一种加速度的校正方法及装置与流程
本申请涉及车辆航迹推算技术领域，尤其涉及一种加速度的校正方法及装置。
背景技术：
在车辆航迹推算(deadreckoning，简称dr)技术领域中，为了提升车辆在立体道路(例如高架桥)上的地图匹配准确性，通常需要对车辆姿态信息进行测量，其中，车辆姿态信息可以包括俯仰角、横滚角和航向角中的任意一种或多种。
现有技术有利用单轴加速度计和车速估计车辆俯仰角的方案，如图1所示：车辆101处于上坡过程。此时车辆101上的加速度计102水平方向上的加速度a等于重力加速度g在加速度计102的水平方向的分量a1。通过重力加速度g和分量值a1，根据反三角函数，可以确定加速度计102与地面的夹角β，用β减去加速度计102的安装角α即可得到车辆行驶的坡度角φ。
在实现现有技术的过程中，发明人发现车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
技术实现要素：
本申请的实施例提供一种加速度的校正方法及装置，以解决现有技术中车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种加速度的校正方法，包括：
获得加速度计当前时刻输出的三轴加速度和陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度；
获得搭载所述陀螺仪和所述加速度计的设备当前时刻的速度和平均速度；
根据所述平均速度，确定当前时刻运动方向的加速度；
根据所述三轴旋转角速度和速度，确定当前时刻的向心加速度；
用所述三轴加速度减去所述运动方向的加速度和向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。
一种加速度的校正装置，包括：
加速度及角速度数据获取单元，用于获得加速度计当前时刻输出的三轴加速度和陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度；
速度数据获取单元，用于获得搭载所述陀螺仪和所述加速度计的设备当前时刻的速度和平均速度；
运动方向加速度确定单元，用于根据所述平均速度，确定当前时刻所述设备运动方向的加速度；
向心加速度确定单元，用于根据所述三轴旋转角速度和速度，确定当前时刻所述设备的向心加速度；
三轴加速度数据校正单元，用于用所述三轴加速度减去所述运动方向的加速度和向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。
本申请实施例提供的一种加速度的校正方法及装置，能够根据陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度以及设备当前时刻的速度确定当前时刻的向心加速度，并根据加速度计当前时刻输出的三轴加速度减去设备运动方向的加速度和当前时刻的向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。可见，校正后的三轴加速度数据是经过将陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度和加速度计当前时刻输出的三轴加速度进行融合处理得到的，实现了三轴加速度的校正，而并非仅采用加速度计输出的三轴加速度，可以避免现有技术中车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中车辆在上坡时的场景示意图；
图2为本申请实施例中的对加速度进行校正，并测量车辆姿态的场景示意图；
图3为本申请实施例提供的一种加速度的校正方法的流程图一；
图4为本申请实施例提供的一种加速度的校正方法的流程图二；
图5为本申请实施例中的采用ahrs互补滤波算法进行姿态解算的流程图；
图6为本申请实施例提供的一种加速度的校正装置的结构示意图一；
图7为本申请实施例提供的一种加速度的校正装置的结构示意图二。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了使本领域的技术人员更好的了解本申请，如图2所示，提供了本申请实施例对加速度进行校正，并测量车辆姿态的场景，在图2中，车辆21(可以是载客汽车，也可以是其他形式的车辆)在行驶在立体平行道路上(图2中以立交桥22为例)，由于立交桥22的路况复杂，使得对车辆姿态结算的精度要求提高，由于车辆21搭载有加速度计23和陀螺仪24，可通过加速度计23来感测车辆的三轴加速度数据，通过陀螺仪24来感测车辆的三轴旋转角速度数据，而加速度计23和陀螺仪24可以与车辆的行车计算机25之间进行数据通信，以向行车计算机分别传送三轴加速度数据和三轴旋转角速度数据(当然，也可以通过网络传输至其他与车辆分离的后台计算设备上)，由行车计算机25完成车辆的加速度的校正。另外，本申请实施例不仅可以通过行车计算机来执行，还可以通过搭载了加速度计和陀螺仪的智能手机来执行，本申请不做任何限制。
如图3所示，本申请实施例提供一种加速度的校正方法，包括：
步骤201、获得加速度计当前时刻输出的三轴加速度和陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度。
步骤202、获得搭载所述陀螺仪和所述加速度计的设备当前时刻的速度和平均速度。
步骤203、根据所述平均速度，确定当前时刻运动方向的加速度。
步骤204、根据所述三轴旋转角速度和速度，确定当前时刻的向心加速度。
步骤205、用所述三轴加速度减去所述运动方向的加速度和向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。
本申请实施例提供的一种加速度的校正方法，能够根据陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度以及设备当前时刻的速度确定当前时刻的向心加速度，并根据加速度计当前时刻输出的三轴加速度减去设备运动方向的加速度和当前时刻的向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。可见，校正后的三轴加速度数据是经过将陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度和加速度计当前时刻输出的三轴加速度进行融合处理得到的，实现了三轴加速度的校正，而并非仅采用加速度计输出的三轴加速度，可以避免现有技术中车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
为了使本领域的技术人员更好的了解本申请，下面列举一个更为详细的实施例，如图4所示，本申请实施例提供一种加速度的校正方法，包括：
步骤301、获得加速度计当前时刻输出的三轴加速度和陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度。
步骤302、获得搭载陀螺仪和加速度计的设备当前时刻的速度和平均速度。
在实际应用中，搭载陀螺仪和加速度计的设备可以为车辆，也可以是智能手机。如果所述设备是车辆，则可以通过车辆的车载诊断系统(on-boarddiagnostic，简称obd)接口或控制器局域网络总线(controllerareanetwork，简称can)获取车辆的速度。如所述设备为智能手机，可以通过智能手机的定位结果来确定智能手机的速度。
步骤303、根据平均速度，确定当前时刻运动方向的加速度。
步骤304、根据三轴旋转角速度和速度，确定当前时刻的向心加速度。
在实际应用中，向心加速度可以采用三轴旋转角速度和速度的乘积。
步骤305、用三轴加速度减去运动方向的加速度和向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。
步骤306、获取陀螺仪在当前时刻的三轴零偏值。
本申请实施例中，陀螺仪的x、y、z三个轴中，通常情况下y轴与运动方向同向。对于陀螺仪x、y轴的零偏值估计：可以基于搭载陀螺仪和加速度计的设备的运动特性选取计算方法，例如，按照车辆行驶的特性，正常行驶的车辆一般不会沿俯仰(陀螺仪x)轴或横滚(陀螺仪y)轴旋转，所以，可以获取陀螺仪x、y轴在一段预设时间的测量值的平均值作为x轴、y轴的零偏值。
x轴、y轴的零偏值计算方式可以采用如下公式所示的递推平均法：
其中，cn表示第n时刻的陀螺仪的x轴或者y轴的零偏值，cn-1表示第n-1时刻的陀螺仪的x轴或者y轴的零偏值，dn表示第n时刻的陀螺仪的x轴或者y轴的测量值。随着时间推移计算次数不断增加，测量值对平均值的影响会越来越小，为了快速响应零偏的变化，应当限定n的最大值，例如限定最大为1000。
另外，陀螺仪z轴的零偏值不能用上述方法进行估计，原因是由于车辆经常左右转弯，而且左右转弯次数和幅度不一定，不能正负抵消，长期平均值不能反映真实的z轴的零偏值。因此，z轴的零偏值可以通过递推最小二乘法(recursiveleastsquare，简称rls)，估计温度模型的方法进行估算。
步骤307、用三轴旋转角速度减去所述三轴零偏值，得到校正后的三轴旋转角速度数据。
步骤308、对校正后的三轴加速度数据和三轴旋转角速度数据进行姿态解算，确定搭载陀螺仪和加速度计的设备的姿态信息。
在实际应用中，对校正后的三轴加速度数据和三轴旋转角速度数据进行姿态解算，确定搭载陀螺仪和加速度计的设备的姿态信息可以采用多种方法，例如ahrs互补滤波算法，卡尔曼滤波算法以及梯度下降算法等。
本申请以采用ahrs互补滤波算法为例进行说明。ahrs互补滤波算法即采用的是航姿参考系统(attitudeandheadingreferencesystem，简称ahrs)的姿态解算方法，如图5所示，包括：
步骤401、根据公式：
步骤402、提取四元数的等效余弦矩阵中的重力分量，获取第n-1时刻的四元数，并根据公式：
对于此处的四元数，在n-1为1时，初始四元数可以是预先设置的初值。
步骤403、根据公式：
步骤404、根据公式：
步骤405、根据公式：
步骤406、根据公式：
步骤407、根据公式：
步骤408、根据公式：
在上述步骤308之后，可以对设备的姿态信息进行校正，继续执行步骤309至步骤310，或者继续执行步骤311至步骤312。
步骤309、根据前一时刻设备的俯仰角，确定当前时刻加速度计x轴的偏转角度sn,x。
其中，
步骤310、用当前时刻的俯仰测量角φn减去偏转角度sn,x，得到校正后的俯仰角jn。
其中，jn＝φn-s'n。此处的校正后的俯仰角jn可以等于运动时的坡度角。
在实际应用中，在得到校正后的俯仰角jn(坡度角)的情况下，本申请实施例可以通过车速脉冲设备和车辆的行驶时间即可获知车辆行驶的坡长，从而根据公式：h＝l×sinjn可以确定车辆行驶的高度，即坡高。根据车辆行驶的坡度角jn和坡高，即可进行车辆在立体平行道路上的地图匹配(即识别出车辆所在的道路和位置)，或者分叉道路的匹配等。
步骤311、根据前一时刻设备的横滚角，确定当前时刻加速度计y轴的偏转角度sn，y。
其中，
步骤312、用当前时刻的横滚测量角θn减去偏转角度sn,y，得到校正后的横滚角kn。
其中，kn＝θn-sn,y。
本申请实施例提供的一种加速度的校正方法，能够根据陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度以及设备当前时刻的速度确定当前时刻的向心加速度，并根据加速度计当前时刻输出的三轴加速度减去设备运动方向的加速度和当前时刻的向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。可见，校正后的三轴加速度数据是经过将陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度和加速度计当前时刻输出的三轴加速度进行融合处理得到的，实现了三轴加速度的校正，而并非仅采用加速度计输出的三轴加速度，可以避免现有技术中车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
对应于上述图3和图4所示的方法实施例，如图6所示，本申请实施例提供一种加速度的校正装置，包括：
加速度及角速度数据获取单元41，用于获得加速度计当前时刻输出的三轴加速度和陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度。
速度数据获取单元42，用于获得搭载所述陀螺仪和所述加速度计的设备当前时刻的速度和平均速度。
运动方向加速度确定单元43，用于根据所述平均速度，确定当前时刻所述设备运动方向的加速度。
向心加速度确定单元44，用于根据所述三轴旋转角速度和速度，确定当前时刻所述设备的向心加速度。
三轴加速度数据校正单元45，用于用所述三轴加速度减去所述运动方向的加速度和向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。
进一步的，如图7所示，所述的加速度的校正装置，还包括：
三轴零偏值获取单元46，用于获取所述陀螺仪在当前时刻的三轴零偏值。
三轴旋转角速度数据校正单元47，用于用所述三轴旋转角速度减去所述三轴零偏值，得到校正后的三轴旋转角速度数据。
进一步的，如图7所示，所述的加速度的校正装置，进一步包括：
姿态解算单元48，用于对所述校正后的三轴加速度数据和三轴旋转角速度数据进行姿态解算，确定搭载所述陀螺仪和所述加速度计的设备的姿态信息。
进一步的，如图7所示，所述设备的姿态信息至少包括俯仰测量角φn，所述加速度的校正装置还包括：
x轴偏转角度确定单元49，用于根据前一时刻所述设备的俯仰角，确定当前时刻加速度计x轴的偏转角度sn,x。
俯仰角校正单元50，用于用当前时刻的俯仰测量角φn减去偏转角度sn,x，得到校正后的俯仰角jn。
进一步的，如图7所示，所述设备的姿态信息至少包括横滚测量角θn，所述加速度的校正装置还包括：
y轴偏转角度确定单元51，用于根据前一时刻设备的横滚角，确定当前时刻加速度计y轴的偏转角度sn,y。
横滚角校正单元52，用于用当前时刻的横滚测量角θn减去偏转角度sn,y，得到校正后的横滚角kn。
值得说明的是，本申请实施例提供的一种加速度的校正装置的具体实现方式可以参见上述图3和图4对应的方法实施例，此处不再赘述。
本申请实施例提供的一种加速度的校正装置，能够根据陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度以及设备当前时刻的速度确定当前时刻的向心加速度，并根据加速度计当前时刻输出的三轴加速度减去设备运动方向的加速度和当前时刻的向心加速度，得到校正后的三轴加速度数据。可见，校正后的三轴加速度数据是经过将陀螺仪当前时刻输出的三轴旋转角速度和加速度计当前时刻输出的三轴加速度进行融合处理得到的，实现了三轴加速度的校正，而并非仅采用加速度计输出的三轴加速度，可以避免现有技术中车辆的加速度计噪声较大，容易受车辆震动和运动的干扰，加速度计输出的加速度存在精度不高的问题。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
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