本發(fā)明涉及三分量磁力儀的磁力檢測校正，特別涉及一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前現(xiàn)有的磁力計進行磁場檢測時均會受到包括自身材料和場地環(huán)境的影響，其中深海場景下環(huán)境復(fù)雜，磁場影響因素眾多?，F(xiàn)有的深海磁力檢測方法主要采用三分量磁力儀進行檢測，其中三分量磁力儀的檢測方法主要為利用磁阻傳感器通過三個正交排列的磁阻元件分別測量各軸向磁場強度，或者利用磁通門技術(shù)通過線圈激勵鐵芯產(chǎn)生周期性飽和磁場，檢測外部磁場引起的二次諧波信號變化。然而上述現(xiàn)有的磁力儀受到多種類型的磁場干擾，比如軟磁誤差、正交誤差和硬磁誤差等?，F(xiàn)有的三分量磁力校正方法主要針對材料自身的硬磁誤差進行校正，針對受到環(huán)境磁場影響的軟磁誤差和正交誤差的校正方法還存在磁場干擾因素分離的技術(shù)問題，特別是對主要磁場干擾因素的分析還沒有較好的現(xiàn)有技術(shù)，使得傳統(tǒng)的三分量磁力儀的校正效果較差，使得所述三分量磁力儀在深海應(yīng)用中磁場檢測存在較大問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明其中一個發(fā)明目的在于提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)將主成分分析法應(yīng)用到深海磁力校正中進行磁力誤差影響因素的分析，本發(fā)明利用所述主成分分析法結(jié)合igrf?模型（全球磁場模型）可以有效地分離出現(xiàn)有三分量磁力計在進行auv（水下機器人）深海探測時存在的磁場檢測主要誤差類型，根據(jù)主要誤差類型進行所述三分量磁力計對應(yīng)類型實測數(shù)據(jù)的校正，從而提高所述三分量磁力計在深海場景下的磁場檢測精準(zhǔn)度。

2、本發(fā)明另一個發(fā)明目的在于提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)預(yù)先建立深海磁場誤差模型，其中所述深海磁場誤差模型包括環(huán)境地磁場矩陣、實測磁場矩陣、軟磁誤差矩陣、正交誤差矩陣和硬磁誤差矩陣，利用所述主成分分析法和所述深海磁場模型，對所述三分量磁力計在深海場景下進行包括軟磁誤差、正交誤差和硬磁干擾誤差等相關(guān)系數(shù)矩陣的特征分解，并且所述相關(guān)系數(shù)矩陣還基于軟磁誤差、正交誤差和硬磁干擾誤差分解磁場強度和磁場方向的誤差，特征分解后根據(jù)所述主成分分析方法得到不同誤差類型對所述磁場誤差貢獻率，根據(jù)所述誤差貢獻率進行主成分篩選。

3、本發(fā)明另一個發(fā)明目的在于提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)還設(shè)置有高精度水晶陀螺儀，其中本發(fā)明利用所述高精度水晶陀螺儀計算對應(yīng)三分量磁力儀在深海場景下的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角構(gòu)建所述三分量磁力儀的相關(guān)角度變換矩陣，其中所述角度變換矩陣用于所述相關(guān)系數(shù)矩陣的特征分解，從而可以得知所述三分量磁力儀在旋轉(zhuǎn)角度上對檢測磁場誤差的影響。

4、本發(fā)明另一個發(fā)明目的在于提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)還采用了四元數(shù)更新法和濾波器實時更新所述高精度水晶陀螺儀對所述三分量磁力儀在深海場景下的姿態(tài)角，利用所述四元數(shù)更新法計算所述三分量磁力儀在深海場景下的姿態(tài)角可以有效地提高姿態(tài)角的檢測精準(zhǔn)度，特別可以提高auv（水下機器人）在動態(tài)場景下的姿態(tài)角度的檢測精度，從而減少所述陀螺儀自身所安裝的auv（水下機器人）運動狀態(tài)下檢測精度帶來的誤差。

5、為了實現(xiàn)至少一個上述發(fā)明目的，本發(fā)明進一步提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法，所述方法包括：

6、獲取當(dāng)前檢測地點的地理位置參數(shù)和檢測時間參數(shù)，其中所述地理位置參數(shù)包括經(jīng)緯度和海平面深度，將所述地理位置參數(shù)和時間參數(shù)輸入到igrf模型中得到當(dāng)前檢測地點的理論磁場值；

7、獲取當(dāng)前檢測地點相同檢測時間的三分量磁力儀的實際檢測磁場值，其中所述實際檢測磁場值包括三個正交方向的磁場分量、總和磁場強度、磁傾角和磁偏角；

8、構(gòu)建包括軟磁誤差、正交誤差和硬磁誤差的深海磁場誤差模型，根據(jù)所述理論磁場值和實際檢測磁場值計算對應(yīng)的磁場誤差，利用磁場誤差模型和主成分分析法進行磁場誤差特征提取，得到誤差特征向量和特征值；

9、根據(jù)所述誤差特征向量和特征值計算每個磁場誤差特征類型的誤差貢獻率，并根據(jù)所述每個磁場誤差特征類型的誤差貢獻進行主成分分析，并根據(jù)所述主成分分析結(jié)果計算磁場校正值。

10、根據(jù)本發(fā)明其中一個較佳實施例，所述深海磁場誤差模型構(gòu)建方法包括：采用如下公式構(gòu)建所述深海磁場誤差模型：bsensor=asoft*csn*breal+bhard，其中bsensor為所述三分量磁力儀的實測值，asoft為軟磁誤差矩陣，csn為正交誤差矩陣，breal為環(huán)境地磁場強度，bhard為硬磁誤差矩陣，進一步建立線性校正模型：b校正=k*bsensor+bhard，其中k為校正系數(shù)矩陣，b校正為校正矩陣，通過最小化所述實測值bsensor和理論值的殘差求解所述校正系數(shù)矩陣k和硬磁誤差矩陣bhard，利用所述線性校正模型輸出包括不同磁場分量的校正磁場強度和校正磁場方向。

11、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，所述主成分分析法包括：利用auv水下機器人在深海不同經(jīng)緯度和海平面深度的不同位置下進行磁力檢測，獲取對應(yīng)不同位置在對應(yīng)檢測時間下的三個正交方向的磁場分量、總和磁場強度、磁傾角和磁偏角，并利用所述igrf模型輸入所述不同位置的地理參數(shù)和檢測時間參數(shù)，輸出多個包括三個正交方向的磁場分量、總和磁場強度、磁傾角和磁偏角的誤差值，對每個類型的誤差值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并利用相關(guān)性系數(shù)矩陣計算每一個誤差類型對所述三個正交方向的磁場分量、總和磁場強度、磁傾角和磁偏角的誤差值的相關(guān)性系數(shù)。

12、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，進一步計算相關(guān)性系數(shù)矩陣的特征值和特征向量，其中所述特征向量為對應(yīng)誤差類型的特征值的正交特征向量，所述特征值為對應(yīng)誤差類型計算的誤差相關(guān)值，并基于所述特征向量和特征值計算對應(yīng)每個主成分的貢獻率，并計算不同主成分的總和誤差貢獻率，基于所述總和誤差貢獻率計算需要達到主成分誤差貢獻率要求的不同誤差類型的校正，通過所述線性校正模型b校正=k*bsensor+bhard計算每個誤差類型的最終校正值。

13、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，所述主成分誤差貢獻率的計算方法包括：定義對應(yīng)誤差類型j的特征值為λj，則該特征值類型的誤差貢獻率;其中m為總和誤差類型，k表示對應(yīng)誤差類型標(biāo)識，在得到對應(yīng)特征值類型的誤差貢獻率后，進一步計算所述總和誤差貢獻率zp。

14、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，所述總和誤差貢獻率zp的計算方法包括：將所述對應(yīng)誤差類型特征值λj從大到小進行排序，并按照從大到小選擇p個誤差類型按照如下公式進行所述總和誤差貢獻率zp計算：，設(shè)置總和誤差貢獻率閾值zs，若計算的所述總和誤差貢獻率zp＜總和誤差貢獻率閾值zs，則p=p+1,將p+1重新代入所述總和誤差貢獻率zp計算，直到計算的所述總和誤差貢獻率zp≥總和誤差貢獻率閾值zs。

15、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，針對磁場方向的旋轉(zhuǎn)誤差，配置包括高精度陀螺儀和加速度傳感器，用于實時采集三分量磁力儀旋轉(zhuǎn)角度，其中采用四元素法進行所述采集三分量磁力儀旋轉(zhuǎn)角度的實時更新，其中所述四元素法包括：構(gòu)建描述三分量磁力儀對應(yīng)分量姿態(tài)的四元素微分方程：，其中q為四元素且,ω為角速度，x,y,z分別表示不同分量元素，ωx、ωy和ωz分別為對應(yīng)分量的角速度，為四元素乘法。

16、根據(jù)本發(fā)明另一個較佳實施例，所述四元素更新方法還包括：按照如下四階龍格-庫塔法公式更新所述四元素：

17、；

18、；

19、；

20、；

21、其中k1、k2、k3和k4分別為斜率系數(shù)，qt為對應(yīng)檢測時間t下的四元素，h為檢測時間步長，ω為角速度；并進一步按照如下公式更新下一檢測時間t+1時的四元素： q t+1= q t+h( k1+2 k2+2 k3+ k4)/6，其中通過所述更新的四元素 q t+1可以得到包括對應(yīng)分量的角速度，結(jié)合對應(yīng)檢測時間步長進行積分求解后得到對應(yīng)分量的旋轉(zhuǎn)矩陣。

22、為了實現(xiàn)至少一個上述發(fā)明目的，本發(fā)明進一步提供一種姿態(tài)感知的深海磁力校正系統(tǒng)，所述系統(tǒng)執(zhí)行上述一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法。

23、本發(fā)明進一步提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行以實現(xiàn)上述一種姿態(tài)感知的深海磁力校正方法。