Как определить магнитный азимут (курс) с помощью инерциальных модулей
На примере нашей продукции попробуем оценить точность вычисления курса (магнитный азимут) по данным от инерциальных модулей МГ-1 и ГКВ-6. В инерциальных модулях встроены трехосные магнитометры, способные измерять проекцию магнитного поля Земли на свои оси, а значит и направление вектора магнитного поля Земли.
Также сформулируем метод, позволяющий уменьшить ошибку определения магнитного курса при изменении смещения нуля сигналов магнитометра, причиной которого является влияние окружающей среды.
Магнитное поле Земли
Магнитное поле на поверхности Земли неоднородно (более того магнитный полюс движется), для вычисления разницы между магнитным севером и истинным применяется математическая модель магнитного поля земли (WMM – World Magnetic Model), описывающая склонения вектора магнитного поля Земли в зависимости от координат.
В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 0,25—0,65 Гс, при этом выходной сигнал магнитометра (смещение нуля) зависит от температуры и может меняться в интервале ± 3 Гс во всем диапазоне температур. Поэтому важно перед использованием магнитометра ввести компенсацию смещения нуля от температуры – провести калибровку.
В системе, связанной с магнитометром, могут присутствовать постоянные в пространстве и времени объекты, материал которых локально влияет на магнитное поле вокруг. Различают два типа влияния: Hard Iron и Soft Iron. Hard Iron — аддитивная ошибка, которая суммируется с магнитным полем Земли. Причиной данного искажения является наличие постоянного магнита. Soft Iron — ошибка, которая искажает магнитное поле Земли вокруг датчика. Ошибка Soft Iron вносится предметами, которые искажают окружающее магнитное поле, но не обязательно генерируют свое. Например, данный вид искажений характерен для никеля и железа. Мы проводим калибровку этих ошибок и минимизируем влияние Hard и Soft Iron искажений, которые генерируются постоянными в пространстве и времени объектами в системе магнитометра.
Рисунок 1 – Влияние на магнитное поле
Калибровка магнитометра
Перед использованием магнитометра всегда необходимо проводить калибровку, тем более если работать магнитометр будет на новом месте.
Данные для статической калибровки записываются перед непосредственной работой прибора. Для того, чтобы получить хорошую калибровку, необходимо вращать магнитометр вокруг осей, перпендикулярных местному вектору магнитного поля. Тогда данные, полученные с прибора, будут лежать на сфере. Калибровкой подбираются такие масштабные коэффициенты и смещения нулей, чтобы сфера с точками стала единичного радиуса с центром в начале координат (рис. 2.1 и 2.2).
Рисунок 2.1 – Данные магнитометра до калибровки (внимание к масштабу и смещениям)
Рисунок 2.2 – Данные магнитометра после статической калибровки (внимание к масштабу и смещениям)
Однако, даже при условии хорошей начальной статической калибровки, смещения нулей могут значительно меняться во время работы как от внутренних причин (нестабильность нуля, температурные изменения), так и от внешних – изменение местности, в которой снимаются данные, например, появление новых предметов. Такие изменения могут приводить к значительным ошибкам в измерении азимута, например, смещение единичной сферы вдоль одной из осей на 0,05 приводит к ошибке азимута примерно в 3 градуса (рис. 3).
Рисунок 3 – Влияние смещения нуля на ошибку определения азимута
Для учёта изменений был применён алгоритм динамического поиска смещения нулей магнитометра, основанный на фильтре Калмана (динамическая калибровка). Работа фильтра на каждой итерации требует обязательного учёта текущих показаний магнитометров и датчиков угловой скорости.
Помимо калибровки магнитометров в месте проведения испытаний, инерциальные модули индивидуально калибруются в рабочем диапазоне температур. Это позволяет увеличить точность выходных характеристик инерциальной части за счет того, что мы учитываем температурные зависимости чувствительных элементов МЭМС-ДУС и МЭМС-акселерометров, а также компенсируем неортогональность осей внутри измерительного блока.
Определение магнитного азимута (курса)
Для проведения эксперимента собран тестовый стенд, который представляет собой панель-основание с закрепленными приборами МГ-1, ГКВ-6 и двухантенным ГНСС-приемником (используемый как референсный источник вычисления направления на север). Двухантенный ГНСС-приемник способен вычислять координаты ГНСС-антенны №1 относительно ГНСС-антенны №2 с сантиметровой точностью. Антенны расположены на расстояние 1,2 м, что дает ошибку вычисления курса менее 0,5°. Данные от модулей МГ-1 и ГКВ-6 записываются на одноплатный компьютер Raspberry Pi для дальнейшего анализа.
Используемые магнитометры в МГ-1 и ГКВ-6 идентичны, разница испытаний МГ-1 от ГКВ-6 заключается в отсутствии калибровки в температуре.
Рисунок 4 – Cхема для калибровки магнитометра
Было проведено два однотипных эксперимента в разные дни и разной длительности. Эксперименты проводились на открытой местности, вдали от металлоконструкций.
Эксперимент 1. Данный эксперимент заключался в записи данных с магнитометров в трех разных точках после их калибровки, которая заключалась во вращении стенда вокруг осей, перпендикулярных местному вектору магнитного поля. Во время записи данных с магнитометров стенд был опущен на землю в горизонтальное положение и с паузами в 10 секунд стенд поворачивали на небольшие углы (порядка 15-20 градусов), делая таким образом один оборот. Затем эти действия были выполнены в двух других точках.
Эксперимент 2. Во время данного эксперимента данные с магнитометров были записаны после калибровки один раз. Данные записывались так же, как и в первом эксперименте, во время вращения стенда в горизонтальном положении на небольшие углы с интервалом в 10 секунд.
Записывались эксперименты в разные дни и в разных местах.
Ошибка определения угла азимута
Ошибки определения азимута были получены путём вычитания результатов, полученных по показаниям магнитометра (с учетом склонения, полученного из WMM) и референсных данных угла от ГНСС.
На графиках синим цветом отображены данные с применением статической калибровки, оранжевым – с применением динамического поиска нулей магнитометра. По горизонтальной оси показан угол, на который был отклонён стенд во время эксперимента, по вертикальной оси – отличие азимута по магнитометру от азимута по ГНСС.
Рисунок 5.1 и 5.2 – Ошибки азимута для ГКВ-6 и МГ-1, эксперимент 1, вращение 1 (около места калибровки)
Рисунок 5.3 и 5.4 – Ошибки азимута для ГКВ-6 и МГ-1, эксперимент 1, вращение 2 (на расстоянии 7 метров от места калибровки)
Рисунок 5.5 и 5.6 – Ошибки азимута для ГКВ-6 и МГ-1, эксперимент 1, вращение 3 (на расстоянии 12 метров от места калибровки)
Как видно из графиков, по мере протекания эксперимента ошибка после статической калибровки у обоих датчиков увеличивается. Это связано, в первую очередь, с влиянием изменения температуры, а также изменением окружающей обстановки. При этом графики ошибок после динамической калибровки наоборот становились лучше со временем. Это связано с тем, что фильтр Калмана не сразу находит оптимальные смещения нулей, для этого ему требуется какое-то время.
Эксперимент №2 был проведён в другой день. Как видно по графикам, динамическая калибровка не сильно улучшает итоговую ошибку. Это может быть связано с тем, что проведённая статическая калибровка ещё достаточно хороша (не успела уйти), и прошло не так много времени, чтобы нули магнитометра успели измениться.
Рисунок 5.7 и 5.8 – Ошибки азимута для ГКВ-6 и МГ-1, эксперимент 2
Точность определения магнитного курса
Используемый метод калибровки магнитометров в ООО ЛМП дает ошибку ± 2°, при этом важно провести температурную компенсацию. Добавление динамической калибровки позволяет уменьшить ошибку определения магнитного курса при изменении смещения нуля сигналов магнитометра, вызванного влиянием внешних условий.
Наша задача – создать алгоритм, который будет находить углы ориентации не хуже ± 1° по тангажу и крену и не хуже ± 2° градусов по курсу при любых начальных условиях и без сторонних корректоров, таких как ГНСС. Сейчас наша команда занимается переносом динамического алгоритма калибровки в инерциальный модуль серии ГКВ, с целью увеличения функциональности изделия.
Обсудить материал можно по e-mail: support@mp-lab.ru. Больше новостей на нашей странице в фейсбук по адресу.
