差补偿参数矩阵，包括步骤S31
‑
S32；S31.建立MEMS三轴加速度计的误差补偿参数矩阵求取模型；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中， 和分别为三轴加速度计在第i个位置的理论值和第j个位置的优化测量值；，g
x
、g
y
、g
z
分别为MEMS三轴加速度计在x、y、z轴上的理论值；，G
x
、G
y
、G
z
分别为MEMS三轴加速度计在x、y、z轴上的优化测量值；S32.将MEMS三轴加速度计在六位置的理论值和优化测量值带入上式（1），求解得到误差补偿参数矩阵A4×3；S4.在xy平面上的设置椭圆方程，对样本点采用最小二乘椭圆拟合算法，求解椭圆参数A，B，C，D和E，进一步得到椭圆拟合参数并保存，所述椭圆拟合参数包括椭圆圆心（x0，y0）、长轴a，短轴b和椭圆旋转角θ；S5.将S1中电子罗盘置于实测场景中，按步骤S1、S2得到实测场景下，MEMS...

【专利技术属性】
技术研发人员：文泓琛，彭根斋，唐宝权，张芦，张志红，白雪，袁荟烽，
申请(专利权)人：西南应用磁学研究所中国电子科技集团公司第九研究所，
类型：发明
国别省市：