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自动罗盘校准系统及相应的方法

发布时间:2019-07-14 12:26 来源:未知 编辑:admin

  [0003]本发明的一个或多个实施例总体上涉及罗盘校准,并且更具体的,涉及例如用于自动进行罗盘校准和提供精确的航向的系统和方法。

  [0004]地球的磁场早已用于提供估计航向和计划路线的参考。通常情况下,罗盘用于测量局部磁场,并且还假设地球的磁场等于局部磁场,或者通过使用相对手动出厂校准和用户校准过程的结合的局部测量来估计地球的磁场。例如,出厂校准方法可以包括在受控环境中应用外部磁场,并且用户校准方法可以包括通过计划的一系列操作来缓慢的旋转罗盘(例如,提供另一种类型的受控环境)。

  [0005]这些常规的校准方法需要时间和/或昂贵的装置来实现,并且在相对不受控制的运动期间和其他短期和长期的改变环境条件期间,特别是,当地球的磁场包括相对大的垂直分量时,使用这些方法实现的校准可以迅速变得不准确或者产生不准确的航向。已经开发了基于GPS的系统,其通过不同的位置数据来估计航向,然而这些类型的系统通常在短的直线距离内或者航向快速变化时非常不准确。因此,需要一种改进的进行罗盘校准的方法,其在环境条件发生各种变化的情况下提供可靠的航向信息。

  [0006]公开了一种为安装在移动平台上的航向传感器提供自动罗盘校准的系统和方法。

  [0007]在一个实施例中,系统包括逻辑装置,其被配置为接收一个或多个传感器信号,并至少部分基于测量的局部磁场确定校正磁场。所述逻辑装置可以适于:接收移动结构的角速度、加速度、测量的局部磁场、和/或速度;至少部分基于所述加速度和角速度,产生所述移动结构的方位的稳定的横滚和俯仰分量;以及至少部分基于所述速度、局部磁场、稳定的横滚和俯仰分量、和/或角速度,确定所述校正磁场。

  [0008]在另一个实施例中,所述方法包括:接收移动结构的角速度、加速度、测量的局部磁场、和/或速度;至少部分基于所述加速度和角速度,产生所述移动结构的方位的稳定的横滚和俯仰分量;以及至少部分基于所述速度、局部磁场、稳定的横滚和俯仰分量、和/或角速度,确定校正的磁场。

  [0009]本发明的范围由权利要求书限定,通过引用的方式将权利要求书合并到本部分。通过考虑下面对一个或多个实施例的详细描述,将向本领域技术人员提供对本发明的实施例的更完整的理解,以及其他优点的实现。下面将参考附图,将首先简要描述附图。

  [0012]图3示出了根据本公开实施例的磁场的曲线示出了根据本公开实施例的磁场的曲线示出了根据本公开实施例的磁场的曲线示出了根据本公开实施例的成本函数的曲线A示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的流程图。

  [0017]图7B示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的流程图。

  [0018]图7C示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的流程图。

  [0019]图8-18示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的流程图。

  [0020]图19A-C示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0021]图20A-C示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0022]图21A-B示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0023]图22A-C示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0024]图23A-B示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0025]图24-25示出了根据本公开实施例的、提供罗盘校准的各个操作的软件代码。

  [0026]通过参考下面的详细描述,将最好的理解本发明的实施例和它们的优点。应当理解,相同的参考标号用于表示一个或多个附图中示出的相同的元件。

  [0027]根据本公开的各种实施例,自动罗盘校准系统和方法可以有利地包括结合了陀螺仪和加速度计的磁力计,其提供对放置在由磁力计测量的磁场内的移动结构的角速度和线性加速度的测量。例如,可以将加速度计和/或陀螺仪安装到移动结构上或使其位于移动结构内,或者可以与磁力计集成。通过将角速度和加速度的测量和局部磁场的测量选择性的相关联,本公开的实施例可以在无需手动控制的校准环境的情况下,快速地开发鲁棒的、精确的、适应性强的校准参数空间。这种校准空间可用于补偿对局部磁场的固定的和/或可移动的硬铁和/或软铁扰动。

  [0028]为了进一步说明,罗盘受到局部磁环境引入的误差的影响。在局部磁扰动是安装罗盘的结构的一部分的情况下,可以校正扰动。多年来,通过将弱补偿磁铁放置地足够靠近罗盘来消除船舶的硬铁磁性,而仅对船舶的罗盘的硬铁扰动进行校正。后来,开尔文男爵发明了用于铁壳船的软铁校正,其中,将一对“开尔文球”放置在罗盘箱的两侧,调整开尔文球到罗盘箱的距离以补偿铁效应,这样引导地球的纵向磁场,产生沿着船舶的纵轴的N-S磁体。

  [0029]由于电子船的罗盘的到来,已经能够电子校正硬铁和软铁。要求用户按下按钮,并随后使船舶旋转360°。产生的场随后在空间中描绘出部分球面,由于硬铁扰动而从原点偏移,并由于软铁扰动而从球形压扁成椭球形。在船舶直立的平静水面上进行操作,并且在二维中进行校正(通常,看不到任何垂直的硬铁或软铁扰动)。如果船舶侧倾或俯仰,则没有校正产生的误差。另外,由于船舶在海上的运动干扰万向节,这引入了进一步的校正误差,并且因为没有办法将2D和3D误差信号的组合效应相分离,所以不可能持续地进行自动罗盘校正。

  [0030]最近,九轴硬件已经消除了万向节,并且可以执行粗略的3D校正。然而,仍然不能持续地进行所述粗略的3D校正,这是因为难以获得足够丰富的数据集,并且难以对数据进行处理以正确地确定扰动场参数。因此,仍然要求用户按下按钮并执行旋转。本发明基本上无需用户干预,并实现了持续的罗盘校准/校正。

  [0031]图1示出了根据本公开实施例的罗盘校准系统100的框图。在图1所示的实施例中,系统100可以实现为向特定类型的移动结构101(例如,智能手机、地面机器人、空中无人驾驶飞机、摩托艇、帆船、汽车、飞机和/或其他类型的移动结构)提供罗盘校准。系统100还可以实现为向各种其他类型的移动平台(包括罗盘或用于测量磁场的其他装置)提供自动罗盘校准。

  [0032]在一个实施例中,例如,系统100可以包括一个或多个磁力计110(例如,通过利用罗盘210和/或移动结构101的壳体或其他结构,物理耦合至加速度计242和陀螺仪240、与加速度计242和陀螺仪240集成、和/或以其他方式相对于加速度计242和陀螺仪240固定)、陀螺仪240、加速计242、用户接口 114、控制器130和一个或多个其他传感器和/或致动器(例如全球定位卫星系统(GPS) 116、速度传感器118、转向传感器/致动器250和/或其他模块260)。在一些实施例中,磁力计110、陀螺仪240、加速度计242和/或控制器130中的每一个都可以在组合壳体或结构(称为罗盘210)中实现。在其他实施例中,系统100的一个或多个部件可以在共同的壳体内实现。

  [0033]在各种实施例中,系统100可以适于测量局部磁场106(例如,三维方向和大小),其可能受到硬铁扰动222和/或软铁扰动220和相应的环境条件的影响。例如,系统100随后可以使用这些测量值来确定相应的校正磁场108 (例如,三维方向和大小)和/或航向角109,其准确并适应性的补偿硬铁扰动222、软铁扰动220、和/或其他运动和/或与方向有关的影响局部磁场106的扰动。在各种实施例中,校正磁场108可以对应于在磁力计110的位置测量的地球的磁场。系统100可适于在无需手动控制的校准环境的情况下校准罗盘210。

  [0034]方向102、103和104描述了罗盘210的一种可能的坐标系(例如,磁力计110测量的磁场,加速度计242测量的加速度、和/或陀螺仪240测量的角速度的一个可能的坐标系)。如图1所示,如本文所述,方向102示出的是可以与移动结构101和/或罗盘210的纵轴基本上平行和/或对准的方向,方向103示出的是可以与移动结构101和/或罗盘210的横轴基本上平行和/或对准的方向,并且方向104示出的是可以与移动结构101和/或罗盘210的垂直轴基本上平行和/或对准的方向。各个方向上可以描述移动结构101的一个可能的坐标系。

  [0035]例如,罗盘210和/或移动结构101的运动的横滚分量可以对应于绕方向102的旋转,俯仰分量可以对应于绕方向103的旋转,偏航分量可以对应于绕方向104的旋转。航向角109可对应于校正磁场108在水平面(例如,参考重力定义的“向下”矢量)上的投影和方向102在同一个水平面上的投影之前的角度。在一些实施例中,可以将校正磁场108在水平面(例如,参考重力定义的“向下”矢量)上的投影称为磁北。在各种实施例中,例如,磁北、“向下”矢量、和/或各种其他方向、位置,和/或固定或相对的参考系可以定义绝对坐标系,可以将参照绝对坐标系的定向测量称为绝对定向测量(例如,“绝对”磁场或“绝对”方向)。

  [0036]磁力计110、陀螺仪240、加速计242、用户接口 114、GPS 116、速度传感器118、控制器130、转向传感器/致动器250以及一个或多个其他模块260中的每一个可以利用任何合适的逻辑装置(例如,处理装置、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵

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