一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀及算法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀及算法，基于MEMS技術(shù)，使用三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器組合模擬一個(gè)虛擬陀螺儀，解決了現(xiàn)有陀螺儀功耗大成本高等問(wèn)題。并實(shí)現(xiàn)6軸傳感器簇代替9軸傳感器簇的慣性導(dǎo)航技術(shù)方案。
【專利說(shuō)明】一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀及算法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于MEMS慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀及算法?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]現(xiàn)在應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的陀螺儀的功耗大，成本高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀及算法，得到載體的姿態(tài)信息和角速度信息。對(duì)基于橢球模型假設(shè)的軟磁硬磁干擾參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償，利用這些參數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)低通濾波處理后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并采用雙矢量定姿法計(jì)算姿態(tài)信息，為了適應(yīng)外界磁場(chǎng)的變化，采用帶有漸消因子的遞推最小二乘法對(duì)橢球模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，使得系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境變化。根據(jù)姿態(tài)信息，計(jì)算得到載體的角速度信息，實(shí)現(xiàn)了陀螺的功能，即虛擬陀螺。[0004]本發(fā)明解決上述問(wèn) 題所采用的技術(shù)方案是:一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀，包括:6-D0F傳感器簇和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；所述6-D0F傳感器簇通過(guò)輸出端連接數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。[0005]進(jìn)一步地，所述6-D0F傳感器簇包括三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器；所述三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器通過(guò)輸出端連接6-D0F傳感器簇外部。[0006]更進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括低通濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、校準(zhǔn)模塊及均值濾波模塊；所述校準(zhǔn)模塊通過(guò)輸入端連接低通濾波模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；所述均值濾波模塊通過(guò)輸入端連接低通濾波模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。[0007]更進(jìn)一步地，所述基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀包括:電子羅盤算法和虛擬陀螺算法。[0008]更進(jìn)一步地，所述電子羅盤算法包括以下步驟:[0009](I)利用校正后的磁傳感器數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)雙矢量定姿原理計(jì)算載體實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息；[0010](2)根據(jù)姿態(tài)角與姿態(tài)矩陣的關(guān)系計(jì)算出航向角、橫滾角和俯仰角。[0011]更進(jìn)一步地，其中的利用校正后的磁傳感器數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)雙矢量定姿原理計(jì)算載體實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息包括以下步驟:[0012]重力矢量在導(dǎo)航坐標(biāo)系η系為1、地磁矢量在導(dǎo)航坐標(biāo)系η系為M加速度計(jì)和磁傳感器敏感到的分別是重力和地磁矢量在載體坐標(biāo)系b系的投影:#和化。則根據(jù)慣性導(dǎo)航原理有:Kb=Ctg"，Mb=Cl 'Mn.[0013]分別取他們的叉乘矢量，有:
【權(quán)利要求】
1.一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀，其特征在于，包括:6-D0F傳感器簇和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；所述6-D0F傳感器簇通過(guò)輸出端連接數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀，其特征在于，所述6-D0F傳感器簇包括三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器；所述三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器通過(guò)輸出端連接6-D0F傳感器簇外部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括低通濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、校準(zhǔn)模塊及均值濾波模塊；所述校準(zhǔn)模塊通過(guò)輸入端連接低通濾波模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于矯正受硬磁和軟磁干擾的磁傳感器數(shù)據(jù)；所述均值濾波模塊通過(guò)輸入端連接低通濾波模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于降低有害干擾加速度。
4.一種基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法，其特征在于，包括:電子羅盤算法和虛擬陀螺算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法，其特征在于，所述電子羅盤算法包括以下步驟:(1)利用校正后的磁傳感器數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)雙矢量定姿原理計(jì)算載體實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息；(2)根據(jù)姿態(tài)角與姿態(tài)矩陣的關(guān)系計(jì)算出航向角、橫滾角和俯仰角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法的電子羅盤算法模塊，其特征在于，其中的利用校正后的磁傳感器數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)雙矢量定姿原理計(jì)算載體實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息包括以下步驟:重力矢量在導(dǎo)航系η系為P，地磁矢量在導(dǎo)航坐標(biāo)系η系為Μ"，加速度計(jì)和磁傳感器敏感到的分別是重力和地磁矢量在載體坐標(biāo)系b系的投影:#和。則根據(jù)慣性導(dǎo)航原理有:Eb=C^gn，Mb=Cbn -Mn.分別取他們的叉乘矢量，有:g6 XMfc =Cf (f XM")和# XM6 X # =C.(礦 X Μ" X f )Pg"因此得到:
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法的電子羅盤算法模塊，其特征在于，根據(jù)姿態(tài)角與姿態(tài)矩陣的關(guān)系計(jì)算出航向角、橫滾角和俯仰角包括以下步驟:載體的三個(gè)姿態(tài)角Y，P, R看做一組歐拉角，經(jīng)過(guò)三次旋轉(zhuǎn)可以將導(dǎo)航坐標(biāo)系η系轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系b系，得到轉(zhuǎn)移矩陣G。三次轉(zhuǎn)動(dòng)的順序?yàn)?繞z軸轉(zhuǎn)Y角，繞X軸轉(zhuǎn)P角，再繞y軸轉(zhuǎn)R角。三次轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的變換矩陣分別為
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法，其特征在于，所述虛擬陀螺算法包括以下步驟:根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，利用姿態(tài)信息計(jì)算載體的角速率信息，實(shí)現(xiàn)虛擬陀螺的功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于地磁技術(shù)的虛擬陀螺儀算法，其特征在于，其中的根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，利用姿態(tài)信息計(jì)算載體的角速率信息，實(shí)現(xiàn)虛擬陀螺的功能包括以下步驟:由慣性導(dǎo)航原理，有:乂vb和νη分別為載體的速度在載體坐標(biāo)系b系和導(dǎo)航坐標(biāo)系η系的投影。對(duì)其求導(dǎo)，忽略線加速度有:? = C '由于有
【文檔編號(hào)】G01C21/18GK103557866SQ201310461738
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】仲小麗, 李雋穎, 張蕾, 彭萬(wàn)華 申請(qǐng)人:美新半導(dǎo)體（無(wú)錫）有限公司