CN111721288B - 一种mems器件零偏修正方法、装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS器件零偏修正方法、装置及存储介质，该方法包括：实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值；根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间；确定所述零速区间是否满足预设的修正条件，根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵；确定所述运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值，根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏。本申请的技术方案，采用实时采样的运动数据测量值确定运动数据理论值，再通过运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值来实时在线修正MEMS器件的零偏，精度高，并且能够避免零偏累积产生的误差，提高行人导航***的定位精度。

Description

一种MEMS器件零偏修正方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及导航与制导技术领域，具体而言，涉及一种MEMS器件零偏修正方法、装置及存储介质。
背景技术
在现代生活中，导航技术已经是很多技术领域不可或缺的一部分，随着人类活动场所越来越复杂和多样化，人们对导航***的便捷性、鲁棒性和精度有了更高的要求。行人导航***(Pedestrian Navigation System，PNS)，又名单兵导航***，是导航领域中一个重要的组成部分，近年来受到越来越多的关注。传统的导航方式如GPS等，在建筑物密集的街道或建筑物内等区域无法提供精确的定位信息，而行人导航***因其可以摆脱卫星信号的约束，被广泛应用于建筑物室内等复杂场景。目前，行人导航***的惯性传感器常采用微机电***(Micro Electro Mechanical System,MEMS)，它具有成本低、体积小、携带方便等优点，但MEMS器件长时间工作时会因为器件零偏产生误差累积，影响行人导航***的定位精度。
修正零偏的传统方法是在器件出厂时利用转台等测试设备进行标定，但是这种方法过程复杂、耗时较长，且无法解决MEMS器件在使用过程中产生零偏的问题。为了减小使用过程中零偏产生的累积误差的影响，提高行人导航***的精度。目前，常采用以下几种修正方法来修正零偏：
一、在器件的静止区间用零速更新，辅助卡尔曼滤波的方法对误差进行修正，但是修正后的精度并不是很高。
二、将两个微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)分别固定在单兵的双脚上，然后利用基于假设检验和极大似然估计的零速检测器，进行零速检测及修正，但工作量很大，且操作复杂。
三、采用弹载捷联惯导简易在线标定方法，利用车体做常规运动下的横滚角和俯仰角对惯导误差的激励作用实现在线标定，但是该方法仅适用于车体等可以控制固定轨迹来进行实验标定的对象，不适用于行人导航。
四、野外标定MEMS器件参数的方法，对导航***的三个轴的位置分别进行摆放，再通过方程标定零偏和标度因数，实现组合导航***的野外在线标定，但在行人导航过程中，器件始终固定在脚上，三轴位置不固定，因此该方法也不适用于行人导航***。
发明内容
本发明解决的问题是如何修正MEMS器件零偏，避免零偏累积产生的误差，提高行人导航***的定位精度。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件零偏修正方法、装置及存储介质。
第一方面，本发明提供了一种MEMS器件零偏修正方法，包括：
步骤100，实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值。
步骤200，根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间。
步骤300，确定所述零速区间是否满足预设的修正条件，若是，则转至步骤400；若否，则返回步骤100。
步骤400，根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵。
步骤500，确定所述运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值，根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏。
第二方面，本发明提供了一种MEMS器件零偏修正装置，包括：
采样模块，用于实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值。
检测模块，用于根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间。
判断模块，用于确定所述零速区间是否满足预设的修正条件。
处理模块，用于根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵。
修正模块，用于确定所述运动数据理论值和运动数据标准值之间的差值，并根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏。
第三方面，本发明提供了一种MEMS器件零偏修正装置，包括存储器和处理器。
所述存储器，用于存储计算机程序。
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的MEMS器件零偏修正方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的MEMS器件零偏修正方法。
本发明的MEMS器件零偏修正方法、装置及存储介质的有益效果是：实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值，运动数据测量值可包括加速度测量值和角速度测量值，根据运动数据测量值确定零速区间，即确定行人静止的时间段，再确定零速区间是否满足预设的修正条件，仅在满足修正条件时，对MEMS器件的零偏进行修正，而在不满足修正条件时，重新采样运动数据测量值。结合运动数据测量值和MEMS器件当前的设备参数确定MEMS器件在零速区间中的运动数据理论值和姿态矩阵，由于行人静止时速度为0，即运动数据标准值固定，就可快速确定运动数据理论值和运动数据标准值之间的差值，结合该差值和姿态矩阵更新零偏。本申请的技术方案中，采用实时采样的运动数据测量值确定运动数据理论值，再通过运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值来实时在线修正MEMS器件的零偏，相较于现有技术中采用零速更新零偏，精度更高，并且实时在线修正MEMS器件的零偏，能够避免零偏累积产生的误差，从而提高行人导航***的定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种MEMS器件零偏修正方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的修正前后沿直线行走时的路径对比图；
图3为本发明实施例的修正前后沿环形路线行走时的路径对比图；
图4为本发明实施例的一种MEMS器件零偏修正装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。本发明实施例中的MEMS器件，使用时安装在用户的脚部。
如图1所示，本发明实施例提供的一种MEMS器件零偏修正方法，包括：
步骤100，实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值。
具体地，每个运动数据测量值均包括加速度测量值和角速度测量值。
步骤200，根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间。
步骤300，确定所述零速区间是否满足预设的修正条件，若是，则转至步骤400；若否，则返回步骤100。
步骤400，根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵。
步骤500，确定所述运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值，根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏。
具体地，零速区间内的运动数据标准值为固定值。
本实施例中，实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值，运动数据测量值可包括加速度测量值和角速度测量值，根据运动数据测量值确定零速区间，即确定行人静止的时间段，再确定零速区间是否满足预设的修正条件，仅在满足修正条件时，对MEMS器件的零偏进行修正，而在不满足修正条件时，重新采样运动数据测量值。结合运动数据测量值和MEMS器件的设备参数确定MEMS器件在零速区间中的运动数据理论值和姿态矩阵，由于行人静止时速度为0，即运动数据标准值固定，就可快速确定运动数据理论值和运动数据标准值之间的差值，结合该差值和姿态矩阵更新零偏。本申请的技术方案中，采用实时采样的运动数据测量值确定运动数据理论值，再通过运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值来实时在线修正MEMS器件的零偏，相较于现有技术中采用零速更新零偏，精度更高，并且实时在线修正MEMS器件的零偏，能够避免零偏累积产生的误差，从而提高行人导航***的定位精度。
优选地，所述MEMS器件包括加速度计，所述步骤100之前，还包括：
获取所述加速度计输出的初始数据，根据所述初始数据确定所述MEMS器件的初始姿态角。
具体地，令初始时刻加速度计三轴输出的初始数据为f0＝[fx fy fz]T，根据初始数据确定初始姿态角，初始姿态角包括初始俯仰角θ0、初始翻滚角γ0和初始航向角Ψ0。
其中，
Figure BDA0002547356960000051
Ψ0可设置为零。
根据所述初始姿态角确定所述MEMS器件的初始姿态矩阵和初始四元数，根据所述初始数据和所述初始姿态矩阵确定所述MEMS器件的初始零偏。
具体地，根据初始俯仰角、初始翻滚角和初始航向角，采用第一公式确定初始姿态矩阵和初始四元数，第一公式包括：
Figure BDA0002547356960000052
其中，
Figure BDA0002547356960000061
为初始姿态矩阵，Q(t0)为初始四元数，[q0q1 q2 q3]T为初始四元数的四个系数。初始时刻，MEMS器件未运动，始终处于零速状态，因此可将初始数据减去对应的运动数据标准值，再将差值和初始姿态矩阵代入下文中的第四公式，确定MEMS器件的初始零偏。
本优选的实施例中，初始时刻为用户开始走动前，可为安装之前，此时确定MEMS器件的初始零偏，预先对MEMS器件进行离线标定，对MEMS器件进行初步修正，能够减小初始误差。并且初始四元数和初始零偏用作后续迭代修正的初始值，在初始零偏的基础上，实时修正MEMS器件的零偏。
优选地，令所有所述运动数据测量值按采样时刻的先后顺序排列组成的序列为测量值序列，所述实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值的步骤之后，还包括：
对所述测量值序列进行单边Z变换，获得测量值变换序列。
采用巴特沃斯低通滤波器对所述测量值变换序列进行滤波，获得测量值滤波序列，所述巴特沃斯低通滤波器由第二公式表示，第二公式包括：
Figure BDA0002547356960000062
其中，Input(z)为所述测量值变换序列，Output(z)为所述测量值滤波序列，z为预设参数。
具体地，可采用截止频率为100Hz的3阶巴特沃斯低通滤波器。
对所述测量值滤波序列依次进行Z变换的逆变换和中值滤波，获得测量值预处理序列。
具体地，令经过Z变换的逆变换后的序列为逆变换序列，中值滤波为采用中值滤波窗口依次截取逆变换序列，对中值滤波窗口中的数据进行排序，使用排序后的所有数据中的中值替换中值滤波窗口中心采样时刻的运动数据测量值。
本优选的实施例中，对运动数据测量值依次进行巴特沃斯低通滤波和中值滤波，能够过滤掉噪声数据，使测量值序列中的数据更平滑。
优选地，所述测量值预处理序列包括多个预处理运动数据，每个所述预处理运动数据均包括加速度预处理值和角速度预处理值，所述步骤200包括：
步骤210，采用窗宽为标定长度的窗口滑动截取所述测量值预处理序列，令最新的所述窗口为当前窗口，令所述当前窗口的中心点对应的采样时刻为当前采样时刻tk，提取所述当前窗口内的所有所述加速度预处理值和所述角速度预处理值，根据提取的所有所述加速度预处理值分别确定加速度均值和加速度方差，并根据提取的所有所述角速度预处理值分别确定角速度均值和角速度方差。
具体地，令每个窗口中的预处理运动数据的数量为奇数，便于确定窗口中心点，令当前窗口对应的加速度均值、加速度方差、角速度均值和角速度方差为tk时刻的加速度均值、加速度方法、角速度均值和角速度方差。采用第三公式分别确定窗口的加速度均值、加速度方差、角速度均值和角速度方差，第三公式包括：
Figure BDA0002547356960000071
其中，L为窗口的窗宽，S为半窗口长度，即L＝2S+1，
Figure BDA0002547356960000072
为机体坐标系下tk时刻的加速度均值，
Figure BDA0002547356960000073
为机体坐标系下tk时刻的加速度方差，
Figure BDA0002547356960000074
为机体坐标系下tk时刻的角速度均值，
Figure BDA0002547356960000075
为机体坐标系下tk时刻的角速度方差，k表示tk时刻，
Figure BDA0002547356960000076
表示i时刻的加速度预处理值的x轴分量，
Figure BDA0002547356960000077
表示i时刻的加速度预处理值的y轴分量，
Figure BDA0002547356960000078
表示i时刻的加速度预处理值的z轴分量，
Figure BDA0002547356960000079
表示j时刻的加速度预处理值的三轴合成数值，可由加速度预处理值的三轴分量计算得到，
Figure BDA00025473569600000710
表示i时刻的角速度预处理值的x轴分量，
Figure BDA00025473569600000711
表示i时刻的角速度预处理值的y轴分量，
Figure BDA00025473569600000712
表示i时刻的角速度预处理值的z轴分量，
Figure BDA00025473569600000713
表示j时刻的角速度预处理值的三轴合成数值，可由角速度预处理值的三轴分量计算得到。
需要说明的是，MEMS器件在安装前经过了标定，用户在行走过程的前面部分阶段中，不会迅速累计零偏误差，因此测量值预处理序列对应的前S个采样时刻可以不做零偏修正。
步骤211，确定所述加速度均值、所述加速度方差、所述角速度均值和所述角速度方差是否分别在对应的预设阈值范围内，若是，则所述MEMS器件在所述当前采样时刻tk处于零速状态，转至步骤212；若否，则根据所述当前采样时刻tk的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100。
具体地，令加速度均值对应的预设阈值范围为第一阈值范围，加速度方差对应的预设阈值范围为第二阈值范围，角速度均值对应的预设阈值范围为第三阈值范围，角速度方差对应的预设阈值范围为第四阈值范围，当加速度均值在第一阈值范围内，且加速度方差在第二阈值范围内，且角速度均值在第三阈值范围内，且角速度方差在第四阈值范围内时，MEMS器件在tk时刻处于零速状态。否则，MEMS器件在tk时刻不处于零速状态。
步骤212，令所述MEMS器件处于零速状态时对应的采样时刻为零速时刻，确定所述测量值预处理序列中连续的所述零速时刻，连续的所述零速时刻组成的区间为零速区间，连续的所述零速时刻的个数为所述零速区间的区间长度。
具体地，若连续的两个采样时刻均为零速时刻，则认为在该连续的两个采样时刻之间的时间段中，MEMS器件始终处于零速状态，行人的脚部在该时间段中静止，该时间段为零速区间。
本优选的实施例中，以当前窗口内所有运动数据的均值为当前采样时刻tk的运动数据，例如加速度均值为当前采样时刻tk的加速度，能够避免测量等带来的误差。先确定MEMS器件处于零速状态时的零速时刻，再根据零速时刻确定零速区间，适应性强，简单快速。
优选地，所述步骤300包括：
确定所述区间长度是否大于预设阈值，若是，则转至步骤400；若否，则根据所述当前采样时刻tk的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100。
具体地，只在零速区间足够长，即行人脚步静止时间足够长时，修正零偏。
优选地，所述MEMS器件包括加速度计和陀螺仪，当前的所述设备参数包括当前的加速度计估计误差、当前的陀螺仪估计误差和当前的姿态角估计误差，所述MEMS器件的零偏包括加速度计零偏和陀螺仪零偏，所述运动数据理论值包括机体坐标系下的加速度理论值和角速度理论值，所述步骤400包括：
对于任一所述零速时刻，根据所述零速时刻的所述加速度预处理值和当前的加速度计估计误差确定加速度滤波值，并根据所述零速时刻的所述角速度预处理值和当前的陀螺仪估计误差确定角速度滤波值。
具体地，加速度预处理值和角速度预处理值分别为预处理后的加速度测量值和角速度测量值，加速度预处理值减去当前的加速度计估计误差，得到加速度滤波值，加速度计估计误差为估计的加速度计设备误差。同样地，角速度预处理值减去当前的陀螺仪估计误差，得到角速度滤波值，陀螺仪估计误差为估计的陀螺仪设备误差。
根据所述加速度滤波值和当前的所述加速度计零偏确定所述零速时刻的所述加速度理论值，根据所述角速度滤波值和当前的所述陀螺仪零偏确定所述零速时刻的所述角速度理论值。
具体地，将加速度滤波值和当前的加速度计零偏代入下文中的第五公式，就可确定该零速时刻的加速度理论值，将角速度滤波值和当前的陀螺仪零偏带入下文中的第五公式，就可确定该零速时刻的角速度理论值。然后将角速度理论值和当前的四元数代入到下文中的第六公式，就可确定该零速时刻的姿态矩阵。
结合所述角速度理论值和四元数微分方程更新当前四元数，获得预处理后的四元数，根据所述预处理后的四元数进行解算，获得当前姿态角，根据所述当前姿态角和当前的所述姿态角估计误差确定姿态角滤波值，并根据所述姿态角滤波值确定更新后的四元数，根据所述更新后的四元数确定所述MEMS器件的姿态矩阵。
具体地，确定更新后的四元数的方法可参见下文中在当前采样时刻确定更新后的四元数的方法。
优选地，所述运动数据标准值包括加速度标准值和角速度标准值，所述步骤500包括：
对于任一所述零速时刻，确定所述加速度理论值和所述加速度标准值之间的加速度差值，并确定所述角速度理论值和所述角速度标准值之间的角速度差值。
根据各个所述零速时刻的所述加速度差值、所述角速度差值和所述姿态矩阵，采用第四公式更新所述加速度计零偏和所述陀螺仪零偏，所述第四公式包括：
Figure BDA0002547356960000101
其中，fbias为更新后的所述加速度计零偏，[fbias-x fbias-y fbias-z]T为加速度计的三轴零偏矢量，ωbias为更新后的所述陀螺仪零偏，[ωbias-xωbias-yωbias-z]T为陀螺仪的三轴零偏矢量，S为所述区间长度，fg为当地的重力加速度，ti为所述零速区间中的任一所述零速时刻，
Figure BDA0002547356960000102
为ti时刻的所述姿态矩阵，
Figure BDA0002547356960000103
为ts时刻的所述姿态矩阵，[fix fiy fiz]T为ti时刻的所述加速度理论值，[ωix ωiy ωiz]T为ti时刻的所述角速度理论值。
具体地，理论上，当处于零速区间时，加速度计的三轴输出中，仅有Z轴分量为fg，另两个分量为0，即在零速区间内加速度标准值为[0 0 fg]T。且处于零速区间时，陀螺仪的三轴输出中三个分量均为0，即零速区间角速度标准值为[0 0 0]T。分别计算零速区间内各个零速时刻加速度理论值与加速度标准值之差，和角速度理论值与角速度标准值之差，再计算各个零速时刻对应的所有加速度差值的均值和所有角速度差值的均值。将加速度计零偏更新为所有加速度差值的均值，将陀螺仪零偏更新为所有角速度差值的均值。
MEMS器件固定到行人脚部，行人开始运动后，实时采样运动数据测量值，根据采样的运动数据测量值和预先标定的初始四元数和初始零偏，迭代修正MEMS器件的零偏，避免零偏累积产生误差。
本优选的实施例中，采用运动数据理论值与运动数据标准值之差来更新零偏，例如采用加速度理论值和加速度标准值之差来更新加速度计零偏，相比于现有技术中在静止区间采用零速来更新零偏，采用差值进行更新精度更高，并且修正过程简单，工作量小。
优选地，在所述采用第四公式更新所述加速度计的零偏和所述陀螺仪的零偏之后，还包括根据所述当前采样时刻tk的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100。
所述根据所述当前采样时刻tk的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算包括：
根据所述当前采样时刻tk对应的所述加速度预处理值和当前的加速度计零偏确定所述当前采样时刻tk的所述加速度理论值，并根据当前采样时刻tk的所述角速度预处理值和当前的所述陀螺仪零偏确定所述当前采样时刻tk的所述角速度理论值。
具体地，采用第五公式确定加速度理论值和角速度理论值，所述第五公式包括：
Figure BDA0002547356960000111
其中，
Figure BDA0002547356960000121
为tk时刻的加速度理论值，
Figure BDA0002547356960000122
为tk时刻的角速度理论值，[fx(tk) fy(tk) fz(tk)]T为tk时刻的加速度预处理值，[ωx(tk) ωy(tk) ωz(tk)]T为tk时刻的角速度预处理值，[fbias-x fbias-yfbias-z]T为所述加速度计的三轴零偏矢量，[ωbias-x ωbias-y ωbias-z]T为所述陀螺仪的三轴零偏矢量。
Figure BDA0002547356960000123
为加速度计的刻度因数和非正交系数构成的第一系数矩阵，
Figure BDA0002547356960000124
为陀螺仪的刻度因数和非正交系数构成的第二系数矩阵。
结合所述角速度理论值和四元数微分方程更新当前四元数，获得预处理后的四元数，根据所述预处理后的四元数进行解算，获得当前姿态角，根据所述当前姿态角和当前的所述姿态角估计误差确定姿态角滤波值，并根据所述姿态角滤波值确定更新后的四元数，根据所述更新后的四元数确定所述MEMS器件的姿态矩阵。
具体地，将角速度理论值代入四元数微分方程，根据第六公式确定预处理后的四元数，第六公式包括：
Figure BDA0002547356960000125
其中，
Figure BDA0002547356960000126
为所述角速度理论值，[q0(tk-1) q1(tk-1) q2(tk-1) q3(tk-1)]T为当前四元数的四个系数，
Figure BDA0002547356960000127
为预处理后的四元数的四个系数的微分值，对微分值进行积分，就可得到预处理后的四元数。根据预处理后的四元数就可得到当前姿态角，通过四元数计算得到姿态角的方法为现有技术，在此不再赘述。当前姿态角减去姿态角估计误差，就可得到姿态角滤波值，根据姿态角滤波值就可确定更新后的四元数，例如：将姿态角滤波值代入第一公式，就可得到更新后的四元数。
根据更新后的四元数，采用第七公式确定tk时刻的姿态矩阵，第七公式包括：
Figure BDA0002547356960000131
其中，
Figure BDA0002547356960000132
为tk时刻的姿态矩阵，[q0(tk) q1(tk) q2(tk) q3(tk)]T为更新后的四元数的四个系数。
根据所述姿态矩阵、所述加速度理论值和所述角速度理论值进行解算，获得导航坐标系下的导航加速度值和导航角速度值。
具体地，采用第八公式确定导航加速度值和导航加速度值，所述第八公式包括：
Figure BDA0002547356960000133
其中，
Figure BDA0002547356960000134
为tk时刻MEMS器件在导航坐标系下的导航加速度值，
Figure BDA0002547356960000135
为tk时刻MEMS器件在导航坐标系下的导航角速度值，
Figure BDA0002547356960000136
为tk时刻的加速度理论值，
Figure BDA0002547356960000137
为tk时刻的角速度理论值，
Figure BDA0002547356960000138
为tk时刻的姿态矩阵。
优选地，所述根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数包括：
根据所述当前采样时刻tk的所述导航角速度值确定所述当前采样时刻tk的导航姿态角，并根据所述导航加速度值、导航角速度值和所述导航姿态角确定卡尔曼滤波状态，所述卡尔曼滤波状态包括加速度计估计误差、陀螺仪估计误差和姿态角估计误差。
具体地，基于上文中确定当前姿态角的方法，根据导航角速度值确定导航姿态角，根据角速度标准值确定姿态角标准值，令导航加速度值与加速度标准值之差为加速度计估计误差，导航角速度值与角速度标准值之差为陀螺仪估计误差，导航姿态角与姿态角标准值之差为姿态角估计误差，即卡尔曼滤波状态包括设备参数。
确定所述当前采样时刻tk是否为零速时刻，若否，则输出所述卡尔曼滤波状态；若是，则令所述导航加速度值和所述导航角速度值为卡尔曼滤波的测量值，对所述卡尔曼滤波状态进行更新。
具体地，当前采样时刻tk不是零速时刻时，保存并输出卡尔曼滤波状态，此时仅更新卡尔曼滤波器的参数，例如卡尔曼滤波器的一步预测协方差矩阵等。当前采样时刻tk是零速时刻时，确定观测矩阵，采用第九公式确定卡尔曼滤波增益，第九公式为：
Figure BDA0002547356960000141
其中，Kk为卡尔曼滤波增益，Rk为观测方程方差矩阵，Pk|k-1为一步预测协方差矩阵，Hk为tk时刻***的观测矩阵。
将导航加速度值和导航角速度值为tk时刻的测量值，采用第十公式对卡尔曼滤波状态进行估计，第十公式为：
Figure BDA0002547356960000142
其中，
Figure BDA0002547356960000143
为tk时刻的状态估计值，
Figure BDA0002547356960000144
为状态
Figure BDA0002547356960000145
的一步预测，是算法根据前次迭代结果做出的不可靠估计，Zk为tk时刻的测量值，Hk是tk时刻***的观测矩阵，Kk为卡尔曼滤波增益。
需要说明的是，卡尔曼滤波算法为现有技术，卡尔曼滤波的其它具体流程在此不再赘述。
本优选的实施例中，采用卡尔曼滤波算法实时修正设备参数，能够下一次修正零偏时的精度，并且卡尔曼滤波能够抑制高斯噪声，减小误差。
下面分别以沿直线行走和沿环形路线行走为例，对本发明实施例的一种MEMS器件零偏修正方法做进一步的说明。
本示例中采用型号为MTi-G-710的MEMS器件，该MEMS器件包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和磁力计，加速度计量程为±50m/s2，零偏稳定性40μg，零偏重复性0.03m/s2，陀螺仪量程为±450°/s，零偏稳定性10°/h，零偏重复性0.2°/s，采样频率为100Hz，将该MEMS器件固定在实验者的脚面上。
沿直线行走时，实验者进行40m路程的直线行走，开始在原地静止3秒，然后沿直线行走到26m处时暂停5秒，再沿直线行走，完成路程。如图2所示的虚线所示，在采用本发明的MEMS器件零偏修正方法进行在线修正前，行走完上述路程，MEMS定位得到的路径明显偏离原定的直线路线，而进行在线修正后，如图2的实线所示，行走完上述路程，MEMS器件定位得到的路径相较于原定的直线路线没有大幅的偏移。
沿足球场的环形跑道行走300m的路程，开始时再原地静止3秒，然后沿着环形跑道行走，每前进60m暂停5秒，直至完成路程。如图3的虚线所示所示，在采用本发明的MEMS器件零偏修正方法进行在线修正前，行走完上述路程，MEMS定位得到的路径明显偏离原定的环形路线，而进行在线修正后，如图3的实线所示，行走完上述路程，MEMS器件定位得到的路径相较于原定的环形路线没有大幅的偏移。
经过对比实验，得到如表一所示的实验结果对照表。
表一实验结果对照表
Figure BDA0002547356960000151
根据表1中的结果可知，采用本发明的MEMS器件零偏修正方法后，直线实验的误差从11.08％降低到了2.01％；环形实验的误差从14.79％降低到了1.65％，行人导航***的定位精度和长时间导航精度有了很大提升。
如图4所示，本发明实施例提供的一种MEMS器件零偏修正装置，包括：
采样模块，用于实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值。
检测模块，用于根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间。
判断模块，用于确定所述零速区间是否满足预设的修正条件。
处理模块，用于根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵。
修正模块，用于确定所述运动数据理论值和运动数据标准值之间的差值，并根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏。
本发明另一实施例提供的一种MEMS器件零偏修正装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的MEMS器件零偏修正方法。该装置可为工控机和服务器等。
本发明再一实施例提供的一种计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的MEMS器件零偏修正方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。在本申请中，所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，包括：
步骤100，实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值；
步骤200，根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间；
步骤300，确定所述零速区间是否满足预设的修正条件，若是，则转至步骤400；若否，则返回步骤100；
步骤400，根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵；
步骤500，确定所述运动数据理论值与运动数据标准值之间的差值，根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏；
其中，令所有所述运动数据测量值按采样时刻的先后顺序排列组成的序列为测量值序列，对所述测量值序列进行预处理，获得测量值预处理序列；所述测量值预处理序列包括多个预处理运动数据，每个所述预处理运动数据均包括加速度预处理值和角速度预处理值，所述步骤200包括：
步骤210，采用窗宽为标定长度的窗口滑动截取所述测量值预处理序列，令最新的所述窗口为当前窗口，令所述当前窗口的中心点对应的采样时刻为当前采样时刻，提取所述当前窗口内的所有所述加速度预处理值和所述角速度预处理值，根据提取的所有所述加速度预处理值分别确定加速度均值和加速度方差，并根据提取的所有所述角速度预处理值分别确定角速度均值和角速度方差；
步骤211，确定所述加速度均值、所述加速度方差、所述角速度均值和所述角速度方差是否分别在对应的预设阈值范围内，若是，则所述MEMS器件在所述当前采样时刻处于零速状态，转至步骤212；若否，则根据所述当前采样时刻的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100；
步骤212，令所述MEMS器件处于零速状态时对应的采样时刻为零速时刻，确定所述测量值预处理序列中连续的所述零速时刻，连续的所述零速时刻组成的区间为零速区间，连续的所述零速时刻的个数为所述零速区间的区间长度。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述MEMS器件包括加速度计，所述步骤100之前，还包括：
获取所述加速度计输出的初始数据，根据所述初始数据确定所述MEMS器件的初始姿态角；
根据所述初始姿态角确定所述MEMS器件的初始姿态矩阵，并根据所述初始数据和所述初始姿态矩阵确定所述MEMS器件的初始零偏。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值的步骤之后，还包括：
对所述测量值序列进行单边Z变换，获得测量值变换序列；
采用巴特沃斯低通滤波器对所述测量值变换序列进行滤波，获得测量值滤波序列；
对所述测量值滤波序列依次进行Z变换的逆变换和中值滤波，获得测量值预处理序列。
4.根据权利要求3所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述步骤300包括：
确定所述区间长度是否大于预设阈值，若是，则转至步骤400；若否，则根据所述当前采样时刻的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述MEMS器件包括加速度计和陀螺仪，当前的所述设备参数包括当前的加速度计估计误差、当前的陀螺仪估计误差和当前的姿态角估计误差，所述MEMS器件的零偏包括加速度计零偏和陀螺仪零偏，所述运动数据理论值包括机体坐标系下的加速度理论值和角速度理论值，所述步骤400包括：
对于任一所述零速时刻，根据所述零速时刻的所述加速度预处理值和当前的所述加速度计估计误差确定加速度滤波值，并根据所述零速时刻的所述角速度预处理值和当前的所述陀螺仪估计误差确定角速度滤波值；
根据所述加速度滤波值和当前的所述加速度计零偏确定所述零速时刻的所述加速度理论值，并根据所述角速度滤波值和当前的所述陀螺仪零偏确定所述零速时刻所述角速度理论值；
结合所述角速度理论值和四元数微分方程更新当前四元数，获得预处理后的四元数，根据所述预处理后的四元数进行解算，获得当前姿态角，根据所述当前姿态角和当前的所述姿态角估计误差确定姿态角滤波值，并根据所述姿态角滤波值确定更新后的四元数，根据所述更新后的四元数确定所述MEMS器件的姿态矩阵。
6.根据权利要求5所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述运动数据标准值包括加速度标准值和角速度标准值，所述步骤500包括：
确定所述零速时刻的所述加速度理论值和所述加速度标准值之间的加速度差值，并确定所述零速时刻的所述角速度理论值和所述角速度标准值之间的角速度差值；
根据各个所述零速时刻的所述加速度差值、所述角速度差值和所述姿态矩阵，采用第四公式更新所述加速度计零偏和所述陀螺仪零偏，所述第四公式包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 649772DEST_PATH_IMAGE002
为更新后的所述加速度计零偏，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为更新后的所述陀螺仪零偏，
Figure 586767DEST_PATH_IMAGE004
为所述区间长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为所述加速度标准值，
Figure 716397DEST_PATH_IMAGE006
为所述角速度标准值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为所述零速区间中的任一所述零速时刻，
Figure 61927DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
时刻的所述姿态矩阵，
Figure 290914DEST_PATH_IMAGE010
为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
时刻的所述姿态矩阵，
Figure 354685DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 288006DEST_PATH_IMAGE009
时刻的所述加速度理论值，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为
Figure 612677DEST_PATH_IMAGE014
时刻的所述角速度理论值。
7.根据权利要求6所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，在所述采用第四公式更新所述加速度计的零偏和所述陀螺仪的零偏之后，还包括根据所述当前采样时刻的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100；
所述根据所述当前采样时刻的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算包括：
根据所述当前采样时刻对应的所述加速度预处理值和当前的加速度计零偏确定所述当前采样时刻的所述加速度理论值，并根据当前采样时刻的所述角速度预处理值和当前的所述陀螺仪零偏确定所述当前采样时刻的所述角速度理论值；
结合所述角速度理论值和四元数微分方程更新所述当前四元数获得预处理后的四元数，对所述预处理后的四元数进行解算，获得当前姿态角，根据所述当前姿态角和当前的所述姿态角估计误差确定姿态角滤波值，根据所述姿态角滤波值确定更新后的四元数，根据所述更新后的四元数确定所述MEMS器件的姿态矩阵；
根据所述姿态矩阵、所述加速度理论值和所述角速度理论值进行解算，获得导航坐标系下的导航加速度值和导航角速度值。
8.根据权利要求7所述的MEMS器件零偏修正方法，其特征在于，所述根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数包括：
根据所述当前采样时刻的所述导航角速度值确定所述当前采样时刻的导航姿态角，并根据所述导航加速度值、导航角速度值和所述导航姿态角确定卡尔曼滤波状态，所述卡尔曼滤波状态包括所述加速度计估计误差、所述陀螺仪估计误差和所述姿态角估计误差；
确定所述当前采样时刻是否为零速时刻，若否，则输出所述卡尔曼滤波状态；若是，则令所述导航加速度值和所述导航角速度值为卡尔曼滤波的测量值，对所述卡尔曼滤波状态进行更新。
9.一种MEMS器件零偏修正装置，其特征在于，包括：
采样模块，用于实时采样MEMS器件测量的运动数据测量值；
检测模块，用于根据采样的所有所述运动数据测量值确定零速区间；
判断模块，用于确定所述零速区间是否满足预设的修正条件；
处理模块，用于根据所述MEMS器件当前的设备参数和所述运动数据测量值确定所述MEMS器件的运动数据理论值和姿态矩阵；
修正模块，用于确定所述运动数据理论值和运动数据标准值之间的差值，并根据所述差值和所述姿态矩阵修正所述MEMS器件的零偏；
其中，令所有所述运动数据测量值按采样时刻的先后顺序排列组成的序列为测量值序列，对所述测量值序列进行预处理，获得测量值预处理序列；所述测量值预处理序列包括多个预处理运动数据，每个所述预处理运动数据均包括加速度预处理值和角速度预处理值，所述检测模块具体用于执行步骤200，所述步骤200包括：
步骤210，采用窗宽为标定长度的窗口滑动截取所述测量值预处理序列，令最新的所述窗口为当前窗口，令所述当前窗口的中心点对应的采样时刻为当前采样时刻，提取所述当前窗口内的所有所述加速度预处理值和所述角速度预处理值，根据提取的所有所述加速度预处理值分别确定加速度均值和加速度方差，并根据提取的所有所述角速度预处理值分别确定角速度均值和角速度方差；
步骤211，确定所述加速度均值、所述加速度方差、所述角速度均值和所述角速度方差是否分别在对应的预设阈值范围内，若是，则所述MEMS器件在所述当前采样时刻处于零速状态，转至步骤212；若否，则根据所述当前采样时刻的所述加速度预处理值和所述角速度预处理值进行导航解算，并根据导航解算结果进行卡尔曼滤波，更新所述设备参数，返回步骤100；
步骤212，令所述MEMS器件处于零速状态时对应的采样时刻为零速时刻，确定所述测量值预处理序列中连续的所述零速时刻，连续的所述零速时刻组成的区间为零速区间，连续的所述零速时刻的个数为所述零速区间的区间长度。
10.一种MEMS器件零偏修正装置，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至8任一项所述的MEMS器件零偏修正方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的MEMS器件零偏修正方法。
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