第 36 卷第 10 期
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报
Vol.36 №.10
2015 年 10 月
Journal of Harbin Engineering University
Oct.2015
航姿参考系中磁传感器误差补偿的研究
高延滨, 胡守雷, 何昆鹏,刘辉煜
(哈尔滨工程大学 自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要:针对现阶段地磁传感器误差补偿算法采用的椭球模型假设对输入的校准参数有较高的要求,容易出现较大的拟
合误差问题,提出了一种基于模糊逻辑系统的数据分布自判定算法,用来判断校正数据的分布是否合理,使其适当地分
布在整个椭球面,准确地拟合出理论的椭球模型。 通过仿真分别求取最小二乘拟合误差和模糊逻辑系统计算误差,结果
表明,利用模糊逻辑能够有效的剔除分布不合理的数据样本,解决了校正数据分布不合理带来较大拟合误差的问题,有
利于提高地磁传感器的误差自动校正的精度。
关键词:校正;地磁传感器;椭球拟合;模糊逻辑系统;误差补偿
doi:10.11990/ jheu.201408037
网络出版地址:http: / / www.cnki.net / kcms / detail / 23.1390.U.20150910.1454.006.html
中图分类号:V241.61 文献标志码:A 文章编号:1006⁃7043(2015)10⁃1376⁃04
Research on the magnetometer error calibration
in attitude and heading reference system
GAO Yanbin,HU Shoulei,HE Kunpeng, LIU Huiyu
(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China )
Abstract:Considering that the ellipsoid model assumption used in the conventional error compensation algorithm of
magnetometers always has higher demand for the inputted calibration parameter, which easily leads to higher fitting
errors. Thus, this paper proposes a data distribution self
-
judging algorithm based on the fuzzy logic system, which
judges whether the distribution of calibration data is reasonable, so as to make them distribute throughout the whole
ellipsoid surface properly in order to be accurately fitted to the theoretical ellipsoid model. The errors from the least
squares fitting and the calculation of fuzzy logic system were obtained respectively through simulation. The results
show that the fuzzy logic system is able to eliminate data samples that are not distributed reasonably, solves the
problem of larger fitting error caused by unreasonable distribution of correction data, and is beneficial to improve
the accuracy of magnetic sensor error calibration in automatic correction.
Keywords:calibration; magnetometer; ellipsoid fitting; fuzzy logic system; error compensation
收稿日期:2014⁃08⁃25. 网络出版时间:2015⁃09⁃10.
基金项目:国家科学技术部国际科技合作资助项目(2014DFR10010) .
作者简介:高延滨(1963⁃), 男, 教授, 博士生导师;
胡守雷(1989⁃),男,硕士研究生.
通信作者:胡守雷,E⁃mail:hushoulei@ sina.com.
低成本的航姿参考系统越来越广泛的用于无人
机和矿藏探测、钻井等领域中,地磁传感器作为其中
一部分通过测量地球磁场为载体提供航向角。 地磁
磁场是地球的天然物理场,连续分布且非常稳定,可
作为理想的参考基准
[1]
,可以采用三轴地磁传感器
测量载体的总磁场,两轴加速度计测量载体的姿态
角,通过误差补偿算法获得载体的航向角。 由于地
磁场的频谱范围很宽,地磁场探测很容易受到载体
本身及其电子仪器等产生的地磁干扰
[2]
,这些干扰
会引起地磁场的畸变,这些干扰可等效于地磁传感
器三轴磁场数据的零位误差、标度因数和非正交误
差,并可由 Possion 数学模型来描述
[3]
。 目前,针对
全姿态下的三轴地磁传感器补偿算法有最小二乘递
推法
[4]
、神经网络法
[5]
、十二位置翻转法
[6]
、椭圆假
设法
[7]
、椭球假设法
[8]
。 前 3 种补偿方法都需要外
部航向参考作为基准,对外部设备要求较高;椭圆假
设法只需在水平面上旋转一圈便能拟合出椭圆参
数,在无外部航向基准时便能完成自动校正,但要求
载体只能在水平面上运动,不适用于有水平倾角的
情况;椭球假设拟合出来的椭球模型只有 9 个参数,
文献[8]阐述了用不同方法拟合椭球参数所得的精
度,文献[9]利用最大似然估计进行误差参数拟合,
文献[10]提出了一种基于递归的椭球拟合算法,能
根据从地磁传感器采集到的数据自适应的更新校准
参数。 目前国内对椭球拟合方法的研究较为深入,
但对标定数据的空间分布对椭球的拟合精度和误差
补偿效果的影响研究很少,文献[11] 指出标定位置
的分布对补偿参数有很大影响,并提出等面积均匀
取点原则;文献[8] 分析了当选取的数据在几何位
置过于接近时,使算法难以收敛,并提出了采用最值
法使数据尽量均匀分布在椭球曲面上,减少误差;文
献[12]提出了等夹角均匀取点算法,并通过仿真实
验验证等夹角均匀取点优于等面积均匀取点;3 种
数据选取算法都具有一定的局限性,最值法无法准
确判断数据分布是否合理,后 2 种算法需要依靠外
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