一种骑行码表设备及骑行码表初始姿态自动校准方法技术

本发明专利技术属于人力骑行码表便携设备技术领域，具体公开一种骑行码表设备及骑行码表初始姿态自动校准方法，包括获取GPS测量的经纬度数值以及IMU测量的加速度和角增量数值；将其分别与预设GPS和IMU状态参数相比较，不断解算满足GPS状态为可用或IMU状态为静置时的航偏角、速度矢量、横滚角和俯仰角；当GPS状态为可用且IMU状态为静置时，将解算得到的航偏角、速度矢量、横滚角和俯仰角作为码表初始姿态输出，完成自动对准。通过在惯导静置状态解算得到初始俯仰角和横滚角，再利用GPS反算得到航向和速度，在解算完成俯仰角和横滚角的时间到GPS反算航向的时间内，俯仰角和横滚角通过实时采集的IMU数据进行更新，从而确保初始状态解算数值的准确性。解算数值的准确性。解算数值的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种骑行码表设备及骑行码表初始姿态自动校准方法


[0001]本专利技术属于人力骑行码表便携设备
，具体地说涉及一种骑行码表设备及骑行码表初始姿态自动校准方法。

技术介绍

[0002]现有GPS定位受到的局限性较大，信号容易受到树木、楼宇等地物的遮挡，同时多径效应也时有发生，因此码表利用GPS定位时存在定位结果可信度和鲁棒性低的问题；在GPS码表结合惯导系统后，惯导系统虽然可以与GPS构成多传感器定位系统，但是惯导系统需要较为精确的初始姿态(经纬度位置、三轴姿态角、导航坐标系下的三维速度)，由于码表为自由拆卸设备(与固定位置的车载导航系统不同)，每次安装码表的位置不同会导致初始姿态数据的不同，因而在码表每次开启导航时，难以在短时间内准确的标定码表的初始姿态，通常需要借助外部API接口或者更多的传感设备，设备配置成本较高。
[0003]因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种骑行码表设备及骑行码表初始姿态自动校准方法。本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种骑行码表初始姿态自动校准方法，包括：
[0006]获取GPS测量的经纬度数值以及IMU测量的加速度和角增量数值；
[0007]将经纬度数值和加速度、角增量数值分别与预设GPS和IMU状态参数相比较，不断解算满足GPS状态为可用或IMU状态为静置时的航偏角速度矢量横滚角θ和俯仰角γ；
[0008]当GPS状态为可用且IMU状态为静置时，将解算得到的航偏角速度矢量横滚角θ
i
和俯仰角γ
i
作为码表初始姿态输出，完成自动对准。
[0009]进一步的，航偏角的计算方法包括：当GPS状态为可用时，获取经纬坐标并将其转为空间大地坐标，在空间大地坐标内不断滑动窗口，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角。
[0010]进一步的，在空间大地坐标内不断滑动窗口，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角的方法包括：基于转换的空间大地坐标，获取预设窗口范围内连续历元的平面坐标时间序列，基于平面坐标时间序列内相邻两坐标进行航向反算得到方向序列和对应的均方误差，若均方误差小于预设精度阈值，则基于方向序列进行航偏角反算；若均方误差大于预设精度阈值，则预设窗口前进一个步长单位，重新获取新的平面坐标时间序列进行反算。
[0011]进一步的，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角的方法包括：
[0012]获取位置序列z
i
＝{(x,y,z)
k
|k＝i,i+1,...,i+n}，其中，i为位置序列对应的起始时间历元，(x,y,z)对应的坐标系是东北天地理坐标系；
[0013]将位置序列坐标投影到平面上得到平面坐标集合
[0014]pos
i
＝{(x,y)
k
|k＝i,i+1,...,i+n}；
[0015]将平面坐标集合整理得到方程组：
[0016][0017]基于最小二乘法解算得到[biask]＝y
T
·
x
·
(x
T
·
x)
‑1，其中，k为东北天地理坐标系下窗口内骑行路径的方向斜率；
[0018]基于反正切函数求解航偏角
[0019]进一步的，基于获取的平面坐标集合计算速度标量其中，n为窗口长度，(x y)1为窗口内第一个平面坐标，(x y)
n
为窗口内最后一个平面坐标。
[0020]进一步的，横滚角和俯仰角的计算方法包括：当IMU状态为静置时，加速度计测量的是重力在载体坐标系下的投影，即重力和加速度计的比力关系为：
[0021][0022]其中，f
ibb
为比力输出值，f
ibb
＝[f
ibxb
,f
ibyb
,f
ibzb
]表示加速度计x、y、z三轴的输出，为重力加速度，进而推导出横滚角θ和俯仰角γ的解算公式为：
[0023][0024]进一步的，实时获取IMU测量的加速度和角增量数值，利用四阶龙格库塔法动态更新姿态角的解算公式，具体方法如下：
[0025]设置初始四元数，其中，为初始航偏角，θ0为初始横滚角，γ0为初始俯仰角，q为四元数向量；
[0026]进而得到四阶龙格库塔更新四元数
[0027]通过数据采样对上式相关元素进行解算：其中，h为数据采样间隔，q
(t)
、q
(t+h)
分别为t、t+h时刻的四元数，分别表示陀螺仪的x、y、z三轴采集到的的实时角增量；
[0028]对更新后的四元数进行归一化得到
[0029]解算出姿态角
[0030]进一步的，基于获取的速度标量和姿态角解算三轴速度矢量具体方法包括：
[0031]基于姿态角求解姿态阵
[0032]基于姿态阵和速度标量求解速度矢量
[0033]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种骑行码表初始姿态自动校准方法。
[0034]一种骑行码表设备，包括：传感器、GPS、处理器及存储器，所述传感器与处理器通过通讯协议信号连接，所述GPS与处理器通过串口信号连接，所述存储器与处理器通过SPI信号连接；
[0035]所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行一种骑行码表初始姿态自动校准方法。
[0036]有益效果：
[0037]1、通过在惯性测量单元静置状态解算得到初始俯仰角和横滚角，再利用GPS反算得到航向和速度后，便可以得到码表初始位置所有的初始状态，无需借助外部API接口或者更多的传感设备，成本低，且能在磁信号的情况下，实现自动对用户骑行初始状态的解算；
[0038]2、利用GPS平均误差较小且成本低，平面单点定位可达到米级的特点，获取经纬度信息转换成平面坐标，从而反算航偏角；
[0039]3、通过对时变步长的窗口进行数据特征提取，动态监测是否执行解算过程，该特征检测为短时域特种功能检测，利用的数据是窗口长度5秒内的时间序列，与传统解算方法相比，用时更短；
[0040]4、通过GPS可以得到绝对位置，而惯导系统可以解算相对位移，利用松组合的方法可以实现基于GPS/IMU的组合导航系统；
[0041]5、实时判断接收到的数据的可用性，自动计算数据是否在系统解算的阈值之内，如果未达到解算阈值，则关闭IMU解算相对位移的线程，只通过GPS进行导航应用，直到数据达到解算要求，才进行初始姿态解算，进而利用GPS和惯性设备的数据，进行融合导航定位。
附图说明
[0042]图1是本专利技术具体实施例中一种骑行码表初始姿态自动校准方法结构示意图；
[0043]图2是本专利技术具体实施例中一种骑行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骑行码表初始姿态自动校准方法，其特征在于，包括：获取GPS测量的经纬度数值以及IMU测量的加速度和角增量数值；将经纬度数值和加速度、角增量数值分别与预设GPS和IMU状态参数相比较，不断解算满足GPS状态为可用或IMU状态为静置时的航偏角速度矢量横滚角θ和俯仰角γ；当GPS状态为可用且IMU状态为静置时，将解算得到的航偏角速度矢量横滚角θ
i
和俯仰角γ
i
作为码表初始姿态输出，完成自动对准。2.根据权利要求1所述的一种骑行码表初始姿态自动校准方法，其特征在于，航偏角的计算方法包括：当GPS状态为可用时，获取经纬坐标并将其转为空间大地坐标，在空间大地坐标内不断滑动窗口，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角。3.根据权利要求2所述的一种骑行码表初始姿态自动校准方法，其特征在于，在空间大地坐标内不断滑动窗口，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角的方法包括：基于转换的空间大地坐标，获取预设窗口范围内连续历元的平面坐标时间序列，基于平面坐标时间序列内相邻两坐标进行航向反算得到方向序列和对应的均方误差，若均方误差小于预设精度阈值，则基于方向序列进行航偏角反算；若均方误差大于预设精度阈值，则预设窗口前进一个步长单位，重新获取新的平面坐标时间序列进行反算。4.根据权利要求2所述的一种骑行码表初始姿态自动校准方法，其特征在于，选取满足精度要求的位置序列反算航偏角的方法包括：获取位置序列z
i
＝{(x,y,z)
k
|k＝i,i+1,...,i+n}，其中，i为位置序列对应的起始时间历元，(x,y,z)对应的坐标系是东北天地理坐标系；将位置序列坐标投影到平面上得到平面坐标集合pos
i
＝{(x,y)
k
|k＝i,i+1,...,i+n}；将平面坐标集合整理得到方程组：基于最小二乘法解算得到[bias k]＝y
T
·
x
·
(x
T
·
x)
‑1，其中，k为东北天地理坐标系下窗口内骑行路径的方向斜率；基于反正切函数求解航偏角5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯茗杨，于鉴，
申请(专利权)人：青岛迈金智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：