一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法、无人机技术

本发明专利技术属于无人机技术领域，公开了一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法、无人机，将无人机分为六个姿态，分别是X轴竖直向上和竖直向下、Y轴竖直向上和竖直向下、Z轴竖直向上和竖直向下；在每一个姿态位置上旋转无人机，采集得到一系列不同姿态下磁传感器的输出值；由得到的磁传感器输出值拟合椭球曲面；由得到的椭球曲面求出校准系数；利用校准参数和校准模型对无人机磁传感器的输出进行补偿。本发明专利技术不依赖于外界设备、操作简单、校准精度高、在任何场合均可灵活使用，能够校准刻度系数和零点漂移等6个系数，提高磁传感器的测量精度。

A magnetic sensor calibration method for UAV Based on ellipsoid fitting, unmanned aerial vehicle

The invention belongs to the field of UAV technology, discloses an ellipsoid fitting without calibration method, magnetic sensor based on UAV UAV, UAV will be divided into six posture, respectively is X axis vertical up and down, Y axis vertical up and down, Z axis vertical and vertical downward; in each posture position rotation UAV, obtained a series of different postures of the magnetic sensor output value; fitting ellipsoid surface by the magnetic sensor output value obtained by the ellipsoid surface; the calculated calibration coefficient; to compensate the output of UAV magnetic sensor using the calibration parameters and the calibration model. The invention does not depend on external devices, has simple operation, high calibration accuracy, and can be used flexibly in any occasion. It can calibrate 6 coefficients such as scale coefficient and zero drift, and improve the measurement accuracy of magnetic sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法、无人机
本专利技术属于无人机
，尤其涉及一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法、无人机。
技术介绍
磁传感器通过测量地球磁场来确定无人机航向角，它能够为飞行控制系统提供无人机的航向，再通过磁传感器的测量数据便可得无人机的姿态信息，从而使得无人机能够进行导航制导与控制。但是磁传感器在生产和安装过程中难免会产生一定的误差，此外，由于地球磁场强度较弱，磁传感器很容易受到外界环境的影响，所以为了获得高精度的测量信息，在使用之前需要对磁传感器进行校准。现有的磁传感器校准方法主要有数据融合法和给定基准法，数据融合法是指利用GPS测量信息与惯性测量单元进行数据融合，然后对磁传感器的测量数据进行滤波校准；需要无人机能够提供GPS信息，对于在室内飞行的无人机来说，由于GPS传感器接收不到GPS信号，不能用于室内无人机的磁传感器校准。给定基准法是指利用转台等设备测定磁罗盘在各个方向上的姿态，在磁场环境变化不大时，能够准确校准磁传感器。但是该方法需要借助于外部大型设备，仅适用于有转台的场合。对于没有转台的场合则不能使用该方法校准无人机的磁传感器。综上所述，现有技术存在的问题是：室内飞行的无人机的GPS传感器接收不到GPS信号，不能用于室内无人机的磁传感器校准；给定基准法需要使用转台，只能在有转台的场合使用，适用性有很大限制，不能用于无转台的无人机的磁传感器校准。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法、无人机。本专利技术是这样实现的，一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法包括以下步骤：步骤一，将无人机分为六个姿态，分别是X轴竖直向上和竖直向下、Y轴竖直向上和竖直向下、Z轴竖直向上和竖直向下；步骤二，在每一个姿态位置上旋转无人机，采集得到一系列不同姿态下磁传感器的输出值；步骤三，由于磁传感器输出值为整数，所以需要对输出值进行数据转换，转换成实际的磁传感器测量值，然后根据最小二乘法拟合椭球曲面，拟合出的椭球曲面包括椭球的球心位置以及每个轴的刻度系数；步骤四，由拟合出的椭球的球心位置和每个轴的刻度系数以及校准模型求出校准系数，包括三个零点漂移和三个刻度系数；步骤五，利用六个校准系数和校准模型对无人机加速度计的每个坐标轴的输出进行补偿，得到加速度计的真实的测量值。进一步，所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法磁传感器的校准模型为：Hr＝K(Hm-H0)；展开得：其中Hmx、Hmy、Hmz为磁传感器三个轴的测量值，Hrx、Hry、Hrz为磁传感器三个轴的真实值，H0x、Hoy、H0z为磁传感器三个轴的零点漂移误差，kx、ky、kz为磁传感器三个轴的刻度系数。进一步，当无人机静止放置时，矫正后的磁传感器的三个输出值之间关系：其中，const表示当地地球磁场强度，再由校准模型得：进一步，椭球二次曲面的一般方程为：F(ξ,z)＝ξTz＝ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+t＝0；其中ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,t]T为待求二次曲面参数向量，v＝[x2,y2,z2,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]T为测量数据的运算组合向量；F(ξ,v)为测量数据(x,y,z)到二次曲面F(ξ,z)的代数距离；二次曲面拟合时，选取测量数据到二次曲面代数距离的平方和最小为判断准则：其中：基于最小二乘法的椭球拟合算法获得椭球曲面的约束条件为：带椭球约束的最小二乘法获得的最佳拟合椭球曲面的二次型函数的F(ξ,v)矩阵表示为矢量形式：(X-X0)TA(X-X0)＝1；其中，是与椭球三个半轴长及椭球旋转角度有关的矩阵，则为拟合椭球的中心点坐标。进一步，根据磁传感器的测量校准模型得：(Hr)T(Hr)＝[K(Hm-H0)]T[K(Hm-H0)]＝||const||2；整理得：对比椭球拟合公式得：拟合出椭球面，利用椭球的参数求解出校准系数。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法的无人机。本专利技术的优点及积极效果为：不依赖于如三轴转台这样的大型外界设备、也不需要外界提供GPS等位置信息，在室内室外等场合均可灵活使用，只需要将无人机传感器放置于六个姿态位置下进行旋转操作，然后通过最小二乘法拟合出椭球曲面就能求出刻度系数和零点漂移6个系数。与使用转台来校准磁传感器相比，该方法不需要固定无人机磁传感器，操作明显简单，校准时间大幅缩短。实验结果表明，该方法能够提高无人机传感器的测量精度4％，具有一定的工程运用价值。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的实验结果示意图。图3是本专利技术实施例提供的实验结果示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术操作简单，不依赖于外界设备，适用于多数场合的无人机磁传感器快速校准。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法包括以下步骤：S101：将无人机分为六个姿态，分别是X轴竖直向上和竖直向下、Y轴竖直向上和竖直向下、Z轴竖直向上和竖直向下；S102：在每一个姿态位置上旋转无人机，采集得到一系列不同姿态下磁传感器的输出值；S103：由测量的磁传感器输出值拟合椭球曲面；S104：由拟合出的椭球曲面求出校准系数；S105：利用校准参数和校准模型对无人机磁传感器的输出进行补偿。在本专利技术的优选实施例中：磁传感器的校准模型为：Hr＝K(Hm-H0)；展开可得：其中Hmx、Hmy、Hmz为磁传感器三个轴的测量值，Hrx、Hry、Hrz为磁传感器三个轴的真实值，H0x、Hoy、H0z为磁传感器三个轴的零点漂移误差，kx、ky、kz为磁传感器三个轴的刻度系数。磁传感器的校准就是通过一定的方法求出以上三个零点漂移误差和三轴的刻度系数。当无人机静止放置时，矫正后的磁传感器的三个输出值之间有如下关系：其中，const表示当地地球磁场强度，再由校准模型可得：由上可知，如果磁传感器的三个轴的刻度系数不完全相同时，磁传感器的测量时就会分布在一个椭球面上。所以本专利技术就是通过测量多组数据来拟合出一个椭球，然后根据拟合出的椭球求解磁传感器的校准系数，所以本校准方法叫做椭球拟合。椭球为特殊的二次曲面，二次曲面的一般方程为：F(ξ,z)＝ξTz＝ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+t＝0；其中ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,t]T为待求二次曲面参数向量，v＝[x2,y2,z2,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]T为测量数据的运算组合向量。F(ξ,v)为测量数据(x,y,z)到二次曲面F(ξ,z)的代数距离。二次曲面拟合时，选取测量数据到二次曲面代数距离的平方和最小为判断准则，即：其中：椭球拟合的基本原则就是使测量数据到椭球表面的距离的平方和最小，但是不能确保每一个数据组合都在椭球的曲面上，因此引进基于最小二乘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，其特征在于，所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法包括以下步骤：步骤一，将无人机分为六个姿态，分别是X轴竖直向上和竖直向下、Y轴竖直向上和竖直向下、Z轴竖直向上和竖直向下；步骤二，在每一个姿态位置上旋转无人机，采集得到一系列不同姿态下磁传感器的输出值；步骤三，对输出值进行数据转换，转换成实际的磁传感器测量值，根据最小二乘法拟合椭球曲面，拟合出的椭球曲面包括椭球的球心位置以及每个轴的刻度系数；步骤四，由拟合出的椭球的球心位置和每个轴的刻度系数以及校准模型求出校准系数，包括三个零点漂移和三个刻度系数；步骤五，利用六个校准系数和校准模型对无人机加速度计的每个坐标轴的输出进行补偿，得到加速度计的真实的测量值。

【技术特征摘要】
1.一种基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，其特征在于，所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法包括以下步骤：步骤一，将无人机分为六个姿态，分别是X轴竖直向上和竖直向下、Y轴竖直向上和竖直向下、Z轴竖直向上和竖直向下；步骤二，在每一个姿态位置上旋转无人机，采集得到一系列不同姿态下磁传感器的输出值；步骤三，对输出值进行数据转换，转换成实际的磁传感器测量值，根据最小二乘法拟合椭球曲面，拟合出的椭球曲面包括椭球的球心位置以及每个轴的刻度系数；步骤四，由拟合出的椭球的球心位置和每个轴的刻度系数以及校准模型求出校准系数，包括三个零点漂移和三个刻度系数；步骤五，利用六个校准系数和校准模型对无人机加速度计的每个坐标轴的输出进行补偿，得到加速度计的真实的测量值。2.如权利要求1所述的基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，其特征在于，所述基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法磁传感器的校准模型为：Hr＝K(Hm-H0)；展开得：其中Hmx、Hmy、Hmz为磁传感器三个轴的测量值，Hrx、Hry、Hrz为磁传感器三个轴的真实值，H0x、Hoy、H0z为磁传感器三个轴的零点漂移误差，kx、ky、kz为磁传感器三个轴的刻度系数。3.如权利要求2所述的基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，其特征在于，当无人机静止放置时，矫正后的磁传感器的三个输出值之间关系：其中，const表示当地地球磁场强度，再由校准模型得：4.如权利要求1所述的基于椭球拟合的无人机磁传感器校准方法，其特征在于，椭球二次曲面的一般方程为：F(ξ,z)＝ξTz＝ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+t＝0；其中ξ＝[a,b...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟元，刘宗南，丁久辉，于翔，
申请(专利权)人：智灵飞北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11