IMU(陀螺仪、加速度计)&Magnetometer(磁力计)校准方法和流程

一、何为校准:

       校准的目的是因为厂商在生产器件时,由于工艺、技术等原因,致使器件存在缺陷,导致实际应用时,存在误差!

一般器件在出厂时,都会做一些校准处理,比如以Sensonor公司的Stim300为例:

IMU(陀螺仪、加速度计)&Magnetometer(磁力计)校准方法和流程_第1张图片

       一般用户采购IMU器件后,仍会对IMU进行校准,参数如下:零偏稳定性、比例因子(温度)、非正交性等。 批量使用和单个试验样机的校准方式和校准参数多少有不同;下面就以单个IMU(加速度计、陀螺仪)的参数进行校准:

假定:

  • 导航坐标系:东-北-天
  • 载体坐标系:右-前-上

重力矢量和地球自转角速度在地理坐标系下:

IMU(陀螺仪、加速度计)&Magnetometer(磁力计)校准方法和流程_第2张图片

速度微分方程为:

如上,速度微分方程,等号左边为0.右边第二项为0,只剩下右边第一项和第三项,其中要保证Cnb为已之值。

校准条件:首先是静止,保持水平面;既可以标定出零偏和比例因子;

如果还需要标定非正交性参数,需要将将载体坐标系三轴(右前上)分别与导航坐标系(东北天)平行,以保证Cnb为单位矩阵;这样能够保证比力fb=fn;

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二、IMU校准

1、加速度计:

六位置校准:只能校准X、Y、Z轴的零偏(Bias)和比例因子(Scale Factor Error),共6个参数!

如下分别求:Z、X、Y轴的零偏和比例因子:

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比如以下:(注意如果载体系为前右上时,(1+s)*g 前面的符号是反的),

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2、陀螺仪:

 

 

 

三、磁力计校准

地球磁场:地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11.5度左右的夹角。

(1) 地球磁场分布图:

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(2) 地磁要素图:

设观测点在O处,并以O点为原点建立地理坐标系OXYZ,X轴指向北,Y轴指向东,Z轴垂直指向地。

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       地磁场强度T在X轴上的投影Bn称为地磁场的北向分量;T在Y轴上的投影Be称为东向分量;T在Z轴上的投影Bz称为地磁场的垂向分量。T在水平面O-XY的投影Bh称为地磁场的水平分量。地磁水平分量Bh和垂向分量Bz所在平面称为磁子午面磁子午面和地理子午面O-XZ平面的夹角称为磁偏角,用D表示,并规定其东偏为正,西偏为负。地磁场强度T与水平面O-XY的夹角称为磁倾角,用I表示。上述,T、Bh、Bn、Be、Bz、D、I统称为地磁场七要素,可作为定位定向的参考量。七要素只要知道三个独立的要素,就可以求其余的要素,常用的是磁倾角、磁偏角和水平分量。七要素间有如下关系:

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(3) 中国地磁要素变化:

中国的地磁要素大致分布情况:国境内地磁强度总量范围0.41~0.60Gauss(1 Gauss = 10^-4T);水平分量Bh由南至北从0.4降至0.21;垂直分量Bz由南至北从-0.1增至0.56;磁倾角I由南至北从-10°增至70°;磁偏角D由东向西从-11°增至5°,零偏线在中国中部偏西处,由北向南经过甘肃的安西以及西藏的得宋。

(4) 地磁场的一级近似:

对地磁场的一种近似,如下图所示:

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不考虑地磁轴与地球自转轴的偏离问题,地磁强度分量可用以下解析式来描述:

IMU(陀螺仪、加速度计)&Magnetometer(磁力计)校准方法和流程_第11张图片

其中,东向地磁分量为0;在实际运算中,将磁力计在水平面X、Y轴的测量值,全部投影到北向,并将东向置零。

在加速度计/磁力计标定中,一般采用十二位置标定法,其中十二位置法,包含了了36个轴向,以前上右为载体坐标系;北天东为导航坐标系

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
西 西
西 西 西 西

以上12位置实验,可以看出:X、Y、Z三轴在每一个方向都存在6次。

4 2 0 6
4 2 0 6
2 2 2 6
2 2 2 6
西 0 2 4 6
0 2 4 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考:

 

《自主定位定向技术》

《Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems》

《三轴磁阻式传感器标定方法研究》

《一种十二位置不对北的磁罗盘标定方法》

《基于WMM 2005的地磁计算》

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