Mems陀螺自動(dòng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種MEMS巧螺自動(dòng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystems)技術(shù)的發(fā)展 而產(chǎn)生的MEMS巧螺具有成本低（大批量生成時(shí)）、尺寸小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu) 點(diǎn)。正因?yàn)樵撔﹥?yōu)點(diǎn)，MEMS巧螺被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、游戲設(shè)備、可穿 戴設(shè)備等。但是，MEMS巧螺誤差（主要是零偏和比例因子誤差）存在巨大的逐次上電不穩(wěn) 定性，并可能隨著使用環(huán)境（尤其是溫度）變化而變化。因此，即便是進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定， 還是可能存在明顯的巧螺誤差。由于現(xiàn)有巧螺算法多包含積分環(huán)節(jié)，殘留的巧螺誤差將不 斷積累，從而導(dǎo)致迅速增大的姿態(tài)和位置誤差。
[0003] 因此，若能對(duì)MEMS巧螺誤差進(jìn)行在線標(biāo)定和補(bǔ)償，將大幅提高其定姿、定位性能。 巧螺標(biāo)定算法需要能在后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行，且不依賴于用戶的干預(yù)。該是因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品用戶需 要在不做任何干預(yù)的情況下，因?yàn)榍陕輼?biāo)定而享受到更高精度的定位和定姿結(jié)果。但是，要 達(dá)到該樣的效果非常困難。因?yàn)榻^大多數(shù)的巧螺標(biāo)定算法需要外部設(shè)備或工具來(lái)提供標(biāo)定 用的參考真值。而實(shí)際中，不可能要求電子產(chǎn)品用戶使用?？诘脑O(shè)備或工具來(lái)完成標(biāo)定。
[0004] 傳統(tǒng)的導(dǎo)航算法中常將巧螺誤差作為待估參數(shù)，在定位定姿的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行估 計(jì)。但是，導(dǎo)航算法的首要目的是定位定姿，而不是標(biāo)定巧螺。因此，不論是選用量測(cè)信息， 還是設(shè)定參數(shù)，其原則均是保證極端情況下錯(cuò)誤的巧螺誤差估計(jì)不會(huì)對(duì)定位定姿結(jié)果造成 破壞，而非保證巧螺誤差估計(jì)的精度。所W，傳統(tǒng)導(dǎo)航算法中對(duì)巧螺誤差的估計(jì)效果難W得 到保證。
[0005] 水平巧螺誤差可W由加速度計(jì)量測(cè)信息進(jìn)行較好估計(jì)，但是垂向巧螺誤差則難W 估計(jì)。因此，目前最常用的標(biāo)定消費(fèi)產(chǎn)品中巧螺的方法為；建議用戶將設(shè)備保持靜止，或者 根據(jù)巧螺或加速度計(jì)測(cè)量值判斷設(shè)備為準(zhǔn)靜態(tài)；然后對(duì)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)下巧螺的輸出值求平 均，來(lái)計(jì)算巧螺零偏。該種方法能有效消除巧螺零偏，但是，無(wú)法標(biāo)定巧螺比例因子誤差，同 時(shí)需要用戶人工干預(yù)，影響用戶體驗(yàn)。而且每次使用導(dǎo)航前要求用戶將設(shè)備保持靜態(tài)或準(zhǔn) 靜態(tài)W標(biāo)定巧螺也不現(xiàn)實(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)須用戶干預(yù)、也無(wú)須任何設(shè)備或 工具的MEMS巧螺自動(dòng)標(biāo)定方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0008] MEMS巧螺自動(dòng)標(biāo)定方法，包括步驟；
[0009] 步驟1，基于磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)判斷環(huán)境磁場(chǎng)是否為準(zhǔn)靜態(tài)，并標(biāo)定準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境磁 場(chǎng)：
[0010] 根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)獲得時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度的變 化程度判斷時(shí)段內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)是否為準(zhǔn)靜態(tài)，若為準(zhǔn)靜態(tài)，利用該時(shí)段初始時(shí)刻的磁強(qiáng)計(jì)量 測(cè)數(shù)據(jù)和帶巧螺設(shè)備姿態(tài)標(biāo)定環(huán)境磁場(chǎng)，獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系下環(huán)境磁場(chǎng)參考向量；
[0011] 其中，帶巧螺設(shè)備姿態(tài)根據(jù)加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)數(shù)據(jù)確定；環(huán)境磁場(chǎng)標(biāo)定采 用公式ml! 進(jìn)行，為準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)段的環(huán)境磁場(chǎng)參考向量，準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)段為環(huán)境磁場(chǎng)為 準(zhǔn)靜態(tài)的時(shí)段；All為準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)段初始時(shí)刻的磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)向量；q為設(shè)備坐標(biāo)系向?qū)?航坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方向余弦矩陣，由時(shí)段初始時(shí)刻的帶巧螺設(shè)備姿態(tài)獲得；
[0012] 步驟2,巧螺誤差標(biāo)定：
[0013] 融合（1)基于偽觀測(cè)數(shù)據(jù)有限的約束條件；（2加速度計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)；（3)標(biāo)定后 的磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)；（4)加速度計(jì)與磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)數(shù)據(jù)的叉乘向量；和（5)準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài) 更新數(shù)據(jù)構(gòu)造量測(cè)向量，采用參數(shù)估計(jì)法標(biāo)定巧螺誤差；準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)更新數(shù)據(jù)量測(cè)模型 堿=bg+H5，6：；為準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境磁場(chǎng)下巧螺輸出，bg為巧螺零偏，n5為量測(cè)噪聲；
[0014] 其中，在巧螺誤差標(biāo)定中，帶巧螺設(shè)備的加速度大于預(yù)設(shè)加速度闊值化時(shí)，不 使用加速度計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)；磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)更新數(shù)據(jù)僅在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境磁場(chǎng)下使 用；若同時(shí)使用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)數(shù)據(jù)，則采用緊組合方式。
[0015] 步驟1中，所述的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度為（1)磁強(qiáng)計(jì)=軸輸出中任意兩軸輸出的模、平方 和或絕對(duì)值之和；或（2)磁強(qiáng)計(jì)=軸輸出的模、平方和或絕對(duì)值之和。
[0016] 步驟1中，所述的根據(jù)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化程度判斷時(shí)段內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)是否為準(zhǔn)靜 態(tài)，具體為：
[0017]若時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍小于闊值化mwi、且標(biāo)準(zhǔn)差小于闊值 Thmw2,則該時(shí)段環(huán)境磁場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)；否則，不為準(zhǔn)靜態(tài)；闊值Th"gi和Th 為經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)準(zhǔn) 靜態(tài)環(huán)境磁場(chǎng)下時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理獲得。
[001引所述的闊值Th"gi和闊值化采用如下方法獲得：
[0019] 在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境磁場(chǎng)下獲得時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度，W時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻環(huán)境磁 場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍和標(biāo)準(zhǔn)差分別作為闊值Th"gi和闊值化"g2。
[0020] 步驟2中，偽觀測(cè)數(shù)據(jù)量測(cè)模型為f"-f"=&"+ni，r和f"分別為慣性導(dǎo)航推算 位置和偽位置，偽位置即上一時(shí)刻慣性導(dǎo)航推算位置，5rn為位置誤差，n1為量測(cè)噪聲。
[0021] 所述的量測(cè)噪聲ni采用如下方法獲得；隨機(jī)設(shè)定量測(cè)噪聲n1初始標(biāo)準(zhǔn)差；獲得時(shí) 段內(nèi)帶巧螺設(shè)備位置變化的時(shí)間序列；W時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差為量測(cè)噪聲ni的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0022] 步驟2中，加速度計(jì)的量測(cè)噪聲基于當(dāng)前時(shí)刻帶巧螺設(shè)備的加速度設(shè)定：
[0023] 帶巧螺設(shè)備加速度A《I化。。。山W加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性為量測(cè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差；帶巧 螺設(shè)備加速度I化。。1《A《I化。。1，W(AV巧0。為量測(cè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，P為姿態(tài)誤差協(xié)方 差，0。為加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性；
[0024] 闊值化。。。郝闊值化。。采用如下方法獲得：
[0025] 攜帶帶巧螺設(shè)備分別步行和跑步，采集加速度計(jì)量測(cè)數(shù)據(jù)fb，獲得時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻 對(duì)應(yīng)的加速度A= |norm(fb)-g| ;步行環(huán)境下時(shí)段內(nèi)所有時(shí)刻的加速度A的均方根即闊值 化。。。1，跑步環(huán)境下時(shí)段內(nèi)所有時(shí)刻的加速度A的均方根即闊值化。CC2。
[0026] 步驟2中，準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)更新數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)量測(cè)噪聲ng的標(biāo)準(zhǔn)差為；靜止環(huán)境下時(shí)段內(nèi) 所有時(shí)刻巧螺量測(cè)數(shù)據(jù)的模的均方根。
[0027] 本發(fā)明提出了一種巧螺的自動(dòng)標(biāo)定方法，可在不需任何用戶干預(yù)，也不需要任何 設(shè)備或工具的情況下，完成對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品中低成本MEMS巧螺的標(biāo)定。
[0028] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0029] 1、使用多種量測(cè)信息標(biāo)定巧螺，包括偽觀測(cè)信息、加速度計(jì)量測(cè)信息、磁強(qiáng)計(jì)量測(cè) 信息、加速度計(jì)與磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)信息叉乘向量、準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)更新等，多種量測(cè)信息的使用可 保證巧螺標(biāo)定的精度和可靠性。
[0030] 2、采用緊組合方式使用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)信息，即直接使用加速度計(jì)和磁 強(qiáng)計(jì)的輸出構(gòu)造量測(cè)向量，而非使用由加速度計(jì)量測(cè)信息求得的俯仰角、橫滾角W及由加 速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)信息求得的航向角；該樣可保證本發(fā)明在各種行人動(dòng)作下均適用且 不會(huì)出現(xiàn)俯仰角接近±90°時(shí)的計(jì)算奇異問(wèn)題；同時(shí)，可使磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)完全不依賴加速度 計(jì)信息；此外，還可W保證構(gòu)造的加速度計(jì)與磁強(qiáng)計(jì)的量測(cè)信息叉乘向量的可用性。
[0031] 3、可對(duì)巧螺周?chē)h(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，僅當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)保持準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)使用 磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)信息；同時(shí)，當(dāng)判斷某一時(shí)段內(nèi)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度為準(zhǔn)靜態(tài)后，利用磁強(qiáng)計(jì)量測(cè)信息 標(biāo)定該時(shí)段內(nèi)的環(huán)境磁場(chǎng)。因此，本發(fā)明不需要任何環(huán)境磁場(chǎng)的信息即可利用磁強(qiáng)計(jì)量測(cè) 信息提高巧螺標(biāo)定精度。從而，本發(fā)明可W在周?chē)h(huán)境磁場(chǎng)未知或受到嚴(yán)重磁場(chǎng)干擾的環(huán) 境（如室內(nèi)或高樓林立的地帶）工作。
[0032] 4、根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景（如載體動(dòng)態(tài)和周?chē)h(huán)境），由軟件自適應(yīng)調(diào)整和設(shè)置各量 測(cè)向量的精度；例如利用加速度計(jì)輸出的模來(lái)調(diào)整重力向量量測(cè)精度；利用環(huán)境磁場(chǎng)輸出 的模的穩(wěn)定性來(lái)調(diào)整環(huán)境磁場(chǎng)向量量測(cè)精度等。因此，本發(fā)明可完全自動(dòng)在后臺(tái)完成，不需 要任何人工干預(yù)。
[0033] 5、本發(fā)明數(shù)據(jù)處理即可實(shí)時(shí)進(jìn)行，也可事后處理。若采用卡爾曼濾波、遞推最小二 乘、粒子濾波等參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，則在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，已經(jīng)不斷對(duì)巧螺誤差進(jìn) 行估計(jì)并反