基于運動捕捉系統的旋轉mems慣導磁航向角誤差補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于運動捕捉系統的旋轉MEMS(微機電系統）慣導磁航向角誤 差補償方法，屬于一種旋轉慣導系統的磁航向角誤差補償方法。
【背景技術】
[0002] 慣導系統中陀螺存在誤差漂移，長期運行存在累積誤差，航向值會出現發散。在導 航定位中一般采用磁傳感器提供航向（如期刊文章《一種電子磁羅盤航向誤差的自適應補 償方法》，儀器儀表學報，2014年第35卷第11期，頁碼：2607-2614 )。
[0003] 旋轉調制技術是一種誤差抑制技術，通過旋轉機構帶動慣性器件按照既定方 案旋轉，使得慣性器件常值偏差沿導航系統投影呈周期振蕩形式，在一個旋轉周期內積 分結果為零，進而抵消慣性器件常值偏差對導航精度的影響來提高導航精度(如專利 CN201410143285. 4公開的《一種單軸旋轉慣導系統慣性器件誤差補償方法》）。
[0004] 然而，由于轉動機構的導磁材料以及轉動機構中電機的強磁體的影響，轉動機構 上磁傳感器周圍的磁場強度相對于地磁提高了數十倍（如專利CN201310688044. 3公開的 《一種雙軸旋轉光纖慣導系統磁屏蔽裝置》），以上情況影響磁傳感器的正常工作。
【發明內容】
[0005] 本發明提出了一種基于運動捕捉系統的旋轉MEMS(微機電系統）慣導磁航向角誤 差補償方法，解決旋轉MEMS(微機電系統）慣導系統中轉動機構的磁干擾對磁傳感器航向 角解算帶來的誤差影響。
[0006] 本發明為解決其技術問題采用如下技術方案： 一種基于運動捕捉系統的旋轉MEMS慣導磁航向角誤差補償方法，包括如下步驟： 步驟1:對磁傳感器進行標定； 步驟2:獲得運動捕捉系統的參考坐標系相對于導航坐標系的轉移矩陣； 步驟3:采集多個位置上，系統輸出的轉動機構位置信息、對應位置上磁傳感器輸出 值、運動捕捉系統獲取到的標記點位置坐標信息； 步驟4:計算得到各個位置上由于轉動機構造成的磁場強度； 步驟5:從原始磁傳感器輸出值中扣除轉動機構造成的磁場強度，計算磁航向。
[0007] 所述步驟（1)的具體實施步驟如下：使用橢球標定法對磁傳感器進行標定，得到 誤差參數尤、丑〇，其中r為誤差系數矩陣，為三軸磁傳感器的零偏； 使用上述參數對磁傳感器輸出進行校正：
其中為三軸磁傳感器的實際輸出，//為校正后的三軸磁傳感器輸出值。
[0008] 所述步驟（2)的具體實施步驟如下：在磁傳感器數據采集系統上安裝3個標記點， 3個標記點的兩兩連線構成了一個非等腰直角三角形； 記錄&系下磁傳感器輸出值，根據該磁傳感器輸出值與地磁矢量在"系下各 軸的分量，建立6系相對于《系的轉移矩陣< : 其中，《系是指導航坐標系，屬于右手坐標系，其、z軸分別指向東向、北向、天 向； 辦系是磁傳感器數據采集系統的機體坐標系，屬于右手笛卡爾坐標系，a'r、z軸分 別指向磁傳感器器件敏感軸方向；
其中，、Ar、沒《分別為A在&系下JT、F三軸上的分量， 分別為丑在《系下if、J7、Z三軸上的分量； 運動捕捉系統獲取標記點在《系下的位置坐標信息，從而解算磁傳感器數據采集系統 的姿態信息，使用歐拉角法得到i系相對于,w系的轉移矩陣其中，w系是運動捕捉系 統的參考坐標系，屬于右手笛卡爾坐標系，X、2軸平行于安裝場地的平面，7軸垂直于安 裝場地的平面向上，且與Z軸和Z軸滿足右手準則； 通過<和< 獲得"系相對于^系的轉移矩陣q:
[0009] 所述步驟（3)的具體實施步驟如下：將磁傳感器數據采集系統安裝在旋轉慣導系 統的轉動機構上，轉動機構在0°到360°范圍每10°停留一次，一共停留36個位置，每個 位置上停留3分鐘； 記錄上述過程中，系統輸出的轉動機構位置信息P，對應位置上磁傳感器輸出值/￡、 運動捕捉系統獲取到的標記點位置坐標信息； 使用標記點位置坐標信息，解算磁傳感器數據采集系統的姿態信息，進而使用歐拉角 法得到磁傳感器數據采集系統的&系相對于《系的轉移矩陣結合對應的轉動機構位 置信息P，建立4(F)，其中乂為轉移矩陣與轉動機構位置信息p的關系； 使用系統輸出的轉動機構位置信息P以及對應位置上磁傳感器的輸出值//，H= /2(乃，其中/2為磁傳感器的輸出值及與轉動機構的位置信息f的關系； //由兩個分量組成：
其中為地磁矢量在&系下各軸的分量，/ffi^為轉動機構造成的磁場強度。
[0010] 所述步驟（4)的具體實施步驟如下： 計算旋轉慣導系統的工作過程中，各個位置上由于轉動機構造成的磁場強度；
G通過步驟2獲取，沒￡0^是已知量； 將上式簡化，得到： =/3(P)，其中/3為轉動機構造成的磁場強度與轉動機構的位置信息f的 關系； 依此，建立了在0°到360°范圍內轉動機構對磁傳感器輸出的影響與位置信息的關 系。
[0011] 所述步驟（5)的具體實施步驟如下： 在旋轉MEMS慣導工作的過程中，導航系統實時獲得當前的轉動機構信息P，以及磁傳 感器輸出值沒； 對轉動機構造成的磁場進行補償，補償后的磁傳感器值：
使用與地磁矢量#_在《系下各軸的分量建立S系相對于》系的轉移矩陣< :
其中，足r、&、分別為沒在A系下JT、7、Z三軸上的分量，丑、民rfr、 分別為在《系下i：、F、2三軸上的分量，使用歐拉角法得到磁航向值。
[0012] 本發明的有益效果如下： 本發明提出了一種基于運動捕捉系統的旋轉MEMS慣導磁航向角誤差補償方法，流程 簡潔，可以標定出轉動機構的磁干擾對磁傳感器輸出的影響，對磁航向角誤差進行補償，為 旋轉MEMS慣導系統提供磁航向，抑制航向的誤差發散。
【附圖說明】
[0013] 圖1表示使用本發明提出的補償方法進行補償前后磁航向值角誤差值的對比圖。
【具體實施方式】 下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。
[0014] 實驗中使用亞德諾半導體技術公司的ADIS16405傳感器提供磁強度信息，使用美 國意法半導體公司的STM32F103芯片構建磁傳感器數據采集系統及控制系統，負責采集 ADIS16405傳感器的數據、控制轉動機構轉動并記錄轉動機構位置信息。所用轉動機構使用 天瑞中海公司的DDM150SP轉動機構。整個MEMS旋轉慣導系統包括以上各個部分。
[0015] 實驗中使用的運動捕捉系統是北京歐雷新宇動畫科技有限公司的EasyTrack運 動捕捉系統。
[0016] 步驟 1: 使用橢球標定法對磁傳感器進行標定，得到誤差參數￡、，其中f為誤差系數矩 陣，為三軸磁傳感器的零偏。
[0017]
，其中為三軸磁傳感器的實際輸出，為校正后的 三軸磁傳感器輸出值。下文所提到的磁傳感器輸出均為校正后的磁傳感器輸出。
[0018] 步驟 2: 本文中使用的坐標系定義如下： ?系：導航坐標系，軸分別指向東向、北向、天向。
[0019] &系：磁傳感器數據采集系統的機體坐標系，Z、y、Z軸分別指向磁傳感器器件 敏感軸方向，呈右手笛卡爾坐標系。
[0020] ?系：運動捕捉系統的參考坐標系，ZZ軸平行于安裝場地的平面，7軸垂直于 安裝場地的平面向上，且與if軸和Z軸滿足右手準則。
[0021] 在磁傳感器數據采集系統上安裝3個標記點，3個標記點的兩兩連線構成了一個 非等腰直角三角形。
[0022]記錄&系下ADIS16405的磁傳感器輸出值，根據該磁傳感器輸出值與地磁矢量 在《系下各軸的分莖，建立I?系相對于》系的轉移矩陣。
[0023] 其中，沒K、盡r、分別為A在&系下I、r、Z三軸上的分量，、 好分別為丑―在》系下JT、7、Z三軸上的分量。
[0024] 運動捕捉系統獲取標記點在《系下的位置坐標信息，從而解算磁傳感器數據采集 系統的姿態信息，使用歐拉角法得到6系相對于《系的轉移矩陣。
[0025] 通過G和G獲得"系相對于樹系的轉移矩陣C7=:
步驟3: 將磁傳感器數據采集系統安裝在旋轉慣導系統的轉動機構上，轉動機構在0°到 360°范圍每10°停留一次，一共停留36個位置，每個位置上停留3分鐘。
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