Mems陀螺自动标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及微机电系统技术领域，尤其是一种MEMS巧螺自动标定方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着微机电系统MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystems)技术的发展 而产生的MEMS巧螺具有成本低（大批量生成时）、尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高等优 点。正因为该些优点，MEMS巧螺被广泛应用于消费类电子产品，例如手机、游戏设备、可穿 戴设备等。但是，MEMS巧螺误差（主要是零偏和比例因子误差）存在巨大的逐次上电不稳 定性，并可能随着使用环境（尤其是温度）变化而变化。因此，即便是进行了实验室标定， 还是可能存在明显的巧螺误差。由于现有巧螺算法多包含积分环节，残留的巧螺误差将不 断积累，从而导致迅速增大的姿态和位置误差。
[0003] 因此，若能对MEMS巧螺误差进行在线标定和补偿，将大幅提高其定姿、定位性能。 巧螺标定算法需要能在后台自动进行，且不依赖于用户的干预。该是因为电子产品用户需 要在不做任何干预的情况下，因为巧螺标定而享受到更高精度的定位和定姿结果。但是，要 达到该样的效果非常困难。因为绝大多数的巧螺标定算法需要外部设备或工具来提供标定 用的参考真值。而实际中，不可能要求电子产品用户使用专口的设备或工具来完成标定。
[0004] 传统的导航算法中常将巧螺误差作为待估参数，在定位定姿的同时对其进行估 计。但是，导航算法的首要目的是定位定姿，而不是标定巧螺。因此，不论是选用量测信息， 还是设定参数，其原则均是保证极端情况下错误的巧螺误差估计不会对定位定姿结果造成 破坏，而非保证巧螺误差估计的精度。所W，传统导航算法中对巧螺误差的估计效果难W得 到保证。
[0005] 水平巧螺误差可W由加速度计量测信息进行较好估计，但是垂向巧螺误差则难W 估计。因此，目前最常用的标定消费产品中巧螺的方法为；建议用户将设备保持静止，或者 根据巧螺或加速度计测量值判断设备为准静态；然后对静态或准静态下巧螺的输出值求平 均，来计算巧螺零偏。该种方法能有效消除巧螺零偏，但是，无法标定巧螺比例因子误差，同 时需要用户人工干预，影响用户体验。而且每次使用导航前要求用户将设备保持静态或准 静态W标定巧螺也不现实。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无须用户干预、也无须任何设备或 工具的MEMS巧螺自动标定方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0008] MEMS巧螺自动标定方法，包括步骤；
[0009] 步骤1，基于磁强计量测数据判断环境磁场是否为准静态，并标定准静态环境磁 场：
[0010] 根据磁强计量测数据获得时段内各时刻的环境磁场强度，根据环境磁场强度的变 化程度判断时段内环境磁场是否为准静态，若为准静态，利用该时段初始时刻的磁强计量 测数据和带巧螺设备姿态标定环境磁场，获得导航坐标系下环境磁场参考向量；
[0011] 其中，带巧螺设备姿态根据加速度计和磁强计的量测数据确定；环境磁场标定采 用公式ml! 进行，为准静态时段的环境磁场参考向量，准静态时段为环境磁场为 准静态的时段；All为准静态时段初始时刻的磁强计量测数据向量；q为设备坐标系向导 航坐标系转换的方向余弦矩阵，由时段初始时刻的带巧螺设备姿态获得；
[0012] 步骤2,巧螺误差标定：
[0013] 融合（1)基于伪观测数据有限的约束条件；（2加速度计量测数据；（3)标定后 的磁强计量测数据；（4)加速度计与磁强计的量测数据的叉乘向量；和（5)准静态姿态 更新数据构造量测向量，采用参数估计法标定巧螺误差；准静态姿态更新数据量测模型 碱=bg+H5，6：；为准静态环境磁场下巧螺输出，bg为巧螺零偏，n5为量测噪声；
[0014] 其中，在巧螺误差标定中，带巧螺设备的加速度大于预设加速度阔值化时，不 使用加速度计量测数据；磁强计量测数据和准静态姿态更新数据仅在准静态环境磁场下使 用；若同时使用加速度计和磁强计的量测数据，则采用紧组合方式。
[0015] 步骤1中，所述的环境磁场强度为（1)磁强计=轴输出中任意两轴输出的模、平方 和或绝对值之和；或（2)磁强计=轴输出的模、平方和或绝对值之和。
[0016] 步骤1中，所述的根据环境磁场强度的变化程度判断时段内环境磁场是否为准静 态，具体为：
[0017]若时段内各时刻环境磁场强度的变化范围小于阔值化mwi、且标准差小于阔值 Thmw2,则该时段环境磁场为准静态；否则，不为准静态；阔值Th"gi和Th 为经验值，对准 静态环境磁场下时段内各时刻环境磁场强度进行统计学处理获得。
[001引所述的阔值Th"gi和阔值化采用如下方法获得：
[0019] 在准静态环境磁场下获得时段内各时刻的环境磁场强度，W时段内各时刻环境磁 场强度的变化范围和标准差分别作为阔值Th"gi和阔值化"g2。
[0020] 步骤2中，伪观测数据量测模型为f"-f"=&"+ni，r和f"分别为惯性导航推算 位置和伪位置，伪位置即上一时刻惯性导航推算位置，5rn为位置误差，n1为量测噪声。
[0021] 所述的量测噪声ni采用如下方法获得；随机设定量测噪声n1初始标准差；获得时 段内带巧螺设备位置变化的时间序列；W时间序列标准差为量测噪声ni的标准差。
[0022] 步骤2中，加速度计的量测噪声基于当前时刻带巧螺设备的加速度设定：
[0023] 带巧螺设备加速度A《I化。。。山W加速度计零偏稳定性为量测噪声标准差；带巧 螺设备加速度I化。。1《A《I化。。1，W(AV巧0。为量测噪声标准差，P为姿态误差协方 差，0。为加速度计零偏稳定性；
[0024] 阔值化。。。郝阔值化。。采用如下方法获得：
[0025] 携带带巧螺设备分别步行和跑步，采集加速度计量测数据fb，获得时段内各时刻 对应的加速度A= |norm(fb)-g| ;步行环境下时段内所有时刻的加速度A的均方根即阔值 化。。。1，跑步环境下时段内所有时刻的加速度A的均方根即阔值化。CC2。
[0026] 步骤2中，准静态姿态更新数据对应量测噪声ng的标准差为；静止环境下时段内 所有时刻巧螺量测数据的模的均方根。
[0027] 本发明提出了一种巧螺的自动标定方法，可在不需任何用户干预，也不需要任何 设备或工具的情况下，完成对消费电子产品中低成本MEMS巧螺的标定。
[0028] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0029] 1、使用多种量测信息标定巧螺，包括伪观测信息、加速度计量测信息、磁强计量测 信息、加速度计与磁强计的量测信息叉乘向量、准静态姿态更新等，多种量测信息的使用可 保证巧螺标定的精度和可靠性。
[0030] 2、采用紧组合方式使用加速度计和磁强计的量测信息，即直接使用加速度计和磁 强计的输出构造量测向量，而非使用由加速度计量测信息求得的俯仰角、横滚角W及由加 速度计和磁强计的量测信息求得的航向角；该样可保证本发明在各种行人动作下均适用且 不会出现俯仰角接近±90°时的计算奇异问题；同时，可使磁强计量测完全不依赖加速度 计信息；此外，还可W保证构造的加速度计与磁强计的量测信息叉乘向量的可用性。
[0031] 3、可对巧螺周围环境磁场进行探测，仅当一段时间内环境磁场保持准静态时使用 磁强计量测信息；同时，当判断某一时段内环境磁场强度为准静态后，利用磁强计量测信息 标定该时段内的环境磁场。因此，本发明不需要任何环境磁场的信息即可利用磁强计量测 信息提高巧螺标定精度。从而，本发明可W在周围环境磁场未知或受到严重磁场干扰的环 境（如室内或高楼林立的地带）工作。
[0032] 4、根据实际使用场景（如载体动态和周围环境），由软件自适应调整和设置各量 测向量的精度；例如利用加速度计输出的模来调整重力向量量测精度；利用环境磁场输出 的模的稳定性来调整环境磁场向量量测精度等。因此，本发明可完全自动在后台完成，不需 要任何人工干预。
[0033] 5、本发明数据处理即可实时进行，也可事后处理。若采用卡尔曼滤波、递推最小二 乘、粒子滤波等参数估计方法进行实时处理，则在数据处理过程中，已经不断对巧螺误差进 行估计并反