专利名称：操作设备上的磁罗盘的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于设备中的磁罗盘，更特别地，涉及ー种使用设置于可移动的设备或车辆(例如，挖掘机)中的磁罗盘装置的方法。
背景技术：
感测地磁场的方向并提供用于显示和由控制系统使用的输出的传感器配置已经使用了一段时间。这样的配置已经经受并且必须补偿"硬鉄"效应和"软铁"效应。这两种效应都使得传感器局部地区的地磁力线的形状失真，但以不同的方式。硬铁效应起因于永久磁体和车辆中被磁化的铁或钢。硬铁效应使得地磁场在特定方向上偏移，并且当设备(例如，挖掘机)围绕垂直轴旋转时不发生变化。由硬铁效应引起的误差在设备的完整循环(complete rotation)期间经过单个转。软铁效应起因于地磁场与挖掘机的磁性渗透材料的交互作用。软铁效应在设备旋转时发生变化，并且，由软铁效应引起的误差在设备的完整 循环期间经过两个转。典型地，地磁场由三个磁场传感器感测，所述传感器被定位以检测地磁场在三个正交方向上的强度，參考的传感器的坐标系的X、Y和Z方向。由所述三个传感器的相对输出，易于确定有关传感器的场的相对方位和強度。可以想到，如果传感器坐标參考系没有对准エ地的本地水平面坐标參考系，则来自所述传感器的X、Y和Z坐标參考系的所感测的磁场指示必须被转换至本地水平面坐标參考系，以确定磁力线的方向，从而确定关于エ地所述设备的朝向。过去，已经使用了多种方法来针对硬铁效应和软铁效应补偿磁罗盘系统。作为繁重的标定エ序的延伸，许多这些先有技术的标定技术需要在各个方向定位的设备和罗盘的磁场强度的大量測量。

发明内容
ー种使用安装在挖掘机上的磁场传感器来确定エ地的挖掘机的朝向的方法。所述磁场传感器提供传感器的X、Y和Z方向上的地磁场的大小的指示。所述方法使用磁倾计，其提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，陀螺传感器，其感测挖掘机围绕磁场传感器Z轴的旋转，以及处理器电路，其具有相关存储器。所述处理器电路响应于磁场传感器、磁倾计和陀螺传感器。所述方法包括创建并存储数据的标定表，用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的X、Y和Z方向上的磁场大小的指示，使用来自磁倾计的输出将感测到的磁场指示从传感器的X、Y和Z坐标參考系转换至本地水平面坐标參考系，确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量并除去这样的硬铁分量以在本地水平面坐标參考系中产生经过校正的磁场指示，并且，将经过校正的指示与存储的调节数据进行比较以确定挖掘机的方向。创建和存储数据的标定表的步骤包括基本上以恒速围绕大体垂直的Z轴旋转挖掘机，存储来自磁场传感器和陀螺传感器的输出，基于来自磁场传感器的数据值的重复来确定挖掘机的完整循环的开始和结束，将在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应数据调节成大致相等的角度増量，并存储这样的调节数据。创建和存储数据的标定表还可以包括针对由硬铁引起的误差补偿所存储的输出。创建和存储数据的标定表还可以包括通过将挖掘机向预定參考朝向旋转而固定(bench)挖掘机，并确定来自表示预定朝向的表的对应数据，从而数据的平衡表示挖掘机的朝向在角度増量上偏离预定參考朝向。把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成大致相等的角度増量可以包括把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成一度的増量。确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量可以包括定位挖掘机以具有向着地磁北极的朝向，用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的X、Y和Z方向上的磁场大小的指示，感测挖掘机的倾斜和摇摆，将挖掘机倾斜几度，用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的X、Y和Z方向上的磁场大小的指示，并感测挖掘机的倾斜和摇摆。


图I说明应用电子罗盘的类型的挖掘机；图2是说明朝向參数的附图；图3和4是说明设备、地的參照系和传感器的參照系之间关系的附图；图5是说明软铁补偿计算的流程图；和图6是用于实践所述补偿法的处理器电路和相关部件的示意图。
具体实施例方式挖掘和建筑设备控制系统通常在许多传感器当中包含磁罗盘。这样的罗盘感测设备或一部分所述设备的关于地磁场的方向。这个朝向信息与其它传感器产生的数据相结合，与期望的恒值(contour)数据进行比较，从而控制所述设备。虽然磁罗盘系统相对简易和可靠，但是传统的用于电子罗盘系统的标定技术很难实现且不能为安装于大型挖掘设备的电子罗盘提供非常精确的方法。这种设备的巨大铁含量或是增加或是扭曲地的磁场矢量，造成难以获得精确校准。此外，这种设备典型地包括电动机及其它电磁场源，其増加或減少地磁场的效应，更进一歩造成朝向测量的误差。图I示出这样ー种类型的挖掘机10，其可包含用于通过感测地磁场并修正硬铁效应和软铁效应来确定朝向的系统。所述挖掘机包括机架11、在第一枢轴节14处枢轴地固定于机架11的主杆12、在第二枢轴节18处枢轴地固定于主杆12的铲斗柄16以及在第三枢轴节22处枢轴地固定于铲斗柄16的铲斗20。液压缸24、26和28被设置为分别移动主杆12、铲斗柄16和铲斗20。铲斗20包括刀刃30，其可具有刻齿刀片以帮助挖掘。机架11承载操作室31并由起落架支撑台和传送器32支撑，其可以包括履带，这便于挖掘机10在エ地上的移动。机架11和它所承载的部件可以相对于起落架支撑台和传送器32围绕大体垂直的轴34旋转，以将铲斗20放置在挖掘所需要的精确位置。对于要手动地或者通过自动化控制系统来控制挖掘机操作的操作者来说，必须确定关于挖掘机的位置和方向这两个信息。挖掘机的位置可以通过多种方法中的任意ー种来确定，包括使用激光定位系统，使用GPS定位系统，使用将激光和GPS定位组合起来的系统，或使用机器人总站。可以通过角度编码器、基于重力的磁倾计或与枢轴节14、18和22相关联的类似传感器，或通过与汽缸24、26和28相关联的字符串编码器，或通过这种传感器的某些组合，确定主杆12、铲斗柄16和铲斗20的相对位置。挖掘机10相对于真垂线的方向由安装在机架11上的磁倾计36确定。磁倾计36在双轴中运行并且提供机架11的横摇角和俯仰角的指示。正如下面更完全的解释，所述系统还包括磁场传感器38，其提供传感器參考系的X、Y和Z方向上的地磁场大小的指示。此外，系统包括陀螺传感器40，其感测挖掘机围绕磁场传感器38的Z轴34的旋转。下面将说明的是，具有相关存储器52(图6)的处理器电路50对磁场传感器38、磁倾计36和陀螺传感器40进行响应，确定エ地的挖掘机10的朝向。虽然显示为单独的部件，但是本领域技术人员可以想到的是磁倾计36和磁场传感器38可以安装在相同的外壳里。此外，所述磁倾计和陀螺传感器可以采取下列形式MU、惯性测量単元、或类似装置，其中，ー些或所有磁场、重力和陀螺传感器被封装在一起，作为单个组件。此外，虽然下面描述的是磁倾计，但是可以使用其它等效的重力參考传感器。挖掘机的朝向是机架11的纵轴所对齐的方向。这是由测定机架11相对于地磁场的相对方位的磁罗盘系统所确定的。通过考虑软铁效应和硬铁效应，所述磁罗盘系统增强精度。 为了补偿软铁效应，所述设备旋转通过完整循环来旋转。机架11的倾角被注释，连同在磁场传感器38的X、Y和Z方向上感测的磁场水平。陀螺仪40用来将所述设备的旋转分解变成小的角度増量，比如360等于一度増量。在使用集成的陀螺信号来建立软铁标定表时遇到的困难是陀螺传感器的输出是略微非线性的。每个陀螺传感器都经过エ厂标定，但是为了获得优异的结果，所述陀螺仪也必须在所述设备上进行重新标定。另外，传感器寿命、温度和旋转率的大小都促使需要在其使用寿命期间反复地重新标定设备上的陀螺传感器。当所述陀螺仪被恰当地重新调节吋，它提供非常精确的角坐标的测量，允许编辑精确的标定表。已经发现磁场传感器的未补偿输出可以用来确定何时进行了完整旋转，因为当完成360度旋转时那些输出就恢复到相同水平。接下来，基于特定等式提取磁性传感器上的硬铁效应，所述等式需要地磁矢量的本地倾斜角。为了确定地磁矢量的本地倾斜角，我们测量所述磁性传感器，以及当设备面向地磁北极时传感器的倾斜和摇摆。然后操作者将所述设备倾斜几度。获得ー套新的磁性传感器读数和倾斜与摇摆读数。由此信息，本地倾斜角得以确定，如下所述。就此，除去横向软铁效应，除去横向硬铁效应，并且除去纵向硬铁效。为了更进ー步提高设备朝向的精度，除去纵向软铁效应。这是通过表征在标定过程的设备旋转部分期间的Z轴磁性传感器而实现的。该系统可以用作挖掘机的朝向传感器。当设备在位置周围旋转时，所述系统连续不断地提供精确的朝向信息，其被用作用于精确控制的输入。当所述挖掘机被移到エ地的不同位置吋，为获得最大精度可重复所述再标定进程。现在參考图2和3。定义正X轴为朝向的方向。当从负Z轴向地法平面上看时，是从地磁北极矢量到X轴来测量正朝向角(P)的。Hn = He · cos ( Φ)Hx = Hn · cos ( P )Hy = Hn · sin ( P )
I. Hx = He · cos ( Φ ) · cos (P)2. Hy = He · cos ( Φ) · sin (P)3. Hz = He · sin ( Φ)
权利要求
1.ー种使用安装在挖掘机上的磁场传感器，使用磁倾计，使用陀螺传感器以及使用处理器电路来确定エ地的挖掘机的朝向的方法，所述磁场传感器提供传感器的X、Y和Z方向上的地磁场的大小的指示，所述磁倾计提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，所述陀螺传感器用于感测挖掘机围绕磁场传感器的Z轴的旋转，以及所述处理器电路具有相关联的存储器，响应于所述磁场传感器、所述磁倾计和所述陀螺传感器，所述方法包括 创建并存储数据的标定表，包括 基本上以恒速围绕大体纵向的Z轴旋转所述挖掘机， 存储来自所述磁场传感器和所述陀螺传感器的输出， 基于来自所述磁场传感器的数据值的重复来确定挖掘机的完整循环的开始和结束，并且 把在完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从所述磁场传感器接收的对应数据调节成大致相等的角度増量，并且存储该调节的数据， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的X、Y和Z方向上磁场大小的指示，使用来自磁倾计的输出，将感测到的磁场指示从传感器的X、Y和Z坐标參考系转换至本地水平面坐标參考系， 确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量并除去该硬铁分量，以产生经过校正的在本地水平面坐标參考系中的磁场指示，并且 将经过校正的指示与存储的调节的数据进行比较，以确定挖掘机的朝向。
2.如权利要求I所述的方法，其中，创建和存储数据的标定表包括针对硬铁引起的误差补偿所存储的输出。
3.如权利要求I所述的方法，其中，把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成大致相等的角度増量包括把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成相等的増量。
4.如权利要求I所述的方法，其中，确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量包括 定位挖掘机以基本上朝向地磁北扱， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的X、Y和Z方向上磁场的大小的指示， 感测挖掘机的倾斜和摇摆， 将挖掘机倾斜几度， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，并且 感测挖掘机的倾斜和摇摆。
5.如权利要求I所述的方法，其中，创建并存储数据的标定表还包括通过将其旋转至预定參考朝向来固定所述挖掘机，并确定来自表示预定朝向的表的对应数据，从而数据的平衡表示挖掘机的朝向在角度增量上偏离预定參考朝向。
6.ー种使用安装在挖掘机上的磁场传感器，使用重力參考传感器，使用陀螺传感器，并使用处理器电路来确定エ地的挖掘机的朝向并补偿软铁误差的方法，所述磁场传感器提供地磁场在传感器的X、Y和Z方向上的大小的指示，所述重力參考传感器提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，所述陀螺传感器用于感测挖掘机围绕磁场传感器的Z轴的旋转，以及所述处理器电路具有相关联的存储器，响应于所述磁场传感器、所述磁倾计和所述陀螺传感器，所述方法包括 创建并存储数据的标定表，包括 记录挖掘机的倾斜和摇摆， 基本上以恒速围绕基本上纵向的Z轴旋转所述挖掘机，通过完整循环， 存储来自所述磁场传感器、所述磁倾计和所述陀螺传感器的输出， 基于来自所述磁场传感器的数据值的重复来确定挖掘机的完整循环的开始和结束，并 且 把在完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从所述磁场传感器接收的对应数据调节成大致相等的角度増量，并且存储该调节的数据， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，使用来自磁倾计的输出将感测到的磁场指示从传感器的χ、γ和Z坐标參考系转换至本地水平面坐标參考系，并且 将经过校正的指示与存储的调节的数据进行比较，以确定挖掘机的朝向。
7.如权利要求6所述的方法，其中，创建和存储数据的标定表还可以包括针对硬铁引起的误差补偿所存储的输出。
8.如权利要求6所述的方法，其中，把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成大致相等的角度増量包括把在完整循环期间从陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成一度的増量。
9.如权利要求6所述的方法，其中，确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量包括 定位挖掘机以基本上朝向地磁北扱， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示， 感测挖掘机的倾斜和摇摆， 将挖掘机倾斜几度， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，并且 感测挖掘机的倾斜和摇摆。
10.如权利要求6所述的方法，其中，创建并存储数据的标定表还包括通过将其旋转至预定參考朝向来固定所述挖掘机，并确定来自表示预定朝向的表的对应数据，从而数据的平衡表示挖掘机的朝向在角度增量上偏离预定參考朝向。
11.ー种使用安装在挖掘机上的磁场传感器，使用磁倾计，使用陀螺传感器，并使用处理器电路来确定エ地的挖掘机的朝向的方法，所述磁场传感器提供地磁场在传感器的X、Y和Z方向上的大小的指示，所述磁倾计提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，所述陀螺传感器用于感测挖掘机围绕磁场传感器的Z轴的旋转，以及处理器电路具有相关联的存储器，响应于所述磁场传感器、所述磁倾计和所述陀螺传感器，包括 创建并存储数据的标定表，包括 围绕大体上纵向的Z轴旋转所述挖掘机，小于完整循环， 存储来自所述磁场传感器和所述陀螺传感器的输出，并且 将在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应数据分解变成基本上相等的角度増量，并存储该数据，用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，使用来自磁倾计的输出，将感测到的磁场指示从传感器的X、Y和Z坐标參考系转换至本地水平面坐标參考系， 确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量并除去该硬铁分量以在本地水平面坐标參考系中产生经过校正的磁场指示，并且 将经过校正的指示与存储的调节的数据进行比较，以确定挖掘机的朝向。
12.如权利要求11所述的方法，其中，创建并存储数据的标定表包括针对硬铁引起的误差补偿所存储的输出。
13.如权利要求11所述的方法，其中，把在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成大致相等的角度増量包括把在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据分解变成相等的増量。
14.如权利要求11所述的方法，其中，确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量包括 定位挖掘机以基本上朝向地磁北扱， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示， 感测挖掘机的倾斜和摇摆， 将挖掘机倾斜几度， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，并且 感测挖掘机的倾斜和摇摆。
15.如权利要求11所述的方法，其中，创建并存储数据的标定表还包括通过将其旋转至预定參考朝向来固定所述挖掘机，并确定来自表示预定朝向的表的对应数据，从而数据的平衡表示挖掘机的朝向在角度增量上偏离预定參考朝向。
16.ー种使用安装在挖掘机上的磁场传感器，使用重力參考传感器，使用陀螺传感器，并使用处理器电路来确定エ地的挖掘机的朝向并补偿软铁误差的方法，所述磁场传感器提供传感器的X、Y和Z方向上地磁场的大小的指示，所述重力參考传感器提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，所述陀螺传感器用于感测挖掘机围绕磁场传感器的Z轴的旋转，以及所述处理器电路具有相关联的存储器，响应于所述磁场传感器，所述磁倾计和所述陀螺传感器，包括 创建并存储数据的标定表，包括 记录挖掘机的倾斜和摇摆， 围绕基本上纵向的Z轴旋转所述挖掘机，小于完整循环， 存储来自所述磁场传感器、所述磁倾计和所述陀螺传感器的输出，并且把在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应数据分解变成基本上相等的角度増量，并存储该调节数据， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，使用来自磁倾计的输出，将感测到的磁场指示从传感器的X、Y和Z坐标參考系转换至本地水平面坐标參考系，并且将经过校正的指示与存储的调节的数据进行比较，以确定挖掘机的朝向。
17.如权利要求16所述的方法，其中，创建和存储数据的标定表包括针对硬铁引起的误差补偿所存储的输出。
18.如权利要求16所述的方法，其中，把在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据调节成大致相等的角度増量包括把在小于完整循环期间从所述陀螺传感器接收的数据和从磁场传感器接收的对应指示数据分解变成相等的増量。
19.如权利要求16所述的方法，其中，确定经转换的感测到的磁场指示的硬铁分量包括 定位挖掘机以基本上朝向地磁北扱， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示， 感测挖掘机的倾斜和摇摆， 将挖掘机倾斜几度， 用磁场传感器感测挖掘机处的磁场，提供传感器的Χ、γ和Z方向上磁场的大小的指示，并且 感测挖掘机的倾斜和摇摆。
20.如权利要求16所述的方法，其中，创建并存储数据的标定表还包括通过将其旋转至预定參考朝向来固定所述挖掘机，并确定来自表示预定朝向的表的对应数据，从而数据的平衡表示挖掘机的朝向在角度增量上偏离预定參考朝向。
全文摘要
使用安装在挖掘机上的磁场传感器，使用磁倾计，使用陀螺传感器以及使用处理器电路来确定工地的挖掘机的朝向的方法，所述磁倾计提供挖掘机的倾斜和摇摆的指示，所述陀螺传感器感测挖掘机围绕磁场传感器的Z轴的旋转率，以及所述处理器电路具有关联存储器。在挖掘机以匀速旋转时使用陀螺传感器来创建和存储数据的标定表。使用来自磁倾计的输出将感测到的磁场指示从传感器的坐标参考系转换至本地水平面坐标参考系。
文档编号G01C17/38GK102692219SQ20121006044
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月9日 优先权日2011年3月21日
发明者B·W·艾尼克斯, C·C·埃普尔, G·L·凯恩 申请人:卡特彼勒特林布尔控制技术有限责任公司