TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 3078 ~ 3 0 8 4   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4837          3078     Re cei v ed Se ptem ber 3, 2013; Re vi sed  No vem ber 1 1 ,  2013; Accep t ed De cem b e r  14, 2013   The Approach of Error Calibration for Three-axis  Magnetic Heading Sensor       Xiao Miaoxin     Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing,  Xi n X ia ng Un iversit y ,   East Jin Sui street, Xi n X ia ng c i t y , HeN an pr o v ince, Ch ina       email: xia o m i ao xi n7 4@1 63. com      A b st r a ct   T he accuracy of mag netic he adi ng sens or is reduc ed by th e imp a ct of ma nufacturi ng tec hno log y   and  loca ma g netic i n terfere n c es. T he sin g u larity  of cons t r aint  matrix i n   traditio nal c a li bratio n al gor ith m   lea d s to unstable resu lts. T h erefor e, an i m prove d  least-s quar e elli psoi d  fitting method  is propos ed in this  pap er . T he err o r source a nd t he dev iati on  mathe m atic al  mo del ar e intro d u c ed. On the ba sis of the ana ly sis  on sin gul arity of the constr ai nts matrix, par ameter extracti on by t he i m pr oved l east-squ a re ell i ps oid fitti n g   meth od is giv e n. T he new  method succ essfully overc o mes  the instabil i ty  of the tradition al alg o rith m, a n d   reduc es the c o mp utatio n lo ad . Simu lati on a nd ex peri m ent al  res u lts sho w  that this met hod  is effectiv e i n   calibr a tin g  ma gnetic hea di ng   senso r T he hea din g   pr ecis ion  of the sen s or acq u ire d  a fter calibr a tion  is   better than 0.4 2 º.    Ke y w ords :  magn etic he adi n g  sensor, error  calibr a tio n , elli psoi d fitting, singu larity      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Magneti c  h e a d ing  sen s o r throug h to th e ea rth's mag netic field  me asu r em ent, in dicate the course,  u n mann ed  aerial vehicl e i s  one  of  the i m porta nt sen s or on  the u n mann ed  aerial  vehicle. But b e ca use of the  influen ce of t he mag netic  material  on b oard  and  the  limitation of the  sen s o r  pre p a r ation, en cap s ulatio p r o c ess,  di re ct  measurement  of  sen s o r  d a ta contain s  a  variety of error, e r ror  co mpen sation  sho u ld  b e  carri ed o u t b e fore  use. At pre s ent m a in   compensation methods of  ellipse  fitting, kalman filter and neural  network, elli psoid fitting, etc.  The least-squares ellipse fitting me tho d  [1] is simple, but to the  compensation effect of th ree  axis sen s or i s  limited; Kal m an filter [2,  3], t he neu ral  netwo rk ne e d s hi ghe r p r e c isi on referen c e   datum; Ellipsoid fitting me thod ba se on iterative  method [4 -5]  are  su scepti b le to the ini t ial   estimate a nd  the noi se infl uen ce a nd  sp read, a nd  la rge amo unt of  cal c ulatio n; Traditio nal le ast  squ a re s fittin g  ellip soid  m e thod to  a c hi eve hig h  p r e c isi on  com p e n satio n  [6], b u t the al gorit hm   exist due to the insta b ility probl em s ca u s ed by  the co nstrai nt matri x  is singul ar.     In order to solve this pro b lem, this p aper p u ts forward the improved le ast-squ a re ellipsoid fitting method. Th e method is  based on the  assumption  ellipsoid, erro r com pen sati on  coeffici ent was  cal c ulate d  by the lea s t  squ a re  meth od, the  con s t r aint h a bee n solve d  by t he  matrix deco m positio n of matrix singul ari t y problem , to overcome the instability of the algorit hm,  at the  sam e  time  red u ce d the  amo u n t  of calculati on. And  thro ugh  software  sim u lation  a n d   experim ent verify the effectiv eness of the algorith m  [8-10].       2. The Error Analy s is and Compen sa tion Algorith m   For three axi a l magn etic h eadin g  se nso r , and it s in h e rent e r ror i s  mainly cha r a c teri zed  by zero error,  erro r sen s itivity,  orthogona l erro r, etc. Assume that  th e actual o u tp ut of the sen s or  is  s h . No erro r e x ists for th e i deal o u tput is  t h s t hh , and its m a thematical  m odel i s  exp r e s sed  as availa ble a s   s dp t e e t e hK K h B K h B                                     (1)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Approa ch of Error  Cal i bration fo r Three - a x i s  Ma gnetic  Hea d in g Senso r  (Xia o Miaoxi n 3079 Erro r matrix   d K  is a third order dia gon al  matrix,  which stand s for the sen s itivity o f   v a riou s sh af t  sen s or.   p K stan ds for no n o r thogo nality betwe en  the axis of sen s ors a nd soft  magneti c  mat e rial pa rt. Then a sen s o r   prop er refere nce  coo r din a te system can  be establi s h ed.  p K can b e  pre s e n ted by third orde r diag on al matrix.  e B  stands for  sen s o r 's  zero erro r and ha rd   magneti c  ma terials. Erro r comp en sati on of se ns ors equ al to d e termin e the  error  coefficient  matrix  e K  and  e B . By the known  actual outp u s h , To solve the ideal outp u t h .     () tc s c hK h B                                                  (2)    In Equation (2), 1 ce K K ce BB  The vecto r  of  t h  is  in the form of:     11 1 21 22 2 31 32 33 3 00 0 ts ts ts xx yy zz hh kb hk k h b kk k b hh                                                 (3)    At a certain  moment for a  fixed positio n, and  thin k that the magn etic field stre ngth and   the directio is  con s tant.  Rotation  of t he  sen s o r  in  three - dim e n s ion a spa c e,  the id eal  ou tput  data within th e spa c e of tra j ectory is  sph e rical.    2 2 t hH                                                    (4)    H mean s the lo cation  of the magneti c  fiel d inten s it y. Combinin g Eq uation (2)  with Equation  (4 ),  we can get:     2 2 TT T ss s hA h b A h b A b H                                     (5)    c T c K K A   c bB  . Based  on t he a s sumptio n  of the elli psoid comp ensation ap pro a ch co nsi d e r the measure m ents of the actual out p u t trajecto ry to ellipsoid, na mely Equation (5) said elli psoi equatio n of  vector. So, t he p r obl em  of error  co m pen sation  of  se nsors int o  ellip soid  fitting  probl em.   Cha nging Eq uation (5 ) into  the general e quati on of qu adri c  su rfa c e,  then we can  get:    22 12 3 4 5 2 67 8 9 1 0 (, ) 0 T F X a x a xy a y a x z a yz az a x a y a z a X                              (6)    T z y x z yz xz y xy x X ] 1 [ 2 2 2     T a a a a ] [ 10 3 2 1     The measurement data of ellipsoid fitting is to solv e the coeffici ent of ellipsoid. It is to meet  all   the sum  of th e squa re of  the alg e b r aic dista n ce m e asu r em ent d a ta to th e elli psoi d mi nimu [9],a s   arg m i n ( ) E   2 1 2 ) , ( D X F E N i i                                    (7)     T N X X X X D 3 2 1 ,which is  a  6 N  matrix.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3078 – 3 084   3080 In ord e r to  gu arante e  the  q uadri c   su rface to ellip soi d , to sati sfy the  followin g   con s traint [10]:    0 4 0 ) det( 2 2 3 1 a a a W                                 (8)    0 ) det( ) ( 3 1 A a a                                       ( 9 )     3 2 2 1 2 / 2 / a a a a W 6 5 4 5 3 2 4 2 1 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / a a a a a a a a a A As the f r ee p a ram e te rs,   ca n b e  ch osen   suitabl e mag n ification, ma king Equ a tion  (8) satisfy  1 4 2 2 3 1 a a a   1 T C                                                       (10)     Solution sati sfy  the con s t r aint con d itio ns (9 -10 )  of  the matrix E quation  (7 ),  usin g L agran ge   multiplier met hod availabl e :     13 1 () d e t ( ) 0 T T DD C C aa A                                                       (11)    Solving the Equation (11),  coeffici ent  of ellipsoid for the least posi t i ve characteri stics of th e   corre s p ondin g  eigenve c tors.      3. Impro v ed  Ellipsoid Fitting Method  Acco rdi ng to  the spe c ial  st ructu r e of the  ma trix, throu gh the matrix  deco m po siti on, can  overcome the  defects of co nstrai nt matri x  is singul ar, and sim p lify  the feature ve ctor to solve.  Firstly , ] [ 2 1 D D D ,and  3 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 1 N N N N N i i i i y y x x y y x x y y x x D 7 2 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 N N N N N N N N N i i i i i i i i z y x z z y z x z y x z z y z x z y x z z y z x D then 4 3 2 1 S S S S D D S T , and  1 1 1 D D S T 2 1 2 D D S T T T S D D S 2 1 2 3 2 2 4 D D S T We   ca n get  t he con s train matrix  4 3 2 1 C C C C C ,and  0 0 2 0 1 0 2 0 0 1 C  7 3 2 0 C  3 7 3 0 C  7 7 4 0 C . Making  2 1 , and  T a a a 3 2 1 1 10 9 8 7 6 5 4 2 a a a a a a a Take th e abo ve matrix decompo sition in to (11), we ca n get:    1 1 2 2 1 1 C S S                                             (12)    0 2 4 1 2 S S T                                              (13)    Whe n  the sa mpling data i s  not in the same plan e,  4 S is a singul ar m a trix [12], finishin g availabl e:    1 1 2 1 4 2 1 1 1 ) (  T S S S S C                                  (14)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Approa ch of Error  Cal i bration fo r Three - a x i s  Ma gnetic  Hea d in g Senso r  (Xia o Miaoxi n 3081 1 2 1 4 2 T S S                                                   (15)    Then Equ a tio n  (10 )  ca n be  chan ged into   1 1 1 1 C T                                          (16)    Matrix de co mpositio n ab ove co mbine  Equation  (1 1)  with Equa tion (1 4-1 6 solutio n , get  the   minimum co rrespon ding   e i genve c tors are   characte ri stic  ro ot, an d plu g  in  Eq uation  (9 ). T h is  formula  (1 1)  solving th e 1 0  d featu r e   vector i n to fo rmula  (1 4)  solution of th ree dim e n s io nal  feature  vecto r  to  de crease  the  amou nt  of cal c ul ation  for  abo ut a  third  of the  o r i g inal, a nd  at  the   same time u s ing the impro v ed algorith m  on accuracy   is co nsi s tent  with the origi nal algo rithm.   Acco rdi ng to  the Equatio n (5 -6) m a tri x   A b  can be  obtaine d, an d be cau s e of  the   Eq.(10) for  amplificatio n  co efficient , the matrix  is relative.  As the a b solut e  value  of A   magnification  by Equation (5), (6) corre s pondi ng rel a tion ca n be obt ained:     ) /( 2 10 H Ab b a k T                                     (17)    Cal c ulate d  a c cordi ng to the Equatio n (17), matrix A b , and by Equation (5) to  work  out the  corre s pondi ng  relati onship  betwe en e r ror com pen sation  co efficient m a tri x c K and c B ,  a nd  compl e te the error comp en sation [11 - 14]     4. Soft w a re  Simulation  In order to validate the above algo rit h m,  simulati on softwa r e.  Assumin g  that the   magneti c  se n s or lo catio n  uniform mag n e tic field,  the magneti c  field stren g th of 0.52 Gau ss.  We   divide  the ideal output  t h  spheri c al a r ea   into  N  regio n s, ea ch seg m ented regio n , rando sele ction of a  measu r in g p o int data. As sho w n in Fig u re 1     Figure 1. Plot of Reco rde d  Data        Set the s e ns or error  c oeffic i ent matrix is  res p ec tively:    9681 . 0 3171 . 0 0392 . 0 0 0537 . 1 2221 . 0 0 0 1338 . 1 e K 0016 . 0 0043 . 0 0159 . 0 e B   Join the vari a n ce i s  0.000 3  gaussia n  whi t e noise. At each lo catio n  reco rd ide a l vector  t h and  error of sensor output  cont ains ma gneti c  vecto r , s h  as shown in Figu re 2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3078 – 3 084   3082     Figure 2. Tru e  Magneti c  Fi eld Vecto r   t h   a nd Erro neo us Measu r e d  Vector   s h       Usi ng the  a bove alg o rith m to ellip soi d , fitting and cal c ul ation  error  com p ensation  c oeffic i ent matrix c K c B             To test algo rithm cal c ulati on accu ra cy, with a give n magn etic  sen s o r  attitude as a  ben chma rk, and the  com puted e r ror  compen satio n   of the mag n e t ic se nsor  co urse. Re co rd  of  locatio n  re sp ectively set t he pitching A ngle a nd t ilt  Angle, pitchin g  Angl and t ilt Angle, pitching  Angle an d tilt Angle, pitchi n g  Angle a nd t ilt A ngle for t he ro und, e a c h g r ou p of u n iform record  3 6   points. Calcul ate the yaw Angle  erro r is shown in Figu re 3:        Figure 3 Hea d ing Error of  Simulation       5. Experiment and Resul t  Analy s is  To ide n tify the above  meth od is  accu rat e  and  reli able ,  and the  erro r compe n sation test,  magneti c  sen s or  wh en in st allation of X and X axis of  turntable  accurate alig nm ent, Y in the X  axis turntabl e ,  Y axis in the plane, the turnt able from m agneti c  materials at the sa me time.  First of all, in accord an ce  with the se ct i on method, reco rd the reg i onal samplin g point  locatio n  data.  Seco ndly elli psoi coeffici ent is calcula t ed u s ing  the  fitting metho d , as sho w n i n   Table 1, and t r an slated into  coefficie n t matrix and the error comp en sation  c K , c B     Table 1. Parameters of Ellipsoi d   1 a   2 a   3 a   4 a   5 a   1.6060  -0.2900  1.5813   -0.0171  0.0130   6 a   7 a   8 a   9 a   10 a   1.7931  0.0142  0.0129   0.0191   -0.2704   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Approa ch of Error  Cal i bration fo r Three - a x i s  Ma gnetic  Hea d in g Senso r  (Xia o Miaoxi n 3083 To test com pen sation eff e ct, re spe c tively in the pitchin g  Angle  0 and tilt Angle 0 pitchin g  Angl 0 and  tilt Ang l e 30 , pitchin g  A ngle 30  and tilt  Angle 0 , pitchin g  Angle 30  and  tilt Angle 30  for the state, the  use  of non -m agneti c  turn ta ble a s  a reference be nch m ark,  within   the scop e of the  0 - 360  of c o urse, interval record  10 headi ng  sensor o u tput  data, the he a d ing   error of me a s uri ng ma gn etic sensor.  Before an d a fter the com pen sation ya w Angle e r ro r is  sho w n in  Fig u re 4.  Comp ensation bef ore you  ca see, the m a ximum erro r o f  the yaw An gle 92 . 5 , compen sati on doe s not e x ceed the ma ximum error  of  0. 42         Figure 4, Erro s at Differe nt Points      6. Conclusio n   Puts forward  the improved ellipsoid  based on th e least sq ua re fitting method of  magneti c  he a d ing  sen s o r   error  com pen sation m e tho d , throug h an alyzing th e si ngula r ity of the  con s trai nt ma trix, to overcome the in st ability pr obl e m  of tradition al ellipsoid fitting method,  and  the softwa r simulatio n  an d experime n tal validation. This meth od can  comp en sate the sen s o r 's  zero error, error  sen s itivity,  ortho gonal  error  such  a s  inhe rent  error,  without  e x ternal  refere nce  ben chma rk.  On the  non -magneti c  tu rntable exp e ri ments  sh owe d  that the  m a ximum e rro r o f   magneti c  he a d ing is  not m o re tha n 0. 42 , feasibility and a c cura cy of thi s  metho d  is  verified by  the experim e n ts.                                    Referen ces   [1] LIU Sh i-bi n.  Stud y o n  A u tomatic Ma gn etic  D e viati o n  Com pens atio n of M a g neti c  He adi n g   Measur ement for UAV.  Acta Aeron autica  et Astronautic a Sin i ca.  200 7; 28(2 ) : 411- 414.   [2]  Hali l Ersi n Sok en, Ch ing i z H a ji yev.  In F l i ght  Magn eto m eter  Cali br ati on vi a  Unsce nted K a lman F ilt er 5th Internati o n a l Co nfere n ce  on Re c ent A d vanc es in S p ace T e chnol og ies. Istanbu l, T u rkey . 2 0 1 1 :   885- 890.   [3]  Jau-Hsi u n g  W ang, Y a n g  Ga o. A n e w   mag netic c o mpass   calibr a tio n   alg o r ithm us ing  n e u ral  net w o rks.   Measur e m ent  Scienc e an d T e chn o lo gy . 200 6; 17(1): 15 3- 160.   [4]  JF Vasconcelos, G Elkaim,  C Silvestre, et  al.  A Geometric Appro a ch t o   Strapd o w n Magn etomete r   Cali brati on in Sensor  F r am e.  IEEE Transac tions on Aer o s pace  and Electronic System s.  201 1; 4 7 (2) :   129 3-13 06.   [5]  Hui Ya n, Cha ngh an  Xia o , Shen gd ao Li u, et al.  Hori z o ntal Error Calibrati on  Me th od  fo r Tri a xi al  F l uxgate Ma gn etometer . Auto mation C ongr e ss. Ha w a ii, HI. 200 8: 1- 5.  [6]  HUANG  Xu e-g ong, W A NG Ji ong. Error A n a l ysis  an d Com p ensati on M e th ods for Ge oma gnetic S i g nal   Detectio n S y st em.  Acta Arm a m e ntarii . 2 011;  32(1): 33-3 6 [7]  Jianc hen g F a ng, Ho ng w e Sun, Jua n j uan  Cao,  et  al.  A Nove l Ca lib ration M e tho d  of Magn eti c   Comp ass Bas ed on El lips o id  F i tting.  IEEE  Transactions on Instru m e ntation an d Measur ement . 201 1;   60(6): 20 53- 2 061.   [8]  J Veclak, P Ripka, A Platil, et al. Errors of  AMR compass a nd metho d s of their comp ens ation.  Sensor s   and Actuat ors A: Physical . 20 06; 129( 1-2): 5 3 - 57.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3078 – 3 084   3084 [9]  Nikos Gramma lidis, Mic h a e l G  Strintzis.  Hea d  Detectio n an T r acking  by 2- D an d 3-D E lli p s oid F i ttin g Procee din g s of  the Internatio n a l Co nfere n ce  on Co m puter  Graphics. Gen e va, S w itzerl an d. 2000: 2 21-   226.   [10]  Vlad imir Y Skvortzov, H y oun g-Ki Le e, Seo k W on Bang, e t  al.  Applicati o n of Electronic  Compass fo r   Mobil e  Ro bot i n  an Ind oor En viron m e n t.  IEEE International Conference  on Robotics a nd Automation.   Roma, Ital y . 2 0 07: 296 3- 29 70 [11]  Radim H a l i r, Jan F l usser.  Nu meric a lly st abl e direct l e ast squares fi tting of elli ps es.  T he  6th  Internatio na l C onfere n ce i n  C entral E u rop e   on Co m puter Graphics and Visua liz ati on. Plzen,  Cz ech.   199 8: 125- 132.   [12]  Qingde Li, John G Griffiths.  Least S q u a re s Elli psoi d Sp eci c Fitting Procee din g s o f  Geometr i c   Mode lin g an d Processi ng. Be ijin g, Chi na. 20 04: 335- 3 40.   [13]  Khair udi n. RB F NN Co ntrol o f  A T w o- Link   F l e x ib le M ani pu l a tor Incorp orati ng Pa yl o ad.  TE L K OM N I KA  T e leco mmunic a tion C o mputi n g Electron ics a nd Co ntrol . 20 10; 08(2): 1 57- 164.    [14]  P Srikanth, Ash w a n i Kumar  Cha nde l. Inver s e S-T r ansform Based Dec i sion T r ee for Po w e r S y stem  Faults Identification.  T E LKO M NIKA T e leco mmu n icati o n   Co mp uting  Ele c tronics a nd  Contro l . 20 11 ;   09(1): 99- 10 6.                  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.