三轴磁通门传感器空间转向差校正方法研究

三轴磁通门传感器空间转向差校正方法研究

0任意姿态变化姿态下的转向误差校正三轴磁通传感器广泛应用于地磁场信号的测量和磁体场场的磁体测量。理想的三轴磁通门传感器总数的输出值与传感器的测量方向无关。然而，由于传感器在加工技术和安装工艺上的局限性，实际使用的三轴磁通门传感器无法避免三轴之间的正交误差、零误差和零件误差，因此存在空间旋转误差问题。主要原因是每个轴的非正义、测量误差和零误差。为了测量三轴磁通门传感器的旋转误差，有必要保持三轴之间的实际闭合角度，并在每个轴上的每个输出输出的灵维系数和零位移。可以用特殊设备测量每个传感器的参数值。然而，设备既昂贵又昂贵，测试过程既复杂。在文献中，为了消除三个轴之间的旋转差，需要用神经网络来训练它。该方法仅对几个方向的测量点进行采样训练，以改变传感器的姿态。在文献中，这种方法使用了两种自适应自适应方法来消除转账差。该方法可以同时估算多个参数，信息收集点的信息需要多个状态周期，以提高信息。然而，上述传感器校正方法主要基于传感器围绕特定的轴进行旋转。在实际情况下，传感器的姿态可以随时改变。在这种情况下，是否可以推广和应用磁通门传感器的校正方法。本文针对任意变化姿态情况下的转向差校正进行了研究,提取采用最小二乘法获取传感器任意姿态变化情况下的校正权值,校正了传感器总量误差,并对校正权值的通用性进行了验证.有效抑制了三轴磁通门传感器由于姿态变化引起的转向差,提高了传感器测量准确度.1轴磁通门传感器的校正模型本文利用最小二乘法对三轴磁通门传感器转向差进行校正.在模型已知条件下,用实验方法所获得的数据确定模型参数,即为模型参数辨识方法.在参数估计领域中,最小二乘是一种基本的重要估计方法,该方法根据观测数据推断未知参数时,未知参数的最佳值满足一定条件,它使各项实际观测值与计算值之差的平方乘以度量其精确度的数值后的和为最小.在随机环境下,利用最小二乘法时,并不要求观测数据提供出有关它概率统计方面的信息,而用这种方法获得的估计结果,却有相当好的统计特性.文献提出采用最小二乘法对多频涡流检测信号参数进行了分析,文献提出采用基于最小二乘法的GPS多天线测姿及精度分析.首先,需获取三轴磁通门传感器的校正模型,传感器校正后的总量值为Y2=w1v2x+w2v2y+w3v2z+w4vxvy+w5vyvz+w6vzvx,(1)Y2=w1v2x+w2v2y+w3v2z+w4vxvy+w5vyvz+w6vzvx,(1)式中:vx=px-bx,vy=py-by,vz=pz-bz.Y是校正后总量值;px,py,pz是传感器三个轴的测量值,即分量值;bx,by,bz是传感器三个轴的零偏值;w1,w2,w3,w4,w5,w6是校正权值向量.令W=[w1w2w3w4w5w6],φ=[v2x2x,v2y2y,v2z2z,vxvy,vyvz,vzvx],则式(1)转化为Y=φW.(2)Y=φW.(2)当采集数据长度为N时,式(2)的最小二乘结构形式为Y(Ν)=φ(Ν)W+ε(Ν),(3)Y(N)=φ(N)W+ε(N),(3)式中:ε(N)为向量方程误差,最小二乘基本思想是找一个W的估计值ˆWWˆ,使性能指标J(W)=εΤ(Ν)ε(Ν)=Ν∑k=1e2(k)J(W)=εT(N)ε(N)=∑k=1Ne2(k)取极小值.若能从式中找到此估计值,则称为最小二乘意义下的参数W的估计值,用ˆWWˆLS表示.此处ε=Y-φW,故J(W)=εΤ(Ν)ε(Ν)=(Y(Ν)-φ(Ν)W)Τ(Y(Ν)-φ(Ν)W)=YΤ(Ν)Y(Ν)-WΤ(Ν)φΤ(Ν)Y(Ν)-YΤ(Ν)φ(Ν)W+WΤ(Ν)φΤ(Ν)φ(Ν)W.(4)J(W)=εT(N)ε(N)=(Y(N)−φ(N)W)T(Y(N)−φ(N)W)=YT(N)Y(N)−WT(N)φT(N)Y(N)−YT(N)φ(N)W+WT(N)φT(N)φ(N)W.(4)令∂J(W)∂W|W=∧WLS=0.(5)可知φΤφ∧WLS=φΤY.(6)式(6)称为最小二乘正则方程,实验测量数据φ的长度N远远大于待估计向量W的长度,故(φTφ)-1满秩,即(φTφ)-1存在,可解出∧WLS=(φΤφ)-1φΤY.(7)2传感器数据采集实验选择德国的一款DM系列高精度三轴磁传感器进行标定,传感器包括电缆和探头.探头的长度和半径分别为63mm和300mm,重量为1.4kg;电缆长度可达到300m.传感器电缆通过PCMCIAII型接口与笔记本电脑相连,电脑同时为传感器提供3V的供电电压.采用STLGradMag软件进行数据采集、显示、保存、处理.数据采样频率范围为0.1Hz～10kHz,本次实验软件设置的数据采样频率为1Hz,采用MATLAB7.1软件编写传感器校正程序.实验设备如图1所示.在长沙市郊区星沙地区选择一地势平稳、磁场环境稳定的平地.在两个不同地点进行数据测量,第一个点用于计算校正权值向量,称为标定点;第二个点用于检验校正权值的通用性,称为验证点.数据采集过程中传感器姿态任意连续变化,因此在整个姿态变化过程中,传感器分量值和总量值没有固定变化规律.传感器在标定点的各轴输出值如图2所示.由图2可知,传感器在标定点共采集86个数据值,传感器各轴输出值没有固定的变化规律,三个轴的变化幅度都非常大.X轴测量的最大值为45868nT,最小值为-47844nT,变化幅度达到93712nT;Y轴测量的最大值为32114nT,最小值为-44911nT,变化幅度达到77025nT;Z轴测量的最大值为47483nT,最小值为-48016nT,变化幅度达到95499nT.可见与绕Z轴变化的情况不同,任意姿态变化下Z轴的测量值变化剧烈.3结果3.1z轴零偏值校正对任意姿态下的传感器各轴测量值进行最小二乘法校正,该点总量值随着传感器姿态变化而改变,总量平均值为48477nT,该值作为最小二乘法校正目标值.校正前,传感器零偏值已由零偏标定装置测量;X轴、Y轴、Z轴的零偏值分别为-3.1nT,-1.6nT,4.3nT,将其带入最小二乘参数估计程序,传感器参数校正权值计算结果如表1所示.采用式(2),将此权值向量带回校正点的传感器测量值,从而校正该点转向差.图3显示了收敛权值向量带入测量值的校正情况,图中虚线是校正前的总量变化情况;校正前,总量起伏剧烈且没有固定变化规律,最大值为48521nT,最小值为48415nT,转向差达到106nT;校正后,最大值为48490nT,最小值为48463nT,转向差减少到27nT,转向差得到抑制.故最小二乘法在姿态任意变化的情况下能有效抑制三轴磁通门传感器转向差.3.2磁通门传感器测量原理前面研究了三轴磁通门传感器在任意姿态下的转向差校正,校正关键点在于计算出校正权值向量,该权值向量体现了传感器的固有误差;理论上,传感器在标定点经过校正后计算的权值不但能校正该点的转向差,而且在其他地点具有通用性.下面对传感器的校正权值的通用性进行验证.选择一个验证地点进行磁场测量,传感器在验证点同样是连续姿态变化,采集75个数据值.传感器各轴输出值变化剧烈,X轴测量的最大值为40904nT,最小值为-47757nT,变化幅度达到88661nT;Y轴测量的最大值为46004nT,最小值为-46028nT,变化幅度达到92032nT;Z轴测量的最大值为45577nT,最小值为-39132nT,变化幅度达到84710nT.磁通门传感器在验证点的总量值变化情况如图4所示,校正前,总量值最大值为48522nT,最小值为48433nT,转向差达到89nT;校正后,总量值最大值为48485nT,最小值为48462nT,转向差减少到23nT.证明了标定点计算的校正权值具有良好的通用性.4校正权值向量的确定采用最小二乘法对传感器校正参她权值进行准确估计,对德国的一款DM系列高精度三轴磁通门传感器进行了标定.在标定点,在传感器姿态任意连续变化情况下准确获