提供了使用运动传感器和附接至装置的磁力计来估计该装置的物体参照系相对于重力参照系的偏航角的方法。方法包括：（A）从运动传感器和磁力计接收测量数据；（B）基于所接收的测量数据，确定物体参照系中测量的3D磁场、装置的滚动角、俯仰角和偏航角的概估；（C）从测量的3D磁场提取局部3D磁场；以及（D）基于所提取的局部3D磁场、滚动角、俯仰角和偏航角的概估，使用至少两种不同的方法计算重力参照系中物体参照系的偏航角，其中，对于不同的方法，滚动角的估计误差、俯仰角的估计误差、以及提取的局部3D磁场对偏航角的误差具有不同影响。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及通过使用磁力计和其它运动传感器的测量数据来估计重力参照系中装置的偏航角和/或确定用于提取修正动态近场的静态磁场的参数的设备和方法。更具体地，通过使用并发测量数据，至少部分解析地提取用于将磁力计获取的信号转换成用于修正磁力计偏移、标度和交叉耦合/斜交、硬铁效应和软铁效应、以及对准偏差的局部磁场的参数。重力参照系中装置的偏航角可通过使用局部静态磁场(即，去除了已被追踪的近场的局部磁场)以及基于并发测量数据提取的当前滚动和俯仰来实时地估计。
技术介绍
日益流行和广泛使用的移动装置常常包括所谓的九轴传感器，该名称来源于3轴陀螺仪、3D加速计和3D磁力计。3D陀螺仪测量角速度。3D加速度计测量线性加速度。磁力计测量局部磁场向量(或其偏差)。尽管这些装置已经比较普及，但是这些九轴传感器可预测的能力并未完全开发，原因在于难以校正并难以从磁力计测量数据去除不希望的影响，以及实践中不能仅使用陀螺仪和加速计来可靠地估计偏航角。刚性主体(即，指定磁力计和运动传感器所附接的任何装置的刚性主体)相对于地固重力正交参照系的3维角度位置被唯一地限定。当使用磁力计和加速计时，方便地将重力参照系定义为具有沿重力的正Z轴、指向磁北的正X轴和指向东的正Y轴。加速计感测重力，虽然根据磁力计的测量数据，可从地球的指向北的磁场推测出重力(尽管已知地球的磁场与重力之间的角度可能不同于90° )。定义重力参照系的轴的这种方式不是用于限制。正交右手参照系的其它限定可基于两个已知的方向(重力和磁北)而获得。附接至3D主体的运动传感器测量其在相对于三维主体限定的主体正交参照系中的位置(或其变化)。例如，如用于飞机的图1所示，不失一般性地，物体参照系具有沿飞机的纵轴指向前的正X轴、沿右翼定向的正Y轴以及通过考虑右手正交参照系(右手法则)确定的正Z轴。如果飞机水平地飞行，则正Z轴沿重力方向与重力系统的Z轴对准。虽然可使用3D加速计和附接至主体的2D或3D旋转传感器并基于重力的已知方向来确定重力参照系中滚动和俯仰(例如，参见自由专利-美国专利第7，158，118号、第7，262，760号和第7，414，611号)，但是重力参照系中的偏航角更难以精确地估计，使得其更多地增加从磁力计测量数据得到的地球的磁场(或者更准确地来说为方位)的读数。基于欧拉定理，物体参照系和重力参照系(如两个正交的右手坐标系)可与绕坐标轴的旋转序列(不多于三个)关联，其中，顺次旋转绕不同的轴进行。这种旋转序列被认为是欧拉角-轴序列。这种参照旋转序列在图2中示出。这些旋转的角度为装置在重力参照系中的角度位置。3D磁力计测量3D磁场，3D磁场表示3D静态磁场(例如，地球的磁场)、硬铁效应和软铁效应、以及因外部时间相关电磁场而产生的3D动态近场的重叠。所测量的磁场依赖于磁力计的实际方位。如果硬铁效应、软铁效应和动态近场为零，则所测量的磁场的轨迹(当磁力计以不同的方向定位时)将为半径等于地球的磁场大小的球体。非零值的硬铁效应和软铁效应将所测量的磁场的轨迹从最初的形状偏移成椭圆体。硬铁效应由展示与地球的磁场重叠的恒定磁场的材料产生，从而产生所测量的磁场分量的恒定偏移。只要由于硬铁效应而导致磁场的方位和位置相对于磁力计是不变的，则相应的偏移也是不变的。不同于使磁场与地球磁场重叠的硬铁效应,软铁效应为影响、歪曲磁场(例如，铁或镍)的材料的结果，但不一定生成磁场本身。因此，软铁效应为所测量的磁场根据引起相对于磁力计和相对于地球磁场的效应的材料的位置和特性而产生变形。因此，软铁效应不能通过简单的偏移补偿，需要更复杂的过程。磁近场为所测量的磁场由于时间相关磁场而产生的动态变形。在缺少对三轴加速计和三轴旋转传感器的偏航的可靠估计的情况下(例如，因没有观察到绝对偏航角测量数据而引起的偏航角漂移问题)，磁近场补偿的磁力计测量数据可提供使其能够修正偏航角漂移的重要参照。通常，使用多个磁场测量数据来修正硬铁和软铁效应。该方法耗时且消耗内存。此夕卜，考虑到因硬铁和软铁效应导致的变形的动态本质，多个磁测量数据的差异也可能反映局部磁场在时间上的改变，使得当前测量过度修正或者修正不足。因此，期望提供能够实时、可靠地使用磁力计以及附接至装置的运动传感器来确定该装置的方位(即，包括偏航角的角度位置)，并同时避免前述问题和缺陷的装置、系统和方法。
技术实现思路
使用来自包括磁力计的传感器组合的并发测量数据获得局部3D静态磁场值，然后获得3D主体的偏航角的改进值的装置、系统和方法。根据一个示例性实施方式，提供了使用运动传感器和附接至装置的磁力计来估计该装置的物体参照系相对于重力参照系的偏航角的方法。方法包括:(A)从运动传感器和磁力计接收测量数据；(B)基于所接收的测量数据，确定物体参照系中测量的3D磁场、装置的滚动角、俯仰角和偏航角的概估；(C)从测量的3D磁场提取局部3D磁场；以及(D)基于所提取的局部3D磁场、滚动角、俯仰角和偏航角的概估，使用至少两种不同的方法计算重力参照系中物体参照系的偏航角，其中，对于不同的方法，滚动角的估计误差、俯仰角的估计误差、以及提取的局部3D磁场对偏航角的误差具有不同影响。根据另一示例性实施方式，提供了一种设备，其包括(A)具有刚性主体的装置；(B)3D磁力计，安装在装置上并且被配置为生成与局部磁场对应的测量数据；(C)运动传感器，安装在装置上并且被配置为生成与刚性主体的方位对应的测量数据；以及(D)至少一个处理单元。至少一个处理单元被配置为(I)从运动传感器和磁力计接收测量数据；(2)基于所接收的测量数据，确定物体参照系中测量的3D磁场、装置的滚动角、俯仰角和偏航角的概估；(3)从测量的3D磁场提取局部3D磁场；以及(4)基于所提取的局部3D磁场、滚动角、俯仰角和偏航角的概估，使用至少两种不同的方法计算重力参照系中装置的物体参照系的倾斜的补偿偏航角，其中，对于至少两种不同的方法，滚动角的估计误差、俯仰角的估计误差、以及提取的局部3D磁场的误差对倾斜的补偿偏航角的误差具有不同影响。根据另一示例性实施方式，提供了一种被配置为非瞬时地存储可执行代码的计算机可读存储介质，当可执行代码在计算机上执行时使计算机执行使用运动传感器和附接至装置的磁力计来估计装置的物体参照系相对于重力参照系的偏航角的方法。该方法包括:(A)从运动传感器和磁力计接收测量数据；(B)基于所接收的测量数据，确定物体参照系中测量的3D磁场、装置的滚动角、俯仰角和偏航角的概估；(C)从测量的3D磁场提取局部3D磁场；以及(D)基于所提取的局部3D磁场、滚动角、俯仰角和偏航角的概估,使用至少两种不同的方法计算重力参照系中物体参照系的偏航角，其中，对于不同的方法，滚动角的估计误差、俯仰角的估计误差、以及提取的局部3D磁场对偏航角的误差具有不同影响。附图说明在并入且构成说明书的一部分的附图中示出了一个或多个实施方式，附图连同描述阐述了这些实施方式。在附图中:图1是3D物体参照系的示意图；图2是从重力参照系转换为物体参照系的示意图；图3是根据示例性实施方式的传感单元的框图；图4是根据示例性实施方式的使用倾斜的补偿滚动角和俯仰角计算偏航角的方法300的框图；图5示出了地球的磁场相对于重力的定向；图6是根据示例性实施方式的用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛华，
申请(专利权)人：希尔克瑞斯特实验室公司，
类型：
国别省市：
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