[发明专利]基于模拟退火算法的电子罗盘校准方法

说明书

本发明提供了一种基于模拟退火算法的电子罗盘校准方法，属于智能算法与非线性回归技术领域。模拟退火算法作为一个在解空间中广泛地搜索最优解的算法，对比传统电子罗盘校准方法和一些常见的最优化算法有更强的全局收敛优越性，使用时满足：初始温度足够高；终止温度足够低；降温足够缓慢；热平衡时间足够长的条件时便满足解的全局收敛特性，即初始参数适宜的情况下，模拟退火算法总能在解空间内寻找出全局最小点。实际实验中发现在恰当的初始参数和新解产生函数下，可以在相对较好的时间和空间复杂度下产生电子罗盘的非线性拟合解，精度达到了10E‑3，对比传统校准方法和最小二乘法精度较高。

技术领域

本发明属于智能算法与非线性回归技术领域，提出了一种具有较强针对性的电子罗盘校准的优化方法。

背景技术

电子罗盘是一种在现代技术中广泛应用的姿态传感器和磁力信号传感器。其与传统姿态传感器相比能耗低、体积小、重量轻、精度高，其输出信号通过处理可以实现数码显示，不仅可以用来指向，其数字信号可以控制仪器的操纵或者提供姿态信号。目前，广为使用的是三轴捷联磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。

然而，在日常工作实践中我们常常在使用电子罗盘时常常需要对电子罗盘进行校准，如果想要对电子罗盘进行高效率、高精度的校准除了使用传统的直接从数据中解析的方法外以外常常需要使用最优化算法，例如最小二乘法等方法进行拟合，而在此类算法中如何确定电子罗盘的初始参数总是一个令人困扰的问题。模拟退火算法是一种通用概率算法，用于在一个大的搜寻空间内寻找问题最优解，本发明提供了一种基于模拟退火算法的校准方法解决了这些问题。

具体来说，本发明专利有两方面的目的:一是提供了一种基于模拟退火算法进行非线性拟合的方案；二是提供了一种强鲁棒性的校准方法，电子罗盘在此算法下有能力处理整个解空间的输入数据的能力。

发明内容

本发明提供一种基于模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)，对于电子罗盘传入的三维数据进行拟合椭球面的方法，最终算法将输出一个椭球面，在此基础上对电子罗盘进行校准。

本发明的技术方案：

基于模拟退火算法的电子罗盘校准方法，步骤如下：

收集数据，设定好模拟退火算法参数，非线性拟合出椭球方程。接下来输出的椭球方程中解析出一个位置偏移向量与x，y，z三个坐标轴的放缩系数完成电子罗盘的校准。

(1)模拟退火算法的求解过程

①模拟退火算法的工作原理

模拟退火算法顾名思义，其原理模拟了现实生活中固体的退火过程，即将固体加热到一定的高温再缓慢冷却，理论上只要冷却过程足够缓慢，固体最终可以从高温状态下的粒子无序状态冷却到低温状态下的有序、内能最小状态。本算法中将数据带入拟合参数对应的椭球方程并计算函数值一并处理，输出的椭球方程和输入数据的误差作为模拟退火算法中的“内能”，求解“内能”在解空间内的最小值，达到最小值时即表示此时拟合参数是对电子罗盘输入数据的一个较好的拟合。

②模拟退火算法的设置

使用立体8字校准法从电子罗盘获得原始数据，采集到的原始的电子罗盘数据表示为三维向量组的数据集，为了避免计算能力的浪费，在算法的开始先对数据进行预处理，即删除重复数据并视具体情况进行归一化，如果进行归一化则必须在算法结束时对解进行反向归一化，还原解为原数量级，归一化不是必须进行的。

对于输入的三维向量数据，满足：

其中x，y，z为输入三维坐标分量值，为待求参数；

等同于拟合变形的函数：