一种基于角速度差值的方向修正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于角速度差值的方向修正方法，包括以下步骤：将东北天坐标系中输出的加速度转化到载体坐标系中，获取加速度计的第一误差向量；将电子罗盘在载体坐标的输出经过旋转到东北天坐标系中，获取磁场向量的第二误差向量；将经过加速度数据和磁场数据补偿之后的第一误差向量和第二误差向量相加获取误差；根据误差修正陀螺仪的角速度值，获取修正后的角速度，利用修正后的角速度更新四元数；通过修正后的角速度，采用积分方法计算载体的方向角度信息。本发明专利技术通过结合四元数互补滤波和角速度差值计算方向角度，减小算法的复杂度，并通过改进积分方法，减小传感器本身存在随机常值偏移对角度计算造成的影响，提高角度计算的精度，进而提高室内定位的精确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及定位
，尤其涉及一种惯性导航方面一种姿态计算方法，在室内环境下优化方向角度获取方法，属于移动计算和信号处理的交叉技术应用领域。
技术介绍
人们的日常生活和工作大多处于室内环境，基于室内定位技术的应用有着迫切的需求和广泛的使用前景。室内定位是指采用无线通讯、基站定位、惯性导航定位等多种技术，在室内环境中进行位置定位，从而实现对室内人员、物体等的位置监控。室内环境不同于室外环境，相比于室外环境，室内环境存在着环境更加复杂、直接到达的传输道路容易缺失、定位范围也相对小、多径传播现象、室内环境经常容易发生变化等一系列问题。室内定位技术经过很多年的发展，各种不同的技术被应用到此领域中，例如：无线信号定位技术、计算机视觉定位技术、磁场定位技术以及惯性导航定位技术等，这些不同的技术各自存在着优势，但也有一定的局限性。例如：无线信号定位技术中的红外技术穿透性差，超声波技术发射测距时受多径效应和非视距传播影响很大，射频定位技术不具有通信能力，抗干扰性差等。为了解决上述的缺陷，现有技术中又提出了惯性导航定位技术，该技术是利用运动传感器来获取运动载体自身的运动信息，通过融合运动信息得到方向和位置信息，从而实现运载体的导航定位功能。因为组成惯性导航系统的运动传感器都安装在载体内，运行时可以不依赖外界环境，而且也不向外界辐射能量，因而此种定位方法不易受到干扰，是基于载体本身的自主导航系统。然而由于方向和位置信息经过积分而产生，系统误差会随时间而增大，所以长期使用惯性导航会存在精度较差的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于角速度差值的方向修正方法，本专利技术减小了惯性导航系统中由于时间增大，带来的较大积累误差，提高了方向角度的计算精度，详见下文描述：一种基于角速度差值的方向修正方法，所述方法包括以下步骤：将东北天坐标系中输出的加速度转化到载体坐标系中，获取加速度计的第一误差向量；将电子罗盘在载体坐标的输出经过旋转到东北天坐标系中，获取磁场向量的第二误差向量；将经过加速度数据和磁场数据补偿之后的第一误差向量和第二误差向量相加获取误差；根据误差修正陀螺仪的角速度值，获取修正后的角速度，利用修正后的角速度更新四元数；通过修正后的角速度，采用积分方法计算载体的方向角度信息。所述方法还包括：根据初始状态下加速度三轴数据、陀螺仪三轴数据以及电子罗盘三轴数据，获取载体的俯仰角、偏航角和滚转角，并获取初始四元数；将经过滤波处理后的加速度计、陀螺仪和电子罗盘器获取的三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁场数据转化为单位向量。所述方法还包括：对于运动传感器获取的原始数据，转化为载体计算位置信息和方向信息所需要的运动数据，并加以滤波处理。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：多传感器数据融合过程中，由于卡尔曼滤波、小波分析等姿态解算算法的复杂增加算法的复杂度和计算量，而这不利于实时计算，导致这些算法复杂度高，计算密度大，收敛速度相对较慢，而本专利技术通过结合四元数互补滤波和角速度差值计算方向角度，减小算法的复杂度，并通过改进积分方法，减小传感器本身存在随机常值偏移对角度计算造成的影响，提高角度计算的精度，进而提高室内定位的精确度。附图说明图1为基于角速度差值的方向修正方法的流程图；图2为传感器原始数据和处理后数据的对比示意图(以加速度计y轴为例)；图3为角速度差值法积分的推导过程；图4为角速度变化曲线示意图；图5为角度变化曲线示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。载体的姿态是惯性导航中重要的组成部分，载体的角度主要通过结合运动传感器的加速度信息、角速度信息和磁场信息而得到，惯性导航定位采用卡尔曼滤波、小波分析等姿态解算算法对采集的多种传感器数据进行融合，由于这些算法复杂度高，计算密度大，收敛速度相对较慢，而姿态结算中的俯仰角和横滚角的值并不需要解算得到，通过三角函数解算各个方向上的角度又会增加算法的复杂度，使计算量增多，而这不利于实时计算。本专利技术实施例提出了基于角速度差值的方向修正方法，本方法利用基于四元数互补滤波[1-2]解算过程中的纠正后的陀螺仪信息积分获取载体在横向的偏转角，而角速度数据虽然经过加速度计和磁场数据的补偿，但是由于本身存在随机常值偏移使得角速度会在一定范围内震荡，本专利技术实施例通过改进积分方法来计算载体的方向角度信息，提高载体方向角度的精确度。实施例1参见图1，本专利技术实施例提供了一种基于角速度差值的方向修正方法，该方法包括：运动传感器数据优化、四元数滤波修正陀螺仪数据、角速度差值积分，通过该三部分以此获取载体方向角度，具体步骤如下：101：将东北天坐标系中输出的加速度转化到载体坐标系中，获取加速度计的第一误差向量；102：将电子罗盘在载体坐标的输出经过旋转到东北天坐标系中，获取磁场向量的第二误差向量；103：将经过加速度数据和磁场数据补偿之后的第一误差向量和第二误差向量相加获取误差；104：根据误差修正陀螺仪的角速度值，获取修正后的角速度，利用修正后的角速度更新四元数；通过修正后的角速度，采用积分方法计算载体的方向角度信息。其中，在步骤101之前，该方法还包括以下步骤：对于运动传感器获取的原始数据，转化为载体计算位置信息和方向信息所需要的运动数据，并加以滤波处理；根据初始状态下加速度三轴数据、陀螺仪三轴数据以及电子罗盘三轴数据，获取载体的俯仰角、偏航角和滚转角，并获取初始四元数；将经过滤波处理后的加速度计、陀螺仪和电子罗盘器获取的三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁场数据转化为单位向量。综上所述，本专利技术实施例通过上述步骤101-步骤104结合了四元数互补滤波和角速度差值计算方向角度，减小了计算复杂度，并通过改进积分方法，减小传感器本身存在随机常值偏移对角度计算造成的影响，提高了角度计算的精度，进而提高了室内定位的精确度。实施例2下面结合具体的计算公式、图2和图3对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：201：对于运动传感器获取的原始数据，转化为载体计算位置信息和方向信息所需要的运动数据，并加以限幅滤波，均值滤波以及简易的卡尔曼滤波处理；其中，运动传感器获取到的原始数据存在较大误差，因为运动传感器中会掺杂很多其他的信号，比如：磁场、抖动之类的自然的或人为不可避免的信号，这些都要滤掉，便于结果分析，为此本专利技术实施例需要尽可能的消除运动传感器的误差，减小干扰和漂移，从而减小累计误差。本专利技术实施例将从加速度计、陀螺仪和电子罗盘获取的加速度、角速度和磁场数据进行限幅滤波、均值滤波以及简易卡尔曼滤波处理。具体滤波处理的步骤为本领域技术人员所公知，本专利技术实施例对此不做赘述。202：根据初始状态下加速度三轴数据、陀螺仪三轴数据以及电子罗盘三轴数据，获取载体的俯仰角、偏航角和滚转角，并获取初始四元数；基于四元数的互补滤波姿态解算方法的基本原理是对于不同的坐标系中，当表示同一个向量时，向量的大小和方向一定是相同的，当不同坐标系进行转化过程中，由于旋转矩阵存在误差，因此在旋转过程中会与理论值存在偏差，因此可以采用四元数来表示旋转矩阵，通过修正偏差来修正旋转矩阵，进而修正载体的方向角度信息。本专利技术实例中涉及到的坐标系包括载体坐标系(b)和东北天坐标系(n)，载体坐标系(b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于角速度差值的方向修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将东北天坐标系中输出的加速度转化到载体坐标系中，获取加速度计的第一误差向量；将电子罗盘在载体坐标的输出经过旋转到东北天坐标系中，获取磁场向量的第二误差向量；将经过加速度数据和磁场数据补偿之后的第一误差向量和第二误差向量相加获取误差；根据误差修正陀螺仪的角速度值，获取修正后的角速度，利用修正后的角速度更新四元数；通过修正后的角速度，采用积分方法计算载体的方向角度信息；

【技术特征摘要】
1.一种基于角速度差值的方向修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将东北天坐标系中输出的加速度转化到载体坐标系中，获取加速度计的第一误差向量；将电子罗盘在载体坐标的输出经过旋转到东北天坐标系中，获取磁场向量的第二误差向量；将经过加速度数据和磁场数据补偿之后的第一误差向量和第二误差向量相加获取误差；根据误差修正陀螺仪的角速度值，获取修正后的角速度，利用修正后的角速度更新四元数；通过修正后的角速度，采用积分方法计算载体的方向角度信息；2.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘安安，陈亚伟，苏育挺，赵泽，马宜科，靳国庆，崔洪亮，孔祥兵，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12