一种航向误差修正方法与装置及磁场检测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种航向误差修正方法，包括如下步骤：(a)采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据；(b)计算检验统计量；(c)判定在人员行进中第s步到第s+m‑1步之间对应的时间区间内磁场是否处于稳态；(d)若磁场处于稳态，则将磁场解算航向作为观测量，利用卡尔曼滤波对航向角误差进行估计，利用航向角误差对人员的航向进行修正。本发明专利技术还提供一种航向误差修正装置，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、信号采集单元、信号处理单元。本发明专利技术还提供一种磁场检测方法与装置。

Method and device for correcting heading error and magnetic field detecting method and device

The present invention provides a method for heading error correction, which comprises the following steps: (a) magnetic field measurement data, collecting data, gyroscope and accelerometer data; (b) calculate the test statistics; (c) decision in the personnel moving step s to s+m 1 steps between the magnetic field corresponding to the time interval at steady state; (d) if the magnetic field is in steady state, the magnetic field calculation of course as a new measurement of the heading angle error are estimated by using the Calman filter, heading angle error of the corrected heading personnel. The invention also provides a heading error correction device, which comprises an accelerometer, a gyroscope, a magnetometer, a signal acquisition unit and a signal processing unit. The invention also provides a magnetic field detecting method and device.

【技术实现步骤摘要】
一种航向误差修正方法与装置及磁场检测方法与装置
本专利技术涉及一种航向误差修正方法，尤其涉及一种陀螺仪航向漂移误差修正方法。本专利技术属于室内人员自主定位
，具体说是一种利用稳态磁场修正陀螺仪航向漂移误差的方法与装置及磁场检测方法与装置。
技术介绍
在基于微惯导的人员自主定位技术中，利用固定在人员足部微机电系统(Micro-electromechanicalSystems,MEMS)MEMS的惯性测量单元(包括微型加速度计和微型陀螺仪)对人体运动进行测量，积分推演获得人员运动轨迹。该技术无需在定位场所预先安装任何设备，具有自主性、低功耗及便携性等优势，已成为卫星导航定位不可靠情况下重要的“补盲”手段。受制造工艺水平的限制，微型陀螺仪在实际的应用中会产生漂移，导致陀螺仪解算航向误差随时间不断积累，导致定位误差不断增大。地磁场是一种稳定的地理信息，通常被用于辅助修正陀螺仪航向误差。但在室内场景中，由于地磁场受墙体、电子设备等的干扰比较严重，导致地磁场解算航向存在较大误差。考虑到地磁场在某些地点或者时间段受到的干扰很小，受到干扰很小的磁场称为稳态磁场。在稳态磁场中，解算出的航向误差可以忽略，因此可用来修正陀螺仪航向误差。从受干扰磁场中提取稳态磁场依赖于稳态磁场检测方法。传统的稳态磁场检测方法通过磁场幅度的变换率作为判断磁场受干扰程度的依据，当磁场幅度变化率小于某一阈值时，判定该时刻磁场处于稳态。若磁场在短时间内受到比较稳定的干扰，则该方法很容易造成虚警检测，即误将受干扰磁场判定为稳态磁场。若用其解算航向值修正陀螺仪航向，反而会引入额外的误差，极大地影响测量精度。在受到干扰的情况下，磁场在导航坐标系(东-北-天)三个轴向的受干扰程度往往是不相同的，即各轴向磁场变化比例不同，导致解算出来的航向存在较大的波动，而这样的磁场航向角无法有效的被用来修正陀螺仪航向角的长期漂移特性。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是针对现有技术中利用稳态磁场的解算航向值修正陀螺仪航向会引入额外的误差的问题，提供一种新的航向误差修正方法与装置及磁场检测方法与装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种航向误差修正方法，包括如下步骤：(a)人员行进中，以固定周期采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据；(b)利用下式计算检验统计量T其中，α1、α2、α3、α4分别为第一权值、第二权值、第三权值、第四权值，且α1、α2、α3、α4的取值范围均为[0,1]，且α1+α2+α3+α4＝1，m为人员行进的步数间隔，m＞2，s为人员步数，Bi、θi、ξi分别为人员行进中第i步的导航坐标系下的磁场幅度、磁场解算航向、陀螺仪解算航向、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差，分别为磁场幅度的噪声方差、磁场解算航向的噪声方差、陀螺仪解算航向的噪声方差、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差的方差，Bi、θi、ξi、均利用步骤(a)中的磁场测量数据、陀螺仪测量数据计算得到；(c)若T＜γ，则判定在人员行进中第s步到第s+m-1步之间对应的时间区间内磁场处于稳态，并跳转到步骤(d)，否则跳转到步骤(a)，其中，γ为磁场稳态检测门限；(d)在由步骤(c)得到的人员行进中第s步到第s+m-1步之间对应的时间区间内，将磁场解算航向作为观测量，利用卡尔曼滤波对航向角误差进行估计，利用航向角误差对人员的航向进行修正。在受到干扰的情况下，磁场在导航坐标系(东-北-天)三个轴向的受干扰程度往往是不相同的，即各轴向磁场变化比例不同，导致解算出来的航向存在较大的波动，而这样的磁场航向角无法有效的被用来修正陀螺仪航向角的长期漂移特性。本专利技术中，利用构造检验统计量T检验磁场是否为稳态，即判断磁场解算航向的可信度，若磁场为稳态，则利用磁场航向角修正陀螺仪航向角的漂移。若α4＝0，则利用磁场解算航向的相对变化、磁场幅度的相对变化、陀螺仪短时航向的相对变化构造检验统计量，则对直线行走的效果较好；若α1、α2、α3、α4均不为0，则由于加入了磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差值的变化量Δξs，因此可以在连续转弯环境下确定磁场角度连续变化以及陀螺连续角度变化的之间的差异，如果磁场解算航向与陀螺仪解算航向两者之间的相对角度变化偏差是稳定的，则对于连续转弯的行走线路的磁场的稳态策略仍然可以对陀螺起到修正作用，因此对曲线行走线路甚至是连续曲线的行走线路的修正较好。上述技术方案中，所述步骤(b)中，Bi、θi分别为从人员行进中第i步的静止时间区间中任取的时刻在导航坐标系下的磁场幅度、磁场解算航向、陀螺仪解算航向，其中，第i步的静止时间区间为人员行进中第i步对应的人员足部与地接触的时间区间。上述技术方案中，所述步骤(b)中，第i步的静止时间区间通过如下步骤计算：(b1)计算人员足部在k时刻的加速度模值其中(ax(k),ay(k),az(k))为k时刻人员足部在导航坐标系下的加速度；(b2)利用下式计算偏差σk和方差λk，其中M1的取值范围为3≤M1≤10，M2的取值范围为3≤M2≤10，且M1、M2均为整数；(b3)设置偏差门限ηBIAS、方差门限ηv，若式子λk≥ηv和σk≥ηBIAS中至少有一项成立，则判断人员足部在k时刻为运动状态，反之，则判断人员足部在k时刻为静止状态；(b4)若检测到人员足部在时间区间[k1i,k2i]内的每个时刻均为静止状态，而检测到人员足部在k1i-1时刻、k2i+1时刻均为运动状态，则认为时间区间[k1i,k2i]为人员行进中的第i步对应的静止时间区间。上述技术方案中，所述步骤(b)中，θi通过姿态四元数计算得到，Bi、ξi通过下式计算得到其中，(Bi,x,Bi,y,Bi,z)为人员行进中的第i步时人员足部在导航坐标系下的磁场强度，D为地磁偏角。上述技术方案中，所述的步骤(b)中，m＝5。上述技术方案中，所述的步骤(c)中，磁场稳态检测门限γ通过接收器操作特性曲线确定。上述技术方案中，所述步骤(d)中，利用航向角误差对人员行进中第s+m-1步对应的航向进行修正或对第s步到第s+m-1步中对应的各个航向进行修正。本专利技术还提供一种实现上述航向误差方法的航向误差修正装置，包括设置于人员足部且具有相同载体坐标系的加速度计、陀螺仪、磁力计，还包括用于采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据的信号采集单元，还包括与所述信号采集单元连接的信号处理单元。本专利技术还提供一种磁场检测方法，在人员足部设置具有相同载体坐标系的加速度计、陀螺仪、磁力计，所述磁场检测方法包括如下步骤：(a)人员行进中，以固定周期采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据；(b)利用下式计算检验统计量T其中，α1、α2、α3、α4分别为第一权值、第二权值、第三权值、第四权值，且α1、α2、α3、α4的取值范围均为[0,1]，且α1+α2+α3+α4＝1，m为人员行进的步数间隔，m＞2，s为人员步数，Bi、θi、ξi分别为人员行进中第i步的导航坐标系下的磁场幅度、磁场解算航向、陀螺仪解算航向、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差，分别为磁场幅度的噪声方差、磁场解算航向的噪声方差、陀螺仪解算航向的噪声方差、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差的方差，Bi、θi、ξi、均利用步骤(a)中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航向误差修正方法，其特征在于：包括如下步骤：(a)人员行进中，以固定周期采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据；(b)利用下式计算检验统计量T

【技术特征摘要】
1.一种航向误差修正方法，其特征在于：包括如下步骤：(a)人员行进中，以固定周期采集磁场测量数据、陀螺仪测量数据、加速度计测量数据；(b)利用下式计算检验统计量T其中，α1、α2、α3、α4分别为第一权值、第二权值、第三权值、第四权值，且α1、α2、α3、α4的取值范围均为[0,1]，且α1+α2+α3+α4＝1，m为人员行进的步数间隔，m＞2，s为人员步数，Bi、θi、ξi分别为人员行进中第i步的导航坐标系下的磁场幅度、磁场解算航向、陀螺仪解算航向、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差，分别为磁场幅度的噪声方差、磁场解算航向的噪声方差、陀螺仪解算航向的噪声方差、磁场解算航向与陀螺仪解算航向的偏差的方差，Bi、θi、ξi、均利用步骤(a)中的磁场测量数据、陀螺仪测量数据计算得到；(c)若T＜γ，则判定在人员行进中第s步到第s+m-1步之间对应的时间区间内磁场处于稳态，并跳转到步骤(d)，否则跳转到步骤(a)，其中，γ为磁场稳态检测门限；(d)在由步骤(c)得到的人员行进中第s步到第s+m-1步之间对应的时间区间内，将磁场解算航向作为观测量，利用卡尔曼滤波对航向角误差进行估计，利用航向角误差对人员的航向进行修正。2.根据权利要求1所述的航向误差修正方法，其特征在于：所述步骤(b)中，Bi、θi分别为从人员行进中第i步的静止时间区间中任取的时刻在导航坐标系下的磁场幅度、磁场解算航向、陀螺仪解算航向，其中，第i步的静止时间区间为人员行进中第i步对应的人员足部(1)与地接触的时间区间。3.根据权利要求2所述的航向误差修正方法，其特征在于：所述步骤(b)中，第i步的静止时间区间通过如下步骤计算：(b1)计算人员足部(1)在k时刻的加速度模值其中(ax(k),ay(k),az(k))为k时刻人员足部(1)在导航坐标系下的加速度；(b2)利用下式计算偏差σk和方差λk，其中M1的取值范围为3≤M1≤10，M2的取值范围为3≤M2≤10，且M1、M2均为整数；(b3)设置偏差门限ηBIAS、方差门限ηv，若式子λk≥ηv和σk≥ηBIAS中至少有一项成立，则判断人员足部(1)在k时刻为运动状态，反之，则判断人员足部(1)在k时刻为静止状态；(b4)若检测到人员足部(1)在时间区间[k1i,k2i]内的每个时刻均为静止状态，而检测到人员足部(1)在k1i-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：方楚雄，
申请(专利权)人：湖南格纳微信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43