动态磁场校准的九轴惯性融合

蔡浩原，赵晟霖，崔松叶，李文宽，刘春秀

(1.中国科学院 空天信息创新研究院 传感技术国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.深圳前海维晟智能技术有限公司，广东 深圳 518101)

1 引 言

随着低成本、轻重量的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的发展，更小、更便宜的惯性传感器被越来越广泛地应用，尤其是移动设备、游戏机等消费类电子产品。MEMS小尺寸、低载荷的特点还能够满足小型机器人和微型飞行器的要求，使自主导航和控制成为可能。但是，低成本MEMS输出的数据受到高水平噪声和时变偏差的影响，必须使用传感器融合算法对数据进行处理，以获得平滑且无偏差的方位估计[1]。

对于俯仰角和翻滚角，通过三轴陀螺仪和三轴加速度计的融合就可以获得准确且不随时间漂移的结果，但是由这种六轴融合算法解算的航向角会由于陀螺仪的积分误差无法补偿而随时间漂移。所以，确定准确的航向角需要用磁力计测量地球磁场作为绝对参考[2-5]，而磁力计的实际使用极易受到环境磁场的干扰，包括硬磁干扰和软磁干扰[6]。所以在低成本MEMS惯导领域，如何减小航向角随时间的漂移是最困难的问题，其关键就是如何实时地、便捷地校准磁力计。

对于磁场的校准，一种传统的方法是建立磁场模型，根据磁场数据的约束条件，仅利用磁力计本身的数据计算校准参数，最常用的是椭球拟合法[7-9]。椭球拟合在一般环境下能取得很好的校准效果，但对磁力计数据的要求很高，需要磁场数据点均匀地分布在椭球表面，实际使用中需要执行数据采集动作，比如使设备在空间中绕“8”字运动，这对用户非常不友好，而且在某些场景(如无人机、机器人)中很难实现。……