本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種三維電子羅盤的標(biāo)定方法，該方法實(shí)現(xiàn)裝置包括一個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和一個(gè)內(nèi)部置有三維磁傳感器和傾角傳感器的三維電子羅盤。通過三維電子羅盤在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)地磁場和重力場導(dǎo)致的三維磁傳感器和傾角傳感器的輸出變化，確定傳感器敏感方向矢量、三維電子羅盤外殼坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，確定磁傳感器和傾角傳感器的輸出特性，獲得三維電子羅盤輸出值與空間方位的一一對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對其校準(zhǔn)標(biāo)定。本發(fā)明專利技術(shù)提供的標(biāo)定方法不需要現(xiàn)有磁傳感器標(biāo)定使用的磁屏蔽房和亥姆霍茲線圈，不需要對三維電子羅盤內(nèi)部磁傳感器和傾角傳感器位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，在有精密的三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的情況下實(shí)現(xiàn)對三維電子羅盤的高精度標(biāo)定。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及對三維電子羅盤的標(biāo)定，特別涉及內(nèi)置有磁傳感器的利用地磁場進(jìn)行定位的裝置。
技術(shù)介紹
三維電子羅盤利用內(nèi)置的磁傳感器通過感應(yīng)地球磁場來確定航向，三維電子羅盤同時(shí)內(nèi)置有傾角傳感器，通過傾角補(bǔ)償，使三維電子羅盤在傾斜情況下仍能準(zhǔn)確判別方向。三維電子羅盤體積小，指示方向準(zhǔn)確，輸出電信號(hào)，可以通過各種接ロ集成到其他電子系統(tǒng)中，使用方便，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于海陸空航行、慣性導(dǎo)航、自主機(jī)器人和地質(zhì)勘測等領(lǐng)域。由于三維電子羅盤內(nèi)置的磁傳感器三軸并非完全正交，傾角傳感器的測量軸也存在非正交問題，并且由于安裝等問題，磁傳感器坐標(biāo)系和傾角傳感器坐標(biāo)系對應(yīng)的各個(gè)軸并不嚴(yán)格平行，使得傾角補(bǔ)償不準(zhǔn)確，磁傳感器和三維電子羅盤外殼坐標(biāo)系也并非完全重合，致使測量的航向角存在誤差。所以解決這幾個(gè)問題是提高三維電子羅盤精度的關(guān)鍵。現(xiàn)有的校準(zhǔn)三維電子羅盤的方法有歸ー歸零法、最小二乗法和擬橢圓法等，但是這些方法均沒有從最基本的結(jié)構(gòu)入手，而只是用線性擬合的方法校準(zhǔn)結(jié)果，而三維電子羅盤存在正交問題和坐標(biāo)系不重合問題時(shí)，輸出結(jié)果是非線性的，用以上方法均不準(zhǔn)確。還存在使用無磁的方法校準(zhǔn)磁傳感器的，在磁屏蔽房中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者使用三維線圈將環(huán)境磁場抵消，在人為產(chǎn)生ー個(gè)大小及角度已知的磁場來對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，但是這種方法對儀器條件要求苛刻，需要昂貴且體積大的磁屏蔽房和三維亥姆霍茲線圏。在專利CN 101393022A中，專利技術(shù)者在環(huán)境磁場存在的情況下利用磁傳感器在特定位置的輸出值對其本身進(jìn)行標(biāo)定，不需要昂貴的磁屏蔽儀器和磁產(chǎn)生儀器。然而，這種標(biāo)定方法需要對磁傳感器的22個(gè)方位角輸出值進(jìn)行測量，過于復(fù)雜，且這22個(gè)位置中，有45度、135度、225度和315度的空間位置出現(xiàn)，對于外形為三維電子羅盤外殼的磁傳感器而言，空間位置容易實(shí)現(xiàn)的是90度整數(shù)倍的位置，而對其它位置的實(shí)現(xiàn)比較困難，并且?guī)胝`差較大，因而這種標(biāo)定方法所能達(dá)到的精度只能是3 5度，而對于現(xiàn)在測量精度已經(jīng)達(dá)到0. 5度的磁傳感器而言，顯然是不合適的。另外，這種標(biāo)定方法基于磁傳感器輸出特性為線性的假定，因而不能對存在正交誤差的三維電子羅盤進(jìn)行高精度標(biāo)定。在專利CN200910117170. 7中，專利技術(shù)者同樣在周圍磁場存在的情況下進(jìn)行標(biāo)定，并通過在ー維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)水平方向360度旋轉(zhuǎn)以及三維電子羅盤90度整數(shù)倍翻轉(zhuǎn)的弱磁方向傳感器空間位置變化所對應(yīng)的傳感器輸出變化，確定弱磁方向傳感器敏感方向大地坐標(biāo)系和三維電子羅盤外殼坐標(biāo)系中的空間位置，同樣不需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，并且方法簡單易行。但是該專利所用的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)只能在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因而在確定磁傾角時(shí)存在較大誤差，且并未對磁傳感器和傾角傳感器聯(lián)合使用確定標(biāo)定方法，因此難以做到高精度標(biāo)定。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的是針對現(xiàn)有的校準(zhǔn)三維電子羅盤的線性的標(biāo)定方法不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，提出ー種利用地磁場對三維電子羅盤進(jìn)行標(biāo)定的方法，該方法使用ー個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，利用三維電子羅盤內(nèi)置的磁傳感器和傾角傳感器在不同空間方向的輸出值變化對三維電子羅盤進(jìn)行標(biāo)定。本專利技術(shù)為實(shí)現(xiàn)其目的所采取的技術(shù)方案ー種三維電子羅盤的標(biāo)定方法，該方法的實(shí)現(xiàn)裝置包括一個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和ー個(gè)內(nèi)部置有三個(gè)磁傳感器和一個(gè)傾角傳感器的三維電子羅盤，所述三維電子羅盤放置于所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中央位置，通過所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使所述三維電子羅盤在繞電子羅盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸各軸旋轉(zhuǎn)過程中，磁傳感器以及傾角傳感器在地磁場及重力場作用下輸出變化，確定磁傳感器和傾角傳感器敏感方向矢量、三維電子羅盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，獲得磁傳感器和傾角傳感器的輸出特性，獲得任意地磁場下三維電子羅盤輸出與三維電子羅盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定方位角度，實(shí)現(xiàn)對三維電子羅盤高精度標(biāo)定。繞空間軸精密旋轉(zhuǎn)由一個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)提供，其三個(gè)選擇軸組成標(biāo)準(zhǔn)的右手三維直角坐標(biāo)系G G)，ft軸沿重力方向向下，&軸和&軸為相互正交的兩軸，并且由Q軸和G軸組成的平面可以調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)；三維電子羅盤外殼具有三維基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系e:(ei e2 e3)，ei軸為三維電子羅盤的指示方向，e2軸在水平面上與ei軸正交；三維電子羅盤內(nèi)置有三個(gè)磁傳感器，其敏感方向構(gòu)成磁傳感器坐標(biāo)系e : ( e i e2￡ 3)；三維電子羅盤內(nèi)置有ニ維傾角傳感器，其ニ個(gè)敏感方向以及由右手關(guān)系決定的第三個(gè)軸組成傾角傳感器坐標(biāo)系い-(I1 I2 13)，し軸和し軸分別為測量傾斜角和測量翻滾角的兩個(gè)敏感方向；地磁場和重力場構(gòu)成大地坐標(biāo)系4 :( 4 I ^3),其三軸分別指向磁北方向、磁東方向和重力方向；規(guī)定當(dāng)逆向面對坐標(biāo)軸時(shí)，逆時(shí)針方向?yàn)檎颍械慕嵌缺３衷趨^(qū)間 2 + cos 緝 31~ = 權(quán)利要求1.，該方法的實(shí)現(xiàn)裝置包括一個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I)和一個(gè)內(nèi)部置有三個(gè)磁傳感器(3)和一個(gè)傾角傳感器(4)的三維電子羅盤(2)，所述三維電子羅盤(2)放置于所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I)的中央位置，其特征在于通過所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I)使所述三維電子羅盤(2)在繞電子羅盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸各軸旋轉(zhuǎn)過程中，磁傳感器(3)以及傾角傳感器(4)在地磁場及重力場作用下輸出變化，確定磁傳感器(3)和傾角傳感器(4)敏感方向矢量、三維電子羅盤(2)基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，獲得磁傳感器(3)和傾角傳感器(4)的輸出特性，獲得任意地磁場下三維電子羅盤(2)輸出與三維電子羅盤(2)基準(zhǔn)坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定方位角度，實(shí)現(xiàn)對三維電子羅盤(2)高精度標(biāo)定。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維電子羅盤的標(biāo)定方法，其特征在于所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I )，其三個(gè)選擇軸組成標(biāo)準(zhǔn)的右手三維直角坐標(biāo)系ζ :(h ζ2 ξ3)，ξ3軸沿重力方向向下，ξ i軸和ξ 2軸為相互正交的兩軸； 所述三維電子羅盤(2)外殼具有三維基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系e:(ei e2為三維電子羅盤(2)的指示方向，e2軸在水平面上與θι軸正交； 所述三維電子羅盤(2)內(nèi)置的三個(gè)磁傳感器(3)，其敏感方向構(gòu)成磁傳感器(3)坐標(biāo)系ε ( ε I ε 2 ε 3); 所述三維電子羅盤(2)內(nèi)置的二維傾角傳感器(4)，其二個(gè)敏感方向以及由右手關(guān)系決定的第三個(gè)軸組成傾角傳感器(4)的坐標(biāo)系IJi1 ξ2 ξ 3)，ξ i軸和ξ 2軸分別為測量傾斜角和測量翻滾角的兩個(gè)敏感方向； 所述地磁場和重力場構(gòu)成大地坐標(biāo)系ζ :( ζ i ζ2 ζ3)，其三軸分別指向磁北方向、磁東方向和重力方向； 規(guī)定當(dāng)逆向面對坐標(biāo)軸時(shí)，逆時(shí)針方向?yàn)檎颍械慕嵌缺３衷趨^(qū)間[0，2π); 將三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I)坐標(biāo)系的面調(diào)節(jié)為水平狀態(tài)，將三維電子羅盤(2)外殼的ei軸和e2軸分別緊靠三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的C1軸和ζ2軸上并固定，以43軸為旋轉(zhuǎn)軸，在三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，當(dāng)磁傳感器(3) ε i軸輸出最大值時(shí)，將此位置的三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度記為Θ 01 ;然后，以ei為旋轉(zhuǎn)軸將其正方向翻轉(zhuǎn)180°，再次使三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞其ζ 3軸旋轉(zhuǎn)一周，獲得使磁傳感器(3) ε I軸獲得最大值時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，記為θοι’ ; 三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(I)坐標(biāo)系的C1軸在初始位置時(shí)與大地坐標(biāo)系的C本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種三維電子羅盤的標(biāo)定方法，該方法的實(shí)現(xiàn)裝置包括一個(gè)三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（1）和一個(gè)內(nèi)部置有三個(gè)磁傳感器（3）和一個(gè)傾角傳感器（4）的三維電子羅盤（2），所述三維電子羅盤（2）放置于所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（1）的中央位置，其特征在于：通過所述三維無磁旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（1）使所述三維電子羅盤（2）在繞電子羅盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸各軸旋轉(zhuǎn)過程中，磁傳感器（3）以及傾角傳感器（4）在地磁場及重力場作用下輸出變化，確定磁傳感器（3）和傾角傳感器（4）敏感方向矢量、三維電子羅盤（2）基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，獲得磁傳感器（3）和傾角傳感器（4）的輸出特性，獲得任意地磁場下三維電子羅盤（2）輸出與三維電子羅盤（2）基準(zhǔn)坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定方位角度，實(shí)現(xiàn)對三維電子羅盤（2）高精度標(biāo)定。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳池來，劉建強(qiáng)，程珍，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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