基于改进阈值小波降噪的MEMS粗对准方法及系统与流程

本发明涉及惯性导航领域，更为具体地，涉及一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统。

背景技术：

姿态初始对准技术是惯性导航及其所应用的组合导航的关键技术，而在一般车载定位系统中粗对准技术因其对准速度快，且精度足以满足车载定位的要求而得到广泛应用。

惯性导航中初始对准的精度对整个系统的导航精度起着至关重要的作用，一旦初始对准误差发散就会导致载体坐标系的原点与实际位置发生严重偏差，使得后续误差积累加快，定位出现偏差。

初始对准通过惯性测量单元陀螺仪和加速度计来获取载体所在位置地球的固有信息，以此来推断出载体在地球表面的位置。众多学者在此基础上进行了深入研究，其中孙伟等人研究的基于小波降噪的mems惯导系统对准方法采用小波降噪对磁力计和加速度计测得的原始数据进行处理后再进行初始对准矩阵的计算，采用磁力计代替传统的陀螺仪可以在现阶段国内陀螺仪精度低，测量误差大且波动较大的情况下用较为稳定且便于测量的地磁信息来代替地球自转角速度信息以计算方向转移矩阵，但是对于惯性测量器件进行小波降噪时采用的是固定阈值，无法兼顾信号的边缘特性以及降低信号振荡两方面的要求，且在计算航向角时计算过程较为复杂，对定位系统的对准速度有一定影响。

因此，为解决上述问题，本发明提供了基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统，以解决现有的mems粗对准系统对准速度慢，误差较大的问题。

本发明提供一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法，包括：

获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；

通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；

根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；

将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。

本发明还提供一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准系统，包括：信号采集模块和数据处理模块，其中，

所述信号采集模块，用于获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；

所述数据处理模块，用于采用改进阈值对获取的传感器实时数据进行小波降噪处理，以及对降噪后的数据进行mems粗对准处理。

从上面的技术方案可知，本发明提供的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统，通过改进阈值小波对测试数据进行处理并采用计算速度和准确度更高的mems粗对准方法，从而实现快速准确的完成惯导系统的粗对准过程，并将其提供给上位机完成姿态跟踪。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准系统逻辑结构示意图；

图3为根据本发明实施例的姿态跟踪俯仰角对比图；

图4为根据本发明实施例的姿态跟踪横滚角对比图；

图5为根据本发明实施例的姿态跟踪航向角对比图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

针对前述提出的现有的mems粗对准系统对准速度慢，误差较大的问题，本发明提供了基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统。

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

为了说明本发明提供的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法，图1示出了根据本发明实施例的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法流程。

如图1所示，本发明提供的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法，包括：

s110：获取传感器实时数据，传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；

s120：通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理；

s130：根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；

s140：将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算。

上述为本发明如何解决对准速度慢、误差较大问题的方法，其中，硬件环境为数据处理模块和3dm-e10a，其中3dm-e10a的参数为静态条件下俯仰角和滚转角的误差范围为±0.1°，航向角的误差范围为±2°，航向角分辨率误差小于0.1°。各传感器的测量范围：加速度计为±2g，速率陀螺仪为±300°/s，磁力计为±1.3gauss。数据处理模块采用dsp28335芯片，cpu主频150mhz，可进行32位浮点数计算。

先查询当地地磁信息，将其存入系统算法中，设本次测试水平磁场强度h0＝0.3,地磁偏角，水平磁偏角为90°。设备启动前先将测量模块放置与载体水平，然后保持通电状态预热30s后开始采集三轴加速度值与三轴磁感应值，同时将数据传输到dsp28335芯片进行初始数据的降噪处理。

其中，降噪过程包括如下步骤：

1)参数设置初始化；

设定小波基函数，分解层数，以及改进小波阈值函数的性能参数；具体地，小波阈值去噪的分解层数设置为4，磁力计小波基选择为：sym6(x轴)，coif4(y轴、z轴)；加速度计小波基选择为：dmey(x轴、y轴)，sym6(z轴)；阈值函数参数的设定为：x轴磁力计为16，y轴磁力计为20，z轴磁力计为20，x轴加速度计为9，y轴加速度计为9，z轴加速度计为16；阈值函数参数统一设置为1。

2)小波分解，分解方程为：

其中，ωj,k为分解后的小波系数，ψj,k为小波系，f为待分解信号，a为尺度参数，b为平移参数，其中，离散的小波系函数ψj,k可写为：

其中，t为小波系函数支撑域，k为调节系数。

3)通过阈值函数对小波系数进行筛选，完成信号去噪；阈值函数为：

其中，k和α为调节系数，且两者恒为正，t为设定的阈值，公式如下：

其中，n为信号长度，σ为噪声标准差，j为分解层数；

4)小波重构，将阈值函数处理后的小波系数还原出有用的信号，小波重构的公式为：

其中，x为降噪处理后的信号，c是一个与信号无关的常数。

在本发明的实施中，在根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵的过程中，1)构建从载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵的计算公式如下：

其中，ψ为航向角，θ为俯仰角，γ为滚转角；

2)构建载体姿态矩阵和导航姿态矩阵，姿态矩阵通过去噪处理后的加速度计和磁力计的输出构建；

其中，导航坐标系下构建的姿态矩阵为：[fⁿfⁿ×mⁿ(fⁿ×mⁿ)×fⁿ]；

载体坐标系下的姿态矩阵为：[f^bf^b×m^b(f^b×m^b)×f^b]；

其中：

3)根据公式：

计算得到航向角ψ，俯仰角θ，滚转角γ，即得到方向转移矩阵

然后将得到的方向转移矩阵输出到姿态跟踪算法中，完成粗对准过程。

与上述方法相对应，本发明还提供一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准系统，图2示出了根据本发明实施例的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准系统逻辑结构。

如图2所示，本发明提供一种基于改进阈值小波降噪的mems粗对准系统，包括：信号采集模块1和数据处理模块2，其中，信号采集模块1，用于获取传感器实时数据，所述传感器实时数据包括加速度计数据和磁强计数据；其中，信号采集模块1包括三轴mems陀螺、三轴mems加速度计、三轴磁阻型磁强计三种类型的传感器，其中，加速度计的测量范围为,非线性，磁力计测量范围为，非线性；

数据处理模块2，用于采用改进阈值对获取的传感器实时数据进行小波降噪处理，以及对降噪后的数据进行mems粗对准处理。

其中，信号采集模块1包括加速度测量单元11和地磁信息测量单元12，其中，加速度测量单元11，用于实时获取加速度计数据；地磁信息测量单元12，用于实时获取磁强计数据。

其中，数据处理模块2包括处理器和通信电路22，其中

处理器，用于通过改进阈值对获取的加速度计数据和磁强计数据进行小波降噪处理，根据降噪处理后的数据获取方向转移矩阵；将获取的方向转移矩阵输出到姿态跟踪系统中用于姿态跟踪计算；

其中处理器为dsp处理器21，包括存储单元211和dsp28335(212)。

通信电路22，用于将计算获得的数据传输至外部设备上，其中，通信电路包括无线通信单元221和rs422单元222。

其中，通信电路包括串口通信单元和无线通信单元两种，串口通信采用rs422与上位机电连接，无线通信采用e3a-dtu-1w进行远距离传输。也就是说，通信电路包括无线通信单元和rs422串口单元，无线通信单元可以实现数据的远距离传输，而rs422串口单元是为了适应于当前列车车载设备标准，便于后期维护和更新。

其中，信号采集模块的惯性测量单元3dm-e10a可以获得测量模块所处位置的加速度信息和磁场信息，惯性测量单元通过数据线连接到数据处理模块上，提供ttl电平的数据输出，用数据处理模块上的ttl转rs232电路转换后再对数据进行处理解算，得到方向转移矩阵，再通过数据处理模块中的通信电路输出到上位机，用于完成姿态追踪。

其中，惯性测量单元包括三轴mems加速度计，三轴mems陀螺仪和三轴磁阻型磁强计等三类传感器组成。

其中，数据处理模块由dsp28335芯片及其外围存储设备构成，dsp8335芯片主要用于数据计算和处理，其外围存储设备用于存储计算结果和输入参数，其可通过dsp28335进行控制。

也就是书，数据处理模块采用dsp28335模块，其中cpu主频150mhz，可进行32位浮点数计算，28335芯片内有256k的flash，34k的sram，8k的bootrom和1k的optrom存储器，上述存储器均为16位存储器。

在本发明的实施例中，测试结果表明改进阈值小波降噪处理能够显著抑制附加的噪声信号，尤其是磁力计的降噪优化效果尤为明显。说明该降噪方法对加速度计降噪有一定的效果，而对磁力计的降噪效果非常显著。表明该滤波方法能够在一定程度上抑制了环境噪声的干扰，减少信号振荡，并又能实时跟踪原始数据的变化情况，确保滤波后结果不失真。

其中，处理完成后将降噪处理过的数据后将其导入姿态角求解矩阵解算得到三个姿态角：航向角，俯仰角，滚转角，以惯导测量平台输出的姿态角为参考值，分别对比传统软阈值小波辅助磁力计间接粗对准方法和改进阈值小波辅助磁力计间接粗对准方法，结果表明采用改进阈值小波去噪后横滚角误差为0.0233度，俯仰角为0.0063度，航向角为0.2320度，均在实验设备的误差范围内，且满足粗对准的精度要求，相较于传统的去噪方法信号振荡得到了很好的抑制。

为了进一步验证对准结果对姿态跟踪效果的优化，将对准姿态阵导入四元数姿态跟踪算法中。将惯性测量单元固定到测试转台上，先让惯导系统启动后进行初始对准，在第8分钟的时候让转台以0.1°每秒的速度绕x轴顺时针旋转，同时绕z轴以0.02°每秒的速度逆时针旋转，记录实验数据并将粗对准中获取的姿态矩阵引入姿态估计中进行数据解算对比，如图3到图5所示。结果表明改进阈值辅助磁力计的组合对准方法优化了传统软阈值小波的磁力计对准算法，使得定位误差大大减小，并且加快数据收敛，缩短对准时间，提高系统反应速度。可以看出在采用改进算法后姿态角与参考数据的误差基本都小于传统方法的误差，且数据偏移量也基本都比传统阈值小波辅助的方法小，可以说明采用改进算法处理后的初始姿态对准结果对于后续姿态跟踪也有一定的优化作用。

通过上述实施方式可以看出，本发明提供的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统，通过改进阈值小波对测试数据进行处理并采用计算速度和准确度更高的mems粗对准方法，从而实现快速准确的完成惯导系统的粗对准过程，并将其提供给上位机完成姿态跟踪。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于改进阈值小波降噪的mems粗对准方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。