阅读说明：本技术 一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统 (Method and system for measuring angular velocity through magnetometer ) 是由 贾臻 孙华苗 闵家麒 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统,该方法包括：步骤1：磁强计在地面固定位置,进行磁场数据采集,采集数据x、y；步骤2：对步骤1的采集数据进行处理,计算数据的模值；步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值,如果是则执行步骤4,否则测试时间累加一个周期,然后执行步骤1；步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。本发明的有益效果是：本发明通过磁强计测量角速度,扩大了磁强计的使用范围,磁强计价格低廉,完成多种功能,既可以进行磁场大小,方向的判断,同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。(The invention provides a method and a system for measuring angular velocity through a magnetometer, wherein the method comprises the following steps: step 1: the magnetometer is fixed at a ground position, magnetic field data acquisition is carried out, and data x and data y are acquired; step 2: processing the acquired data in the step 1, and calculating a modulus value of the data; and step 3: comparing the modulus values to determine whether the acquisition deviation of adjacent data is smaller than a set threshold, if so, executing a step 4, otherwise, accumulating the test time for one period, and then executing a step 1; and 4, step 4: and carrying out angular velocity calculation on the two adjacent effective data. The invention has the beneficial effects that: the invention measures the angular velocity through the magnetometer, enlarges the application range of the magnetometer, has low price of the magnetometer, completes multiple functions, can judge the size and the direction of a magnetic field, and can replace a gyroscope to measure the angular velocity to a certain degree.)

一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统

技术领域

本发明涉及微小卫星领域，尤其涉及一种通过磁强计对角速度进行测量的方法及系统。

背景技术

微小卫星在轨运行过程中，磁强计主要用于测量磁场，配合磁力矩器完成降低卫星自转角速度、消除动量轮过多的角动量等功能。

当前磁强计的使用，主要是使用其测量磁场大小，结合测量得出的矢量方向与已知磁场方向进行比对，确定姿态角度，使用用途受到严重制约。

发明内容

本发明提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法，包括依次执行如下步骤：

步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；

步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；

步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；

步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，所述设定阈值为1500nT。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，对步骤1的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。

本发明还提供了一种通过磁强计对角速度进行测量的系统，包括：

采集模块：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；

数据处理模块：对采集模块的采集数据进行处理，计算数据的模值；

判断模块：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则运行解算模块，否则测试时间累加一个周期，然后运行采集模块；

解算模块：对相邻两次有效数据进行角速度解算。

作为本发明的进一步改进，在所述判断模块中，所述设定阈值为1500nT。

作为本发明的进一步改进，在所述数据处理模块中，对采集模块的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。

作为本发明的进一步改进，在所述数据处理模块中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。

作为本发明的进一步改进，在所述解算模块中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。

本发明的有益效果是：本发明通过磁强计测量角速度，扩大了磁强计的使用范围，磁强计价格低廉，完成多种功能，既可以进行磁场大小，方向的判断，同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。

附图说明

图1是矢量旋转关系图；

图2是角度偏差图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

既然磁强计可以测量角度，那么更进一步，利用短时间相邻两次的数据，对转动角度进行估计，可以扩大磁强计的使用用途，使得其具有陀螺的功能。

本发明主要使用单轴磁强计算进行平面转动角速度测量。选择的磁强计采集磁场强度范围一般-85000nT～85000nT。结合工程实践经验，经过校准的磁强计，采集偏差会在1500nT以内。选择平面二维模型，不选择三维模型的主要原因在于三维欧拉角耦合严重，矩阵辨识误差累计，通过二维模型也可以间接得到三维欧拉角，通过三个正交单轴磁强计两两计算来实现。

假设1：磁强计数据采样时间＜＜被测物体测试过程经历的时间Δt。

假设2：测试过程中，磁强计保持水平位置旋转或者静止不变。或者采集周期、测试角速度的时间＜＜被测物体移动或者转动速度。

在地面固定位置，分别进行两次磁场采集，第一次采样N个数据，将数据中野值剔除，然后进行均值处理或者卡尔曼滤波后得到有效数据x_a，y_a。经过Δt，转动θ角度，在此过程中采样N个数据，将数据中野值剔除，然后进行均值处理或者卡尔曼滤波后得到有效数据x_b、y_b。分别计算两次测量得到的模值，即有以下结论：

磁强计采集到的有效数据第一次为x_a、y_a，第二次为x_b、y_b，且均满足x,y∈[-85000,85000]。

图1为矢量旋转关系图。

采集数据之间存在以下转动关系：

其中，k₁₁＝cosθ、k₁₂＝-sinθ、k₂₁＝sinθ、k₂₂＝cosθ；θ为磁强计每次采集之间角度的变化量。

角速度则为ω＝θ/Δt。

Δt为两次采样经历的时间。

理论上，求解得到的θ是一个确定值，但是通过参数估计算法得到的矩阵，一般会得到4个θ值。例如，计算矩阵采用广义逆的求解方法，可以直接解出转角θ₁,θ₂,θ₃,θ₄，求解到的四个角速度，两两偏差在0.04度以内即为有效，否则重新采集。

地磁场水平面内最大磁场大概38000nT左右，而磁强计的采集最大偏差1500nT，对角度造成的偏差估计值为1500/38000＝0.039度，角度偏差如图2所示。

如图3所示，本发明公开了一种通过磁强计对角速度进行测量的方法，包括依次执行如下步骤：

步骤1：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；

步骤2：对步骤1的采集数据进行处理，计算数据的模值；

步骤3：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值1500nT，如果是则执行步骤4，否则测试时间累加一个周期，然后执行步骤1；

步骤4：对相邻两次有效数据进行角速度解算。

在所述步骤2中，对步骤1的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。

在所述步骤2中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。

在所述步骤4中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。

对模值的判断是基于外界干扰的识别，如果磁强计没有转动，此时周围有大功率用电设备临时工作，造成磁场突然改变，是不能得到有效角速度的，这里需要说明的是，周围用电设备长期稳定运行，且不造成磁强计输出饱和的情况下，对测量角速度是没有影响的。阈值1500nT的设计是基于磁强计本身测量偏差的波动最大情况设计的，具体数值以磁强计自身精度来设计。

本发明还公开了一种通过磁强计对角速度进行测量的系统，包括：

采集模块：磁强计在地面固定位置，进行磁场数据采集，采集数据x、y；

数据处理模块：对采集模块的采集数据进行处理，计算数据的模值；

判断模块：对模值进行比较相邻数据的采集偏差是否小于设定阈值，如果是则运行解算模块，否则测试时间累加一个周期，然后运行采集模块；

解算模块：对相邻两次有效数据进行角速度解算。

在所述判断模块中，所述设定阈值为1500nT。

在所述数据处理模块中，对采集模块的采集数据进行剔除野值处理，然后进行平滑数据处理，从而得到有效数据，计算有效数据的模值。

在所述数据处理模块中，所述平滑数据处理包括均值处理或者卡尔曼滤波处理。

在所述解算模块中，角速度ω＝θ/Δt，θ为磁强计每次采集之间角度的变化量，Δt为两次采样经历的时间。

本发明通过磁强计测量角速度，扩大了磁强计的使用范围，磁强计价格低廉，完成多种功能，既可以进行磁场大小，方向的判断，同时可以代替陀螺进行一定程度的角速度测量。

本发明的方法测量仅考虑两次测量的相对变化量，对安装误差，加工精度都没有要求，同时对周围磁环境没有特殊要求，稳定就可以满足，扩大了使用对象。

如果有高速采集设备，后续可以进一步计算加速度，同时在处理数据中的干扰，可以考虑智能优化算法，保证数据精度，在此基础上，也可以将该方法应用于移动或者转动物体。同时可以进行三维欧拉角的角速度计算，但是需要进行解耦，以及解决三轴一体磁强计自身输出轴存在耦合的问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。