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基于最小二乘的多旋翼无人机磁力计动态校准

王木华;苏成悦;朱文杰;蔡则鹏;任开众;陈元电;徐胜

【摘要】在静态校准的基础上提出一种小角度最小二乘迭代法,实现多旋翼无人机

的磁力计动态实时校准.对于电机磁场以及环境磁场的干扰,连续采用最小二乘在小

角度下拟合弧线并解算出球心,反复更新球心坐标,实现偏差修正,使多旋翼无人机在

空中飞行时能够实时校准磁力计,进一步改善磁力计误差补偿问题.通过仿真和大量

实验验证,该方法能有效地追踪零偏,解决多旋翼无人机的磁力计动态校准问题.

【期刊名称】《广东工业大学学报》

【年(卷),期】2019(036)004

【总页数】5页(P42-45,69)

【关键词】多旋翼;磁力计;最小二乘;动态;校准

【作者】王木华;苏成悦;朱文杰;蔡则鹏;任开众;陈元电;徐胜

【作者单位】广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学

物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东

广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学

物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东

广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006

【正文语种】中文

【中图分类】V241.61

随着多旋翼无人机的广泛应用，机载小型惯性导航系统逐渐成为人们的研究热点.

惯性导航系统主要由三轴陀螺仪、加速度计和磁力计构成，是无人机飞控获取自身

姿态信息的主要来源和稳定飞行的保障[1]，广泛应用于消费级、行业等领域无人

机.磁力计是测量磁场强度和方向，用于定位设备方位的模块，也称磁力仪或高斯

计[2].磁力计在多旋翼无人机的惯性导航系统中提供绝对偏航信息，其精度决定了

飞控姿态解算的精度，对无人机的飞行极其重要[3].地球磁场的强度约为50～60

μT，多旋翼无人机在飞行中其机载磁力计的测量精度会受到板载电路电磁特性、

电机和空间环境磁场的干扰，导致飞控接收到错误的航向信息[4].

当有外部磁场干扰时，磁力计测量数据偏差较大，导致测量精确度下降.对于磁力

计的校准问题有一些学者进行了研究.有学者针对三轴磁力计校正模型系数之间存

在的相关性，提出的基于遗传算法三轴磁力计校正系数求解[5]，很好地解决了磁

力计校正系数之间的相关性问题，但该方法模型复杂、计算量大，实际效果不明确;

有学者提出的一种基于最小二乘的磁力计椭球拟合静态校准方法[6]，解决了一类

静态校准问题.有针对其他设备的磁力计的校准问题，提出的“8”字旋转方式的

动态校准方法[7]，但是该方法对空中的机载磁力计的校准难以实现.在已有的研究

中，校准主要集中在静态校准，板载电路电磁特性干扰可以通过该方法进行修正校

准[8]，静态校准之后的磁力计数据会随时间积累产生偏移[9]，同时电机和随机出

现的环境磁场也将对磁力计产生干扰.多旋翼无人机在空中飞行时的磁力计校准问

题存在严重缺陷，因此动态实时校准的研究对多旋翼无人机安全稳定飞行具有重要

意义.

本文针对上述问题，在多旋翼无人机静态校准的基础上提出一种自适应动态校准的

方法.该方法能有效解决多旋翼无人机磁力计的动态实时校准问题，使多旋翼无人

机在空中飞行时能根据磁场环境的变化，实时校准磁力计，更新无人机航向信息.

1小角度最小二乘迭代球心的动态校准

多旋翼无人机在空中飞行时，没有外部磁场干扰的理想情况下，机载的磁力计只能

感应到一个方向恒定指北的地球磁场[10]，将机载磁力计绕三维空间的各个方向旋

转360°，地球磁场将均匀分布在X、Y、Z轴上，磁力计的输出可以拟合成一个球

心在坐标原点的标准圆球[11].由前文对载体周围磁场分析可得磁力计的数学模型:

其中，为磁场矢量在水平面内的投影；Hbe为地磁场在水平面的投影；Hpb为

载体的硬磁干扰；Ci为磁感应系数，由软磁干扰决定.当多旋翼无人机在某一范围

内飞行时，地磁矢量变化很小，可将其视为定值[12]，即为常数，根据矩阵的运算

法则，将式(1)进行变换可得载体磁场误差的数学模型:

由此可知，系统误差对磁力计输出的影响在解析几何上表现为使测量数据拟合结果

由球体畸变成椭球，同时磁场干扰的影响，会使输出的坐标点发生偏移，拟合出的

椭球中心点也对应偏移[13]，偏移量大小代表了磁力计因周围磁场干扰产生的误差

大小.

最小二乘拟合椭球的具体实现过程为:首先定义磁力计测量的值为，拟合后的椭球

中心为，半径为r，则可得磁力计误差为