别乘W-个远远大于1的加权系 数。基于此，本发明能够适应动、静态环境下的加速度计和巧螺仪的随机噪声处理。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明所述的加速度计和巧螺仪的实时降噪系统结构图；
[0044] 图2是本发明所述的加速度计和巧螺仪的实时降噪方法在惯性测量单元天向轴 从静止到转动到静止的巧螺仪输出滤波前后数据对比图；
[0045] 图3是图2的局部放大图；
[0046] 图4是本发明所述的加速度计和巧螺仪的实时降噪方法在惯性测量单元天向轴 从静止到转动到静止的加速度计输出滤波前后数据对比图；
[0047] 图5是图4的局部放大图；
[0048] 图6是本发明所述的加速度计和巧螺仪的实时降噪方法在单轴摇摆情况下巧螺 仪输出滤波前后数据对比图；
[0049] 图7是图6的局部放大图；
[0050] 图8是本发明所述的加速度计和巧螺仪的实时降噪方法在单轴摇摆情况下加速 度计输出滤波前后数据对比图；
[0化1] 图9是图8的局部放大图。
【具体实施方式】
[0化2] 如图1所示，加速度计和巧螺仪的实时降噪系统，包括；惯性测量单元、信息处理 单元、导航计算机，信息处理单元包括；建立方程模块、迭代计算模块、在线调整模块，惯性 测量单元中加速度计检测载体在载体坐标系中的线加速度信息，巧螺仪检测载体在惯性空 间中的角速度信息，并将加速度计和巧螺仪检测到的模拟信息转换成数字信息传输给信息 处理单元，信息处理单元通过在线调节卡尔曼滤波器参数对检测信息进行处理得到量测信 息，并将其输出至导航计算机；最终由导航计算机利用经过降噪处理的量测信息进行导航 解算并输出导航信息。
[0053] 信息处理单元在线调整卡尔曼滤波器参数的具体步骤为：建立方程模块建立关于 加速度计和巧螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波状态方程和观测方程；迭代计算模块利用残 差X 2检测法对系统的机动变化情况进行实时检测；在线更新模块根据机动情况在线调整 卡尔曼滤波的滤波增益阵K的值和观测噪声方差阵R阵的值，并将调整的结果用于后续迭 代计算。
[0化4] 建立关于加速度计和巧螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波状态方程和观测方程，具 体步骤为：
[0055] 对于加速度计，在加速度的测量过程中，由于加速度计实时测量载体的机动，较难 确定扰动信息和控制信息，因此可W将系统模型中的控制量输入忽略，将扰动信息作为系 统的随机噪声；同时，在一个短暂的采样周期内认为加速度为常值，加速度的变化率为0， 因此，加速度计的状态方程和观测方程可W表示为：
【主权项】
1. 一种加速度计和陀螺仪的实时降噪系统，其特征在于，包括： 惯性测量单元，用于提取加速度计和陀螺仪的量测信息，所述量测信息为被测载体的 线加速度和角速度信息； 信息处理单元，用于对所述量测信息进行卡尔曼滤波并在线调整卡尔曼滤波器参数得 到降噪后的量测信息； 导航计算机，用于利用所述降噪后的量测信息进行导航解算，输出所述被测载体的导 航f目息。
2. 如权利要求1所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪系统，其特征在于，所述信息处 理单元包括： 建立方程模块，用于分别建立关于所述加速度计和陀螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波 状态方程和观测方程； 迭代计算模块，用于进行卡尔曼滤波迭代计算，并根据残差x 2检测法得到检测函数值 y k，并将所述检测函数值y k与预先设定的阈值进行比较得出所述被测载体的机动变化情 况； 在线调整模块，用于根据所述被测载体的机动变化情况调整卡尔曼滤波器的滤波增益 矩阵K的值和观测噪声方差矩阵R的值，并将调整后的值反馈给迭代计算模块。
3. -种加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，包括步骤： 提取加速度计和陀螺仪的量测信息，所述量测信息为被测载体的线加速度和角速度信 息； 对所述量测信息进行卡尔曼滤波并在线调整卡尔曼滤波器参数得到降噪后的量测信 息； 利用所述降噪后的量测信息进行导航解算，输出所述被测载体的导航信息。
4. 如权利要求3所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，所述在线调 整卡尔曼滤波器参数的具体步骤为： 51、 建立关于加速度计和陀螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波状态方程和观测方程； 52、 进行卡尔曼滤波迭代计算，并根据残差x 2检测法得到检测函数值y k，并将所述检 测函数值yk与预先设定的阈值进行比较得出所述被测载体的机动变化情况； 53、 根据所述机动变化情况在线调整卡尔曼滤波器的滤波增益矩阵K的值和观测噪声 方差矩阵R的值。
5. 如权利要求4所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，所述步骤S1 中建立关于加速度计和陀螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波状态方程和观测方程的具体步 骤为： 将扰动信息作为系统随机噪声，且在采样周期内设线加速度的变化率为〇,以所述被测 载体的线速度、线加速度为状态量建立所述加速度计的连续状态方程，以所述被测载体的 线加速度和量测噪声建立所述加速度计的连续观测方程； 将扰动信息作为系统随机噪声，且在采样周期内设角加速度的变化率为〇,以所述被测 载体的角速度、角加速度为状态量建立所述陀螺仪的连续状态方程，以所述被测载体的角 速度和量测噪声建立所述陀螺仪的连续观测方程； 分别对所述加速度计的连续状态方程和连续观测方程，所述陀螺仪的连续状态方程和 连续观测方程进行离散化处理，得到所述加速度计的离散卡尔曼滤波状态方程和观测方程 以及所述陀螺仪的离散卡尔曼滤波状态方程和观测方程。
6. 如权利要求4所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，步骤S2中获 取所述被测载体的机动变化情况的具体步骤为： 将所述检测函数值yk与所述阈值比较，若所述检测函数值y k大于所述阈值，则判决 被所述被测载体处于快速机动变化状态； 若所述检测函数值yk小于阈值，则判决所述被测载体处于机动变化缓慢或匀速运动 或静止的状态。
7. 如权利要求4所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，所述步骤S3 中在线调整卡尔曼滤波器的滤波增益矩阵K的值和观测噪声方差矩阵R的值的具体步骤 为： 设置滤波初始值，包括：加速度计的观测噪声方差阵Ra、过程噪声方差阵Qa、卡尔曼滤 波的估计误差方差阵Pa和系统状态X a，陀螺仪的观测噪声方差阵Rg、过程噪声方差阵Qg、卡 尔曼滤波的估计误差方差阵P g和系统状态X g; 当判决所述被测载体处于快速机动变化状态时，对当前迭代计算中的滤波增益矩阵K 乘以一个大于1的加权系数并保持所述加速度计的观测噪声方差阵&和所述陀螺仪的观 测噪声方差阵&的值不变，将得到的矩阵值用于后续迭代计算； 当判决所述被测载体处于机动变化缓慢或匀速运动或静止状态时，对当前迭代计算中 的所述加速度计的观测噪声方差阵Ra和所述陀螺仪的观测噪声方差阵R 8的值分别乘以一 个远大于1的加权系数且保持滤波增益阵K的值不变，将得到的矩阵值用于后续迭代计算。
8. 如权利要求7所述的加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，其特征在于，所述加速度 计的滤波初始值和所述陀螺仪的滤波初始值分别设置为： Xg= [0 0 0] T，Pg= diag[10 10 10]， Rg= 0? 00001，Qg= diag[3Xl(T8 3X1(T8]， Xa= [0 0 0] T，Pa= diag[10 10 10]， Ra= 0.00001，Qa= diag[5Xl(T4 5XKT4]。
【专利摘要】本发明公开了一种加速度计和陀螺仪的实时降噪系统，包括惯性测量单元、信息处理单元、导航计算机，惯性测量单元提取加速度计和陀螺仪的量测信息并输送给信息处理单元进行实时降噪处理，最后由导航计算机对经过处理的量测信息加以利用输出导航信息。本发明还公开了一种加速度计和陀螺仪的实时降噪方法，通过建立关于加速度计和陀螺仪的单输入单输出卡尔曼滤波状态方程和观测方程，并根据机动情况在线调整卡尔滤波增益阵和观测噪声方差阵实现了利用卡尔曼滤波器的工作特性对加速度计和陀螺仪的量测信息进行降噪处理，有效降低量测随机噪声，通过在线调整滤波参数达到动、静态环境中加速度计和陀螺仪都有很好的量测精度。
【IPC分类】G01C21-16
【公开号】CN104596514
【申请号】CN201510013787
【发明人】徐晓苏, 刘义亭, 刘锡祥, 张涛, 姚逸清, 吴亮, 孙进, 田泽鑫
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月12日