阅读说明：本技术 一种基于mems的室内方向优化方法 (Indoor direction optimization method based on MEMS ) 是由 卢敏 王培重 张晓东 吴彤 肖登坤 于 2018-06-26 设计创作，主要内容包括：一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的室内方向优化方法属于室内外定位技术领域,室内利用磁场信息计算航向,会因建筑物内铁磁性物质的影响,而无法准确的判断出终端航向信息准确性。陀螺仪计算航向角,不受外界的影响,但误差会随着时间累计。基于陀螺仪和磁航向的优缺点,设计了组合航向算法。该方法可以有效的抑制陀螺仪累计误差,判断出包括但不限于磁航向信息的可靠性,能得到较为准确的航向角信息。当MEMS芯片y轴处于竖立时,设计了载体的坐标系旋转算法,该方法避免了由于反正切函数在90°附近不稳定,造成的俯仰角波动较大问题,进而提高了与磁力计组合求解的航向角精度。(An indoor direction optimization method based on an MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) belongs to the technical field of indoor and outdoor positioning, course information is calculated indoors by using magnetic field information, and accuracy of terminal course information cannot be accurately judged due to influence of ferromagnetic substances in a building. The gyroscope calculates the heading angle without being influenced by the outside, but the error is accumulated along with the time. Based on the advantages and disadvantages of the gyroscope and the magnetic heading, a combined heading algorithm is designed. The method can effectively inhibit the accumulated error of the gyroscope, judge the reliability of the magnetic heading information including but not limited to the magnetic heading information and obtain more accurate heading angle information. When the y axis of the MEMS chip is vertical, a coordinate system rotation algorithm of the carrier is designed, the method avoids the problem of large pitch angle fluctuation caused by instability of an arctangent function near 90 degrees, and further improves course angle precision of combined solution with a magnetometer.)

一种基于MEMS的室内方向优化方法

技术领域

本发明属于室内外定位技术领域

背景技术

惯性器件已成为手机、平板等大多数智能设备的标准配置，利用加速度和磁力计解算航向角已得到了广泛应用。但在室内由于建筑物内铁磁性物质的影响，导致磁航向误差较大，因此当使用惯性导航技术时，将会因为方向误差导致最终定位结果偏离真实位置较大。

本发明结合陀螺仪不受外界环境影响及误差累计的特点，将加速度、陀螺仪、包括但不限于磁力计提供的航向角组合判断航向，提高了室内航向角的可靠性及准确性，降低了由于航向角不准而造成的定位误差。另外由于当MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)芯片载体坐标系y轴竖立时，利用加速度计和磁力计解算航向角波动较大，本发明提出了载体的坐标旋转算法，降低了磁航向角的波动性，提高了航向角的精度。

发明内容

本方明提出一种基于MEMS的室内方向优化方法，该方法结合陀螺仪和磁航向的优缺点，既能抑制陀螺仪的累计误差，又可以判断当前包括但不限于磁航向的准确度，提高了室内方向的精度及可靠性。

本方法的详细解算流程如下：

步骤01：读取IMU传感器数据。包含加速度计、陀螺仪、磁力计数据。

步骤02：判断载体坐标系y轴是否竖立状态，当竖立状态时进入步骤03；否则进入步骤04、05。

步骤03：旋转载体坐标系。旋转矩阵

然后对原始三轴加速度(a_x，a_y，a_z)、包括但不限于磁力计(m_x，m_y，m_z)、陀螺仪(w_x，w_y，w_z)数据进行如下处理：

步骤04：包括但不限于利用加速度和磁力计数据解算的磁航向角度Φ_mag。

步骤05：利用加速度解算的俯仰角和横滚角及包括但不限于磁力计解算的航向角，给陀螺仪赋初始值，然后陀螺仪积分求航向角Φ_gyro。

步骤06：记录给陀螺仪赋初始值的时刻t_o和当前时刻t_now，ΔT为多久开始判断是否使用包括但不限于磁航向对当前角度校正的时间间隔。当满足时执行步骤10；否则执行步骤11。

步骤07：求解T_w时间窗内的航向角度最大值和最小值之差。

步骤08：判断最大值与最小值之差是否小于ΔCor，若满足进入步骤09；否则进入步骤10。

步骤09：估计陀螺仪漂移方向正负和速度。当判断为直线行走时，用T_w时间段内陀螺仪最后一秒的输出角度均值和最开始一秒的输出角度均值的差值ΔΦ_gyro，按以下公式可估计此时的陀螺漂移方向及速度δ：

步骤10：根据公式|Φ_mag-(Φ_gyro-δ*(t_now-t_o))|＜ΔA判断是否使用包括但不限于磁航向对当前角度校正。式中：Φ_mag为包括但不限于磁航向值；Φ_gyro为陀螺仪积分角度值；δ为陀螺仪漂移方向及速度； t_now为当前时刻；t_o为给陀螺仪赋值的时刻；ΔA为包括但不限于磁航向校正的最大允许角度误差阈值。

根据估计的陀螺漂移速度解算方向值，并判断此时包括但不限于磁航向给出的方向值是否在其附近，当满足时，进入步骤12。表示当前包括但不限于磁航向相对准确，使用其对陀螺仪角度值校正。否则进入步骤11，表示包括但不限于磁航向不可靠，依旧使用陀螺仪的航向值。

步骤11：将陀螺仪的输出值，当作最终航向角。

步骤12：使用包括但不限于磁航向角度值校正当前航向角，并用加速度、磁力计解算出的姿态角给陀螺仪赋初始值。

步骤13：更新时间t_o。将当前时间t_now给t_o。

步骤14：将当前包括但不限于磁航向的角度值，当作最终航向角。

步骤15：输出最后航向角。

本发明旨在提高室内导航定位的航向角解算精确度，利用MEMS芯片获得更准确的航向角。本发明利用陀螺仪和磁航向的优缺点，提出一种基于MEMS的室内方向优化方法，本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用了旋转载体坐标系的技术方法，可以有效的避免当载体坐标系y轴竖立时，利用加速度和磁力计求解航向角波动较大的问题，提高磁航向角的解算精度。

(2)本发明根据最大允许角度误差、陀螺仪漂移速度及输出角度解算出包括但不限于磁航向角的准确范围，既有效抑制了陀螺仪的漂移，又提高包括但不限于磁航向角度的可靠性，从而达到精确估计航向的效果。

附图说明

图1：一种基于MEMS的室内方向优化方法

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施案例：

用户手持智能手机(终端含有加速度、磁力计、陀螺仪)，加速度、磁力计的采样频率为20Hz，陀螺仪的采样频率为50Hz。各阈值的设定：再次启动磁航向校正的时间间隔ΔT＝[50s，80s]，用于估算陀螺仪偏移角速度的时间窗长Tw＝[10s，15s]，每次磁航向校正时的最大允许角度误差阈值ΔA＝[5°，15°]，用于判断Tw时间窗长内是否处于直行状态ΔCor＝[15°，20°]。

基本工作流程：

(1)读取加速度、磁力计、陀螺仪数据。

(2)根据加速度三轴输出值判断载体坐标系y轴是否竖立。

(3)若竖立，则进行载体坐标系旋转，否则不作处理。

(4)利用加速度、磁力计解算姿态角并给陀螺仪赋初始值。

(5)当满足磁航向校正时间后，使用磁航向校正当前角度，否则直接输出陀螺仪的积分角度值。

(6)同时当满足直线行走时，计算陀螺仪的漂移速度及方向。

(7)根据陀螺仪漂移速度及当前航向角可以反推磁航向的正确范围，若满足使用电子罗盘给陀螺仪赋初始值，输出磁航向角度值，否则直接输出陀螺仪积分角度值。

(8)重复(1)到(7)。