基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统，其中的方法包括：获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。利用本发明专利技术，能够解决现有的MEMS粗对准系统对准速度慢，误差较大的问题。

Method and system of coarse alignment of MEMS based on improved threshold wavelet denoising

The present invention provides a coarse alignment method and system of MEMS based on improved threshold wavelet denoising, which includes: acquiring real-time data of sensors, real-time data of sensors including accelerometer data and magnetometer data; denoising the acquired accelerometer data and magnetometer data by improved threshold; acquiring direction change according to data after denoising processing. Shift matrix; the obtained direction transfer matrix is output to the attitude tracking system for attitude tracking calculation. The invention can solve the problems of slow alignment speed and large error of the existing coarse alignment system of the MEMS.

【技术实现步骤摘要】
基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统
本专利技术涉及惯性导航领域，更为具体地，涉及一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统。
技术介绍
姿态初始对准技术是惯性导航及其所应用的组合导航的关键技术，而在一般车载定位系统中粗对准技术因其对准速度快，且精度足以满足车载定位的要求而得到广泛应用。惯性导航中初始对准的精度对整个系统的导航精度起着至关重要的作用，一旦初始对准误差发散就会导致载体坐标系的原点与实际位置发生严重偏差，使得后续误差积累加快，定位出现偏差。初始对准通过惯性测量单元陀螺仪和加速度计来获取载体所在位置地球的固有信息，以此来推断出载体在地球表面的位置。众多学者在此基础上进行了深入研究，其中孙伟等人研究的基于小波降噪的MEMS惯导系统对准方法采用小波降噪对磁力计和加速度计测得的原始数据进行处理后再进行初始对准矩阵的计算，采用磁力计代替传统的陀螺仪可以在现阶段国内陀螺仪精度低，测量误差大且波动较大的情况下用较为稳定且便于测量的地磁信息来代替地球自转角速度信息以计算方向转移矩阵，但是对于惯性测量器件进行小波降噪时采用的是固定阈值，无法兼顾信号的边缘特性以及降低信号振荡两方面的要求，且在计算航向角时计算过程较为复杂，对定位系统的对准速度有一定影响。因此，为解决上述问题，本专利技术提供了基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统，以解决现有的MEMS粗对准系统对准速度慢，误差较大的问题。本专利技术提供一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，包括：获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。本专利技术还提供一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准系统，包括：信号采集模块和数据处理模块，其中，所述信号采集模块，用于获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；所述数据处理模块，用于采用改进阈值对获取的传感器实时数据进行小波降噪处理，以及对降噪后的数据进行MEMS粗对准处理。从上面的技术方案可知，本专利技术提供的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统，通过改进阈值小波对测试数据进行处理并采用计算速度和准确度更高的MEMS粗对准方法，从而实现快速准确的完成惯导系统的粗对准过程，并将其提供给上位机完成姿态跟踪。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本专利技术的更全面理解，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为根据本专利技术实施例的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法流程示意图；图2为根据本专利技术实施例的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准系统逻辑结构示意图；图3为根据本专利技术实施例的姿态跟踪俯仰角对比图；图4为根据本专利技术实施例的姿态跟踪横滚角对比图；图5为根据本专利技术实施例的姿态跟踪航向角对比图。在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。具体实施方式针对前述提出的现有的MEMS粗对准系统对准速度慢，误差较大的问题，本专利技术提供了基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统。在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。以下将结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细描述。为了说明本专利技术提供的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，图1示出了根据本专利技术实施例的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法流程。如图1所示，本专利技术提供的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，包括：S110：获取传感器实时数据，传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；S120：通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；S130：根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；S140：将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。上述为本专利技术如何解决对准速度慢、误差较大问题的方法，其中，硬件环境为数据处理模块和3DM-E10A，其中3DM-E10A的参数为静态条件下俯仰角和滚转角的误差范围为±0.1°，航向角的误差范围为±2°，航向角分辨率误差小于0.1°。各传感器的测量范围：加速度计为±2g，速率陀螺仪为±300°/s，磁力计为±1.3Gauss。数据处理模块采用DSP28335芯片，CPU主频150MHz，可进行32位浮点数计算。先查询当地地磁信息，将其存入系统算法中，设本次测试水平磁场强度H0＝0.3,地磁偏角，水平磁偏角为90°。设备启动前先将测量模块放置与载体水平，然后保持通电状态预热30s后开始采集三轴加速度值与三轴磁感应值，同时将数据传输到DSP28335芯片进行初始数据的降噪处理。其中，降噪过程包括如下步骤：1)参数设置初始化；设定小波基函数，分解层数，以及改进小波阈值函数的性能参数；具体地，小波阈值去噪的分解层数设置为4，磁力计小波基选择为：sym6(X轴)，coif4(Y轴、Z轴)；加速度计小波基选择为：dmey(X轴、Y轴)，sym6(Z轴)；阈值函数参数的设定为：X轴磁力计为16，Y轴磁力计为20，Z轴磁力计为20，X轴加速度计为9，Y轴加速度计为9，Z轴加速度计为16；阈值函数参数统一设置为1。2)小波分解，分解方程为：其中，ωj,k为分解后的小波系数，ψj,k为小波系，f为待分解信号，a为尺度参数，b为平移参数，其中，离散的小波系函数ψj,k可写为：其中，t为小波系函数支撑域，k为调节系数。3)通过阈值函数对小波系数进行筛选，完成信号去噪；阈值函数为：其中，k和α为调节系数，且两者恒为正，T为设定的阈值，公式如下：其中，N为信号长度，σ为噪声标准差，j为分解层数；4)小波重构，将阈值函数处理后的小波系数还原出有用的信号，小波重构的公式为：其中，X为降噪处理后的信号，C是一个与信号无关的常数。在本专利技术的实施中，在根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵的过程中，1)构建从载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵的计算公式如下：其中，ψ为航向角，θ为俯仰角，γ为滚转角；2)构建载体姿态矩阵和导航姿态矩阵，姿态矩阵通过去噪处理后的加速度计和磁力计的输出构建；其中，导航坐标系下构建的姿态矩阵为：[fnfn×Mn(fn×Mn)×fn]；载体坐标系下的姿态矩阵为：[fbfb×Mb(fb×Mb)×fb]；其中：3)根据公式：计算得到航向角ψ，俯仰角θ，滚转角γ，即得到方向转移矩阵然后将得到的方向转移矩阵输出到姿态跟踪算法中，完成粗对准过程。与上述方法相对应，本专利技术还提供一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准系统，图2示出了根据本专利技术实施例的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准系统逻辑结构。如图2所示，本专利技术提供一种基于改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，包括：获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，包括：获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。2.如权利要求1所述的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，其中，在通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理的过程中，1)参数设置初始化；设定小波基函数，分解层数，以及改进小波阈值函数的性能参数；2)小波分解，分解方程为：其中，ωj,k为分解后的小波系数，ψj,k为小波系，f为待分解信号，a为尺度参数，b为平移参数，其中，离散的小波系函数ψj,k可写为：其中，t为小波系函数支撑域，k为调节系数；3)通过阈值函数对小波系数进行筛选，完成信号去噪；阈值函数为：其中，k和α为调节系数，且两者恒为正，T为设定的阈值，公式如下：其中，N为信号长度，σ为噪声标准差，j为分解层数；4)小波重构，将阈值函数处理后的小波系数还原出有用的信号，小波重构的公式为：其中，X为降噪处理后的信号，C是一个与信号无关的常数。3.如权利要求2所述的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，其中，小波阈值去噪的分解层数设置为4；磁力计小波基选择为：X轴为sym6，Y轴、Z轴为coif4；加速度计小波基选择为：X轴、Y轴为dmey，Z轴为sym6；阈值函数参数的设定为：X轴磁力计为16，Y轴磁力计为20，Z轴磁力计为20，X轴加速度计为9，Y轴加速度计为9，Z轴加速度计为16；阈值函数参数统一设置为1。4.如权利要求1所述的基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法，其中，在根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵的过程中，1)构建从载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵的计算公式如下：其中，ψ为航向角，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨菊花，陈光武，程鉴皓，王迪，李文元，刘射德，张琳婧，刘昊，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62