一种MEMS惯性导航系统及基于该系统的轨迹重构方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MEMS惯性导航系统及基于该系统的轨迹重构方法，应用六位置法对陀螺仪和加速度计进行误差因数的辨识得到静态误差模型从而补偿静态误差；经过低通滤波器滤波显著地降低陀螺仪和加速度计的随机误差，降低噪声，提高输出精度；采用互补滤波算法将陀螺仪和加速度计更新的姿态角度有效地结合起来得到姿态矩阵；利用姿态矩阵变换加速度和重力补偿后得到导航模块在惯性坐标系下的三轴加速度；最后通过迭代式双重积分得到轨迹和速度信息。本发明专利技术的互补滤波算法将加速度计和陀螺仪独立解算的姿态角融合，可以抑制姿态角漂移的发散，使得姿态推算在动态和静态下都大为改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性导航
，尤其涉及一种基于MEMS惯性导航系统的轨迹重构方法。技术背景微机械电子系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)是微电子技术的延伸和发展，在二十世纪末以及本世纪的十几年中得到较快的发展。由于电子工业和计算机技术的快速发展以及电子器件制造成本的不断降低，一些军事科技方面的高端技术开始应用于消费电子领域，其中MEMS在人机交互中的应用越来越引起关注。MEMS惯性传感器是MEMS在惯导领域应用的产物，它是由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪构成。这一技术不但在航空航天、国防科技等军事领域有着较大的应用，在一些民用领域也慢慢有了较大的发展，比如体感游戏、人体运动感知、空中鼠标系统，以及目前比较热门的VR设备上。在基于MEMS的惯性导航系统轨迹重构技术上，对惯性传感器的精度要求非常高，因为这将直接影响惯性导航重构轨迹的精度。从现在的技术发展趋势上看，MEMS惯性传感器也是沿着高精度、高集成度趋势发展，现有的MEMS加速度传感器精度可以达1·10-4g，并且还有更进一步的提升空间。现有的MEMS陀螺仪极限精度能够达到0.01/h以下，随机游走系数可以控制在1/h以下。在消费电子领域中由于成本限制，选用的MEMS陀螺仪精度一般在10-100/h范围内。因此精度的降低需要用特殊的算法来确保重构轨迹的精度。MEMS惯性传感器在消费电子领域轨迹重构应用已经成为当前科研的热点。05年以前MEMS传感器的研究主要集中于MEMS传感器的制造研究、MEMS传感器的标定误差处理方法研究等方面。近几年对着人们生活质量的不断提高、智能手机的兴起，MEMS传感器的应用逐渐进入普通人生活。如当前IBM推出的VR游戏体验的装备中就有惯性传感器，荷兰XSENS公司、英国的x-io Technologies Limited公司和背景WSENS公司推出的人体运动识别技术等，这些技术无疑的完善了MEMS技术应用，同时也丰富了人们的生活。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于MEMS惯性导航系统的轨迹重构方法，通过对传感器的模型校正，采用滤波算法，减小导航误差，在一个范围内提供该系统的运动姿态和运动轨迹，以满足对小范围内的高精度运动轨迹的导航或跟踪要求。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种MEMS惯性导航系统，包括惯性传感器、第一电平转换模块、电源模块、第二电平转换模块、上位机；所述惯性传感器由加速度计和陀螺仪组成；所述第一电平转换模块上搭载无线传输模块；所述第二电平转换模块上搭载无线接收模块；所述加速度计用于测量传感器的三轴加速度，陀螺仪用于测量传感器的三轴角速度；所述加速度计和陀螺仪均与第一电平转换模块相连；所述无线传输模块与无线接收模块通过无线传输数据；所述第二电平转换模块通过USB与上位机相连；上位机对接收到的信号进行静态误差补偿、滤波，并通过分析处理算法解算和更新姿态，最后对瞬时姿态进行重力补偿和双积分，得到该时间段内的惯导轨迹，实现轨迹重构。一种上述的系统的轨迹重构方法，具体包括以下步骤：(1)所述加速度计测量传感器的三轴加速度，陀螺仪测量传感器的三轴角速度；(2)所述第一电平转换模块接收加速度计测量到的三轴加速度和陀螺仪测量到的三轴角速度，并通过其上搭载无线传输模块传输给搭载在第二电平转换模块上的无线接收模块，第二电平转换模块将该信号传输给上位机的误差补偿模块，对由六位置法标定的陀螺仪和加速度计得到的数据进行校正，得到优化补偿后的加速度和角速度信号；(3)将步骤2得到优化补偿后的的加速度和角速度信号送往上位机的滤波模块，滤波模块先对信号进行数字低通滤波，以消除高频的噪声信号，减小信号的随机误差；(4)将步骤3得到的数字低通滤波后的加速度信号通过三轴分量的关系求解加速度计的姿态角；(5)将步骤3得到的数字低通滤波后的角速度信号通过欧拉法求解陀螺仪的姿态角；(6)将步骤4和步骤5得到的加速度计的姿态角和陀螺仪的姿态角送往互补滤波模块，将加速度计和陀螺仪的姿态角进行互补，得到惯性传感器的最佳姿态角；(7)由步骤6得到的惯性传感器的最佳姿态角，可获得惯性传感器的最佳姿态矩阵，将步骤3得到的加速度计的三轴加速度通过姿态矩阵进行坐标系的变换，得到惯性系下的三轴加速度；再对三轴加速度进行重力补偿，对补偿后的三轴加速度进行双重积分，得到物体的位置和速度信息，从而实现轨迹重构。进一步的，所述误差补偿模块的处理步骤具体如下：建立加速度计误差模型方程，模型方程如下：AxAyAz=ax0ay0az0+SxKyxKzxKxySyKzyKxzKyzSzaxayaz+Kx2000Ky2000Kz2ax2ay2az2+vxvyvz---(1)]]>其中，Ax、Ay、Az分别代表加速度计x、y、z三轴上的输出，ax0、ay0、az0分别代表加速度计x、y、z三轴的零偏，Sx、Sy、Sz分别代表加速度计x、y、z三轴上的刻度因数，Kxy表示x与y轴间的耦合误差因数，Kyx表示y与x轴间的耦合误差因数；Kyz表示y与z轴间的耦合误差因数，Kzy表示z与y轴间的耦合误差因数；Kzx表示z与x轴间的耦合误差因数，Kxz表示x与z轴间的耦合误差因数，Kx2、Ky2、Kz2均代表加速度计三轴关于二次方的误差系数，vx、vy、vz分别代表加速度计x、y、z三轴的随机误差；建立陀螺仪的误差模型方程，模型方程如下：GxGyGz=gx0gy0gz0+SxKyxKzxKxySyKzyKxzKyzSzgxgygz+Kx2000Ky2000Kz2gx2gy2gz2+vxvyvz---(2)]]>其中，Gx、Gy、Gz分别代表陀螺仪x、y、z三轴上的输出，gx0、gy0、gz0分别代表陀螺仪x、y、z三轴的零偏，Sx、Sy、Sz分别代表陀螺仪x、y、z三轴上的刻度因数，Kxy表示x与y轴间的耦合误差因数，Kyx表示y与x轴间的耦合误差因数；Kyz表示y与z轴间的耦合误差因数，Kzy表示z与y轴间的耦合误差因数；Kzx表示z与x轴间的耦合误差因数，Kxz表示x与z轴间的耦合误差因数，Kx2、Ky2、Kz2分别代表陀螺仪三轴关于二次方的误差系数，vx、vy、vz分别代表陀螺仪x、y、z三轴的随机误差；在建立MEMS加速度计和陀螺仪的误差模型方程后，通过六位置标定法标定加速度计陀螺仪的模型误差系数，它们分别为：在误差系数的求解上加速度计与陀螺仪相同，以加速度计为例，按照加速度计标定过程，将加速度计检测到的数据代入加速度计误差模型方程中，得到加速度计误差模型里面的相关误差系数，即加速度计X轴：Ax1＝ax0+Sx+Kx2,Ax2＝ax0+Kyx,Ax3＝ax0+KzxAx4＝ax0-Sx+Kx2,Ax5＝ax0-Kyx,Ax6＝ax0-Kzx加速度计Y轴：Ay1＝ay0+Kxy,Ay2＝ay0+Sy+Ky2,Ay3＝ay0+KzyAy4＝ay0-Kxy,Ay5＝ay0-Sy+Ky2,Ay6＝ay0-Kzy加速度计Z轴：Az1＝az0+Kxz,Ay2＝az0+Kyz,Az3＝az0+Sz+Kz2Az4＝az0-Kxz,Az5＝az0-Kzy,Az6＝az0-Sz+Kz2解这三组方程得到所有的模型误差系数；同理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS惯性导航系统，其特征在于，包括惯性传感器、第一电平转换模块、电源模块、第二电平转换模块、上位机；所述惯性传感器由加速度计和陀螺仪组成；所述第一电平转换模块上搭载无线传输模块；所述第二电平转换模块上搭载无线接收模块；所述加速度计用于测量传感器的三轴加速度，陀螺仪用于测量传感器的三轴角速度；所述加速度计和陀螺仪均与第一电平转换模块相连；所述无线传输模块与无线接收模块通过无线传输数据；所述第二电平转换模块通过USB与上位机相连；上位机对接收到的信号进行静态误差补偿、滤波，并通过分析处理算法解算和更新姿态，最后对瞬时姿态进行重力补偿和双积分，得到该时间段内的惯导轨迹，实现轨迹重构。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS惯性导航系统，其特征在于，包括惯性传感器、第一电平转换模块、电源模块、第二电平转换模块、上位机；所述惯性传感器由加速度计和陀螺仪组成；所述第一电平转换模块上搭载无线传输模块；所述第二电平转换模块上搭载无线接收模块；所述加速度计用于测量传感器的三轴加速度，陀螺仪用于测量传感器的三轴角速度；所述加速度计和陀螺仪均与第一电平转换模块相连；所述无线传输模块与无线接收模块通过无线传输数据；所述第二电平转换模块通过USB与上位机相连；上位机对接收到的信号进行静态误差补偿、滤波，并通过分析处理算法解算和更新姿态，最后对瞬时姿态进行重力补偿和双积分，得到该时间段内的惯导轨迹，实现轨迹重构。2.一种利用权利要求1所述的系统的轨迹重构方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)所述加速度计测量传感器的三轴加速度，陀螺仪测量传感器的三轴角速度；(2)所述第一电平转换模块接收加速度计测量到的三轴加速度和陀螺仪测量到的三轴角速度，并通过其上搭载无线传输模块传输给搭载在第二电平转换模块上的无线接收模块，第二电平转换模块将该信号传输给上位机的误差补偿模块，对由六位置法标定的陀螺仪和加速度计得到的数据进行校正，得到优化补偿后的加速度和角速度信号；(3)将步骤2得到优化补偿后的的加速度和角速度信号送往上位机的滤波模块，滤波模块先对信号进行数字低通滤波，以消除高频的噪声信号，减小信号的随机误差；(4)将步骤3得到的数字低通滤波后的加速度信号通过三轴分量的关系求解加速度计的姿态角；(5)将步骤3得到的数字低通滤波后的角速度信号通过欧拉法求解陀螺仪的姿态角；(6)将步骤4和步骤5得到的加速度计的姿态角和陀螺仪的姿态角送往互补滤波模块，将加速度计和陀螺仪的姿态角进行互补，得到惯性传感器的最佳姿态角；(7)由步骤6得到的惯性传感器的最佳姿态角，可获得惯性传感器的最佳姿态矩阵，将步骤3得到的加速度计的三轴加速度通过姿态矩阵进行坐标系的变换，得到惯性系下的三轴加速度；再对三轴加速度进行重力补偿，对补偿后的三轴加速度进行双重积分，得到物体的位置和速度信息，从而实现轨迹重构。3.根据权利要求2所述的轨迹重构方法，其特征在于，所述误差补偿模块的处理步骤具体如下：建立加速度计误差模型方程，模型方程如下：AxAyAz=ax0ay0az0+SxKyxKzxKxySyKzyKxzKyzSzaxayaz+Kx2000Ky2000Kz2ax2ay2az2+vxvyvz---(1)]]>其中，Ax、Ay、Az分别代表加速度计x、y、z三轴上的输出，ax0、ay0、az0分别代表加速度计x、y、z三轴的零偏，Sx、Sy、Sz分别代表加速度计x、y、z三轴上的刻度因数，Kxy表示x与y轴间的耦合误差因数，Kyx表示y与x轴间的耦合误差因数；Kyz表示y与z轴间的耦合误差因数，Kzy表示z与y轴间的耦合误差因数；Kzx表示z与x轴间的耦合误差因数，Kxz表示x与z轴间的耦合误差因数，Kx2、Ky2、Kz2均代表加速度计三轴关于二次方的误差系数，vx、vy、vz分别代表加速度计x、y、z三轴的随机误差；建立陀螺仪的误差模型方程，模型方程如下：GxGyGz=gx0gy0gz0+SxKyxKzxKxySyKzyKxzKyzSzgxgygz+Kx2000Ky2000Kz2gx2gy2gz2+vxvyvz---(2)]]>其中，Gx、Gy、Gz分别代表陀螺仪x、y、z三轴上的输出，gx0、gy0、gz0分别代表陀螺仪x、y、z三轴的零偏，Sx、Sy、Sz分别代表陀螺仪x、y、z三轴上的刻度因数，Kxy表示x与y轴间的耦合误差因数，Kyx表示y与x轴间的耦合误差因数；Kyz表示y与z轴间的耦合误差因数，Kzy表示z与y轴间的耦合误差因数；Kzx表示z与x轴间的耦合误差因数，Kxz表示x与z轴间的耦合误差因数，Kx2、Ky2、Kz2分别代表陀螺仪三轴关于二次方的误差系数，vx、vy、vz分别代表陀螺仪x、y、z三轴的随机误差；在建立MEMS加速度计和陀螺仪的误差模型方程后，通过六位置标定法标定加速度计陀螺仪的模型误差系数，它们分别为：在误差系数的求解上加速度计与陀螺仪相同，以加速度计为例，按照加速度计标定过程，将加速度计检测到的数据代入加速度计误差模型方程中，得到加速度计误差模型里面的相关误差系数，即加速度计X轴：Ax1＝ax0+Sx+Kx2,Ax2＝ax0+Kyx,Ax3＝ax0+KzxAx4＝ax0-Sx+Kx2,Ax5＝ax0-Kyx,Ax6＝ax0-Kzx加速度计Y轴：Ay1＝ay0+Kxy,Ay2＝ay0+Sy+Ky2,Ay3＝ay0+KzyAy4＝ay0-Kxy,Ay5＝ay0-Sy+Ky2,A...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬博骋，徐方凯，郑开瑜，谢磊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33