基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算方法及装置
阅读说明：本技术 基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算方法及装置 (Geomagnetic device-based high-speed rotation system movement speed calculation method and device ) 是由 邹思远 尚克军 邓继权 刘冲 郭玉胜 刘洋 杨研蒙 闫红松 钟锋 周亚男 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提出的基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算方法及装置,首先通过判断地磁装置输出的数据变化规律建立轮轴旋转整周期的基准时刻,再计算轮轴旋转的整周期时间,同时结合惯导陀螺角速率输出,判断高速旋转系统是否处于静止状态,最后计算高速旋转系统运动速度。本发明基于地磁传感器测量精度高,没有累积误差特点,得到车体实时行驶速度,作为车载定位定向惯导系统的参考信息,由此可提高车载定位定向系统的自主可靠性。(The invention provides a method and a device for calculating the movement speed of a high-speed rotating system based on a geomagnetic device. The method is based on the characteristics of high measurement precision and no accumulated error of the geomagnetic sensor, obtains the real-time running speed of the vehicle body, and uses the real-time running speed as the reference information of the vehicle-mounted positioning and orientation inertial navigation system, thereby improving the autonomous reliability of the vehicle-mounted positioning and orientation system.)
技术领域
本发明属于微惯导系统技术领域，具体涉及基于地磁装置的高速旋转系统速度计算方法。
背景技术
车载定位定向系统，是一种军民两用系统。在国防领域，车载定位定向系统主要应用于车载武器发射平台，可以显著提高地面部队的机动能力、生存能力、协同作战能力，保证打击精度；在民用领域，车载定位定向系统主要应用于大地测量、地图测绘、地质勘探、地籍测量和公路监测等车载移动测量系统，以降低测绘成本，提高成图效率。
微惯导系统具有体积小、重量轻、自主性强、隐蔽性好等特点，在定位定向领域应用广泛。但是微惯导系统具有误差随时间积累的缺点，需要与其他传感器进行组合，实时修正误差，提高精度。
地磁装置可以敏感地磁场变化，安装在车轮上，随着车体运动，车轮高速旋转，地磁装置输出的数据呈正余弦周期变化规律，利用其随车轮高速旋转输出的周期变化数据以及车轮直径，可得到车轮整周内的平均速度。以此作为惯导系统的参考信息，实时修正误差，提高定位定向精度。该方法便于工程实现，可提高车载定位定向系统的可靠性，对于实现自主导航具有非常重要的意义。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种基于地磁装置的高速旋转系统速度计算方法及装置，作为高速旋转系统中定位定向惯导系统的参考信息，以提高定位定向系统的自主可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于地磁装置的旋转系统速度计算方法，采取技术方案如下：
首先通过判断地磁装置输出的数据变化规律建立轮轴旋转整周期的基准时刻，再计算轮轴旋转的整周期时间，同时结合惯导陀螺角速率输出，判断高速旋转系统是否处于静止状态，最后计算高速旋转系统运动速度。
进一步的，设地磁装置在ti时刻输出数据记为Si，i＝1,2,3,...,n，
对n个采样点数，首先判断连续m个采样点的数据真值，即：Si-m+1,Si-m+2,…,Si，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，则判断该时刻ti为轮轴旋转整周期基准，记录该时刻为整周期基准：T0＝ti。
进一步的，所述轮轴旋转的整周期时间计算方法为：
1)建立旋转半周期标志时刻
对n个采样点，首先判断连续m个采样点的数据真值，即：Sj-m+1,Sj-m+2,…,Sj，j＝1,2,…,n，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均小于0，则判断该时刻tj为轮轴旋转半周期标志时刻，设立轮轴旋转半周期标志；
2)计算整周期时间
对n个采样点，判断连续m个采样点的数据真值,即：Sk-m+1,Sk-m+2,…,Sk，k＝1,2,…,n，若均大于转动阈值SA，计算相邻两点采样数据的地磁数据差大于0，则确定该采样时刻tk即为轮轴整周期结束时刻，记录该时刻为TF＝tk，同时清除轮轴旋转半周期标志；
轮轴旋转整周期时间为：ΔTp＝TF-T0，其中，p表示轮轴第p个旋转周期。
其中，若惯导陀螺角速率小于等于2°/s，则认为车体处于静止状态，同时清除轮轴旋转半周期标志。
采样点m的取值为：3<m<8。
根据本发明又一方面，提供了一种基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算装置，包括整周期基准建立单元、旋转半周期标志时刻建立单元、整周期时间计算单元、轮轴静止状态判断和轮轴速度计算单元，
所述整周期基准建立单元，用于判断地磁装置输出的数据变化规律建立轮轴旋转整周期的基准时刻；
所述旋转半周期标志时刻建立单元，用于确定轮轴旋转半周期标志时刻；
所述整周期时间计算单元，用于确定轮轴整周期结束时刻，计算轮轴当前旋转周期；
所述轮轴静止状态判断单元，结合惯导系统陀螺角速率输出情况，用于判断高速旋转系统是否处于静止状态；
所述轮轴速度计算单元，用于对轮轴速度计算。
进一步的，
所述整周期基准建立单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值，且相邻两点的地磁数据差均大于0，则判断该时刻ti为轮轴旋转整周期基准记录该时刻为整周期基准：T0＝ti。
所述旋转半周期标志时刻建立单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均小于0，则判断该时刻tj为轮轴旋转半周期标志时刻，设立轮轴旋转半周期标志。
所述整周期时间计算单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，且轮轴旋转半周期标志有效，则确定该采样时刻tk即为轮轴整周期结束时刻，记录该时刻为TF＝tk，同时清除轮轴旋转半周期标志，
确定轮轴当前旋转周期：ΔTp＝TF-T0，其中，p表示轮轴第p个旋转周期。
其中，若惯导陀螺角速率小于等于2°/s，则认为车体处于静止状态，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
其中，采样点m的取值为：3<m<8。
与现有技术对比，本发明有益效果如下：
本发明根据轮轴旋转，地磁装置输出的数据呈正余弦周期变化规律，得到车轮整周内的平均速度，结合惯导系统陀螺角速率输出，进行异常校正和静止信息判别，得到车体实时行驶速度。本发明基于地磁传感器测量精度高，没有累积误差特点，得到车体实时行驶速度，作为车载定位定向惯导系统的参考信息，由此可提高车载定位定向系统的自主可靠性。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算方法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提出的高速旋转系统运动速度计算方法，如图1所示，采取技术方案为：首先通过判断地磁装置输出的数据变化规律建立轮轴旋转整周期的基准时刻，再计算轮轴旋转的整周期时间，同时结合惯导陀螺角速率输出，判断车体是否处于静止状态，最后计算车体运动速度。
具体的计算方法包括如下步骤：
步骤1、整周期基准建立
当车体行驶，轮轴高速旋转时，磁传感器X轴与Y轴所组成的敏感面与车轮的横截面平行，X轴、Y轴跟随轮轴的转动而转动，X轴、Y轴敏感到的磁场分量呈正弦周期性变化。地磁装置在ti(i＝1,2,3,...,n)时刻输出数据记为Si，设地磁装置转动输出阈值为SA，若Si＞SA，则判断该时刻地磁装置处于旋转状态。
在此需说明的是，n为采样点数，n>8，ti为第i个采样点对应的采样时刻。
相邻采样时刻的地磁数据差可记为：
ki＝Si-Si-1
首先判断连续m个采样点的数据真值，即：Si-m+1,Si-m+2,…,Si，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，则判断该时刻ti为轮轴旋转整周期基准。其中，3<m<8。
记录该时刻为整周期基准：T0＝ti。
步骤2、整周期时间计算
1)建立旋转半周期标志时刻
对n个采样点，首先判断连续m个采样点的数据真值，即：Sj-m+1,Sj-m+2,…,Sj(j＝1,2,…,n；3＜m＜8)，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均小于0，则判断该时刻tj为轮轴旋转半周期标志时刻，设立轮轴旋转半周期标志，HalfT＝1。
2)计算整周期时间
重复步骤1，对n个采样点，判断连续m个采样点的数据真值,即：Sk-m+1,Sk-m+2,…,Sk(k＝1,2,…,n；3＜m＜8)，若均大于转动阈值SA，计算相邻两点采样数据的地磁数据差大于0，则确定该采样时刻tk即为轮轴整周期结束时刻。记录该时刻为TF＝tk，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
计算轮轴旋转周期为：ΔTp＝TF-T0。其中，p表示轮轴第p个旋转周期。
步骤3、轮轴静止状态判断及速度计算
通过惯导系统ti时刻输出的角速率记为ωxi，实时判断车体运动状态，若ωxi＜＝2°/s，则认为车体处于静止状态，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
根据以上条件，轮轴速度计算方法如下：
其中，D为车轮周长。
下面以采样点数m取值为6的具体实施例对本发明进一步说明。
步骤1、整周期基准建立
首先判断连续6个采样点的数据真值，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，则判断该时刻ti为轮轴旋转整周期基准。即满足以下条件：
其中，SA为转动阈值。
记录该时刻为整周期基准：T0＝ti。
步骤2、整周期时间计算
1)建立旋转半周期标志时刻
判断连续6个采样点的数据真值，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均小于0，则判断该时刻tj为轮轴旋转半周期标志时刻，设立轮轴旋转半周期标志，HalfT＝1。即满足以下条件：
2)计算整周期时间
判断连续6个采样点的数据真值，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，计算相邻两点采样数据的地磁数据差，若同时满足以下条件，则确定该采样时刻tk即为轮轴整周期结束时刻：
记录该时刻为TF＝tk，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
计算轮轴旋转周期为：ΔTp＝TF-T0。其中，p表示轮轴第p个旋转周期。
步骤3、轮轴静止状态判断及速度计算
通过惯导系统ti时刻输出的角速率记为ωxi，实时判断车体运动状态，若ωxi＜＝2°/s，则认为车体处于静止状态，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
根据以上条件，轮轴速度计算方法如下：
其中，D为车轮周长。
根据本发明的又一方面，提供了一种基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算装置，具体可以用于执行上述实施例中的一种基于地磁装置的高速旋转系统运动速度计算方法的实施例的处理流程。
所述装置包括整周期基准建立单元、旋转半周期标志时刻建立单元、整周期时间计算单元、轮轴静止状态判断和轮轴速度计算单元。
整周期基准建立单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值，且相邻两点的地磁数据差均大于0，则判断该时刻ti为轮轴旋转整周期基准记录该时刻为整周期基准：T0＝ti。在此需说明的是，3<m<8；ti为第i个采样点对应的采样时刻。
旋转半周期标志时刻建立单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均小于0，则判断该时刻tj为轮轴旋转半周期标志时刻，设立轮轴旋转半周期标志，HalfT＝1。
整周期时间计算单元，用于对n个采样点中连续m个采样点的数据真值判断，若均大于转动阈值SA，且相邻两点的地磁数据差均大于0，且满足HalfT＝1，则确定该采样时刻tk即为轮轴整周期结束时刻。记录该时刻为TF＝tk，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。确定轮轴当前旋转周期为：ΔTp＝TF-T0。其中，p表示轮轴第p个旋转周期。
轮轴静止状态判断单元，结合惯导系统陀螺角速率输出，进行异常校正和静止信息判别。惯导系统ti时刻输出的角速率记为ωxi，实时判断车体运动状态，若ωxi＜＝2°/s，则认为车体处于静止状态，同时清除轮轴旋转半周期标志：HalfT＝0。
轮轴速度计算单元，基于惯导系统陀螺角速率输出情况，对轮轴速度计算。
其中，D为车轮周长。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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