基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，从时域角度设计互补滤波器参数，建立改进型互补滤波器算法模型，构建行人运动模态辨识算法模型，进而利用磁传感器二维椭圆标定实现室内行人磁航向角的实时解算，采用低精度的消费级MEMS传感器芯片，无论室内、室外，航向角均能保证较高的精度，实用性较强，采用非固连模式安装，安装灵活性较高，使用环境不受限制，适用场景广阔，使用方式简易便捷，短时间内即能够保证较高精度的输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种室内行人导航磁航向解算算法，尤其涉及一种基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，属于室内行人导航

技术介绍
磁航向传感器凭借对地球磁场的测量，可以长期有效地解算出当前载体的航向角，被广泛的应用于各个领域。目前，室内行人导航较为流行，磁航向传感器则是其中的关键模块，但是当下的磁传感器均采取与人体固连模式(穿戴式)，大大约束了其适用条件，实用性不强。对于捷联惯性导航系统，姿态解算是其重要环节，但当前捷联惯性导航姿态解算算法(包括欧拉角法、方向余弦法、四元数法等等)存在三角函数计算问题和方程奇异现象等，复杂性较高。本专利提出一种改进型互补滤波器，从时域角度研究利用最优加权平均参数估计完成对姿态角的解算，同时研究剔除行人自带引入加速度误差；在行人稳态与非稳态辨识上，引入天向陀螺每秒绝对值积分进行模式判别。本方法适用于行人导航使用低精度的惯性传感器，在室内仍能够较为有效及较强适应性的磁航向解算算法，具有极高的工程应用和商业价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的不足提供了一种基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，具体包含如下步骤，步骤1，从时域角度获得互补滤波器参数k1和k2，具体计算如下： k 2 = σ 1 2 σ 1 2 + σ 2 2 ]]>k1＝1-k2其中，是陀螺仪积分获得的角度的方差，是加速度计获得的角度的方差，k1为陀螺仪的权重，k2为加速度计的权重；步骤2，根据步骤1获取的互补滤波器参数建立改进型互补滤波器算法模型，进而计算出姿态角，具体计算如下：fk1＝fk-Δfk-1 θ k = k 1 * ( θ w k - 1 + w * T ) + k 2 * θ f k ]]>其中Δfk-1为k-1时刻行人引入的加速度，fk为k时刻实测加速度计数据，fk1为修正误差后的加速度数据,T为采样周期，w为陀螺仪输出的角速度，θk为k时刻滤波后的姿态角，为陀螺仪在k-1时刻通过积分解算出的角度，加速度计在k时刻解算出来的角度；步骤3，利用步骤2计算出的姿态角构建投影矩阵，将磁传感器数据投影到水平面：利用天向陀螺每秒绝对值积分进行模式判别，若行人步行、跑步时的模态为非稳态状态，则直接置航向角为零，不输出磁航向角；若行人步行、跑步时的模态为稳态状态，则补偿磁传感器误差，计算出精确地磁航向角，并更新Δfk-1： Δf k - 1 = f k - 1 - C n k - 1 b g → ]]>其中为k-1时刻坐标转换矩阵，为重力矢量。作为本专利技术基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法的进一步优选方案，在步骤1中，从时域角度利用最优加权平均估计分析获得互补滤波器参数k1和k2。作为本专利技术基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法的进一步优选方案，在步骤3中，行人手持载体在步行、跑步时的模态判别如下： θ z = ∫ 0 1 | w | * T d t ]]>若θz<ε则此时判为行人步行、跑步时的模态为稳态状态，否则为非稳态状态；其中，w为z轴方向陀螺仪输出的角速度，T为采样周期，θz为z轴方向每秒绝对值积分计算出得角度，ε为通过统计学方法计算出来的参数值。作为本专利技术基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法的进一步优选方案，在步骤3中，利用最小二乘法标定好的二维椭圆参数补偿磁传感器误差。作为本专利技术基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法的进一步优选方案，在步骤3中，利用递推的思想，若行人步行、跑步时的模态为稳态状态，则实时更新人为引入的加速度，利用修正误差后的加速度计算姿态角。作为本专利技术基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法的进一步优选方案，若行人步行、跑步时的模态为稳态状态，则补偿磁传感器误差，计算出磁航向角，磁航向角的具体计算如下：其中，为磁航向角，Y为补偿后的横向磁传感器信息，X为补偿后的纵向磁传感器信息。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本专利技术采用低精度的消费级MEMS传感器芯片，无论室内、室外，航向角均能保证较高的精度，实用性较强；2.本专利技术采用非固连模式安装，安装灵活性较高，使用环境不受限制，适用场景广阔；3.本专利技术使用方式简易便捷，短时间内即能够保证较高精度的输出。附图说明图1为改进型互补滤波器原理图；图2为基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图2所示，基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，具体包含如下步骤，步骤1，从时域角度获得互补滤波器参数k1和k2，具体计算如下： k 2 = σ 1 2 σ 1 2 + σ 2 2 ]]>k1＝1-k2其中，是陀螺仪积分获得的角度的方差，是加速度获得的角度的方差，k1为陀螺仪的权重，k2为加速度计的权重；步骤2，根据步骤1获取的互补滤波器参数建立改进型互补滤波器算法模本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，其特征在于：具体包含如下步骤，步骤1，从时域角度获得互补滤波器参数k1和k2，具体计算如下：k2=σ12σ12+σ22]]>k1＝1‑k2其中，是陀螺仪积分获得的角度的方差，是加速度计获得的角度的方差，k1为陀螺仪的权重，k2为加速度计的权重；步骤2，根据步骤1获取的互补滤波器参数建立改进型互补滤波器算法模型，进而计算出姿态角，具体计算如下：fk1＝fk‑Δfk‑1θk=k1*(θwk-1+w*T)+k2*θfk]]>其中Δfk‑1为k‑1时刻行人引入的加速度，fk为k时刻实测加速度计数据，fk1为修正误差后的加速度数据,T为采样周期，w为陀螺仪输出的角速度，θk为k时刻滤波后的姿态角，为陀螺仪在k‑1时刻通过积分解算出的角度，加速度计在k时刻解算出来的角度；步骤3，利用步骤2计算出的姿态角构建投影矩阵，将磁传感器数据投影到水平面：利用天向陀螺每秒绝对值积分进行模式判别，若行人步行、跑步时的模态为非稳态状态，则直接置航向角为零，不输出磁航向角；若行人步行、跑步时的模态为稳态状态，则补偿磁传感器误差，计算出磁航向角，并更新Δfk‑1：Δfk-1=fk-1-Cnk-1bg‾]]>其中为k‑1时刻坐标转换矩阵，为重力矢量。...

【技术特征摘要】
1.基于改进型互补滤波的室内行人导航磁航向解算方法，其特征在于：具体包含如下步骤，步骤1，从时域角度获得互补滤波器参数k1和k2，具体计算如下： k 2 = σ 1 2 σ 1 2 + σ 2 2 ]]>k1＝1-k2其中，是陀螺仪积分获得的角度的方差，是加速度计获得的角度的方差，k1为陀螺仪的权重，k2为加速度计的权重；步骤2，根据步骤1获取的互补滤波器参数建立改进型互补滤波器算法模型，进而计算出姿态角，具体计算如下：fk1＝fk-Δfk-1 θ k = k 1 * ( θ w k - 1 + w * T ) + k 2 * θ f k ]]>其中Δfk-1为k-1时刻行人引入的加速度，fk为k时刻实测加速度计数据，fk1为修正误差后的加速度数据,T为采样周期，w为陀螺仪输出的角速度，θk为k时刻滤波后的姿态角，为陀螺仪在k-1时刻通过积分解算出的角度，加速度计在k时刻解算出来的角度；步骤3，利用步骤2计算出的姿态角构建投影矩阵，将磁传感器数据投影到水平面：利用天向陀螺每秒绝对值积分进行模式判别，若行人步行、跑步时的模态为非稳态状态，则直接置航向角为零，不输出磁航向角；若行人步行、跑步时的模态为稳态...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄欣，熊智，许建新，孔雪博，赵宣懿，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32