CN104884902B - 用于三轴磁力计和三轴加速度计的数据融合的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
整合三轴磁力计和三轴加速度计以提供姿态和航向、经校准的磁力计和加速度计数据、以及角速率，同时消除随时间和温度的传感器误差源并且补偿地球磁场的硬铁和软铁失真的方法和装置。经滤波的加速度计数据被校正以解释各种误差源。通过使用来自经滤波的加速度计数据的准静态滚转和俯仰角，根据三维地球磁场向量变换成的水平磁场向量计算磁航向。基于当地地球磁场向量的幅度恒定的原理，第一卡尔曼滤波器估算所述状态向量，以形成硬铁和软铁校正矩阵。第二卡尔曼滤波器估算磁力计和加速度计的耦合的剩余软铁和偏差的校正矩阵。通过由相应的校正矩阵的操作消除硬铁和软铁，来得到磁场向量。
Description
相关申请的交叉引用
要求于2012年8月2日递交的“带智能自动校准的6-轴磁力计和加速度计融合方法(Method for 6-Axis Magnetometer and Accelerometer Fusion with IntelligentAutonomous Calibration)”的美国临时专利申请序列号61/678,638的优先权。
背景技术
低成本和小微机电系统(MEMS)加速度计的可用性创造了纳入到智能手机和其他手持设备或移动设备的各种新的商业应用。例如，与其他类型的MEMS加速度计技术相比，基于测量由于施加加速的对流传热的内部变化的原理的热MEMS加速度计，对消费者应用具有优越的优势，包括低成本的制造过程、高可靠性和很好的抗震动性或抗冲击性。
此外，磁力计技术的进步也使人们有可能(成本、尺寸和功率消耗)在移动设备中将三轴磁力计与三轴加速度计紧密结合以形成电子罗盘，以提供准静态姿态和航向信息，用于使新的应用(例如，基于位置的服务)可用。
其中部署了磁力计或加速度计的当地环境可以导致测量波动。作为一个示例，温度变化可以影响测量，就像其他因素。
磁罗盘的原理是通过测量地球的磁场来确定磁航向。然而，在移动设备(例如智能电话)的内部，具有干扰磁场测量的部件——传统上被称为“硬”铁和“软”铁失真/干扰。硬铁的示例是永久磁铁，例如在智能手机上的扬声器中或智能手机的皮套上找到的永久磁铁。软铁是例如由钢制成的部件，例如在智能手机中找到的EMI屏蔽或螺钉或电池接触件。钢提供了比周围的空气“更低阻力”的路径到磁场，因此磁场被偏离，并且需要补偿该偏离。硬铁失真表现得像磁力计偏移的变化。软铁失真表现得像磁力计的比例因子的变化。需要考虑硬铁和软铁以准确地确定航向。
用于在移动设备中实现三轴磁力计和三轴加速度计的技术挑战包括：处理传感器的误差源(包括偏移、比例因子和轴的偏差)、以及地球磁场的失真(例如，硬铁和软铁)，其促成了姿态和航向的误差。由于成本通常是(例如在智能手机中的那些)消费者应用中最大的关注，因此，复杂和昂贵的磁力计和加速度计的工厂校准在商业上是不实用的。
发明内容
本发明的实施例实现了传感器数据融合，即组合从传感器获得的数据，以精确地确定设备的航向和方位。
三轴磁力计和三轴加速度计的数据融合提供了姿态和航向、在线校准的磁力计和加速度计数据、以及角速率的解决方案。其结果是，提供了磁力计传感器校准以消除随时间和温度的传感器误差源，并且从硬铁和软铁失真恢复地球磁场测量。
本发明的实施例提供了用于三轴磁力计和三轴加速度计的数据融合的方法和装置，以提供姿态和航向、在线校准的磁力计和加速度计数据、以及角速率的解决方案，其中，所述磁力计和加速度计数据首先被滤波以排除离群值(outlier)和抑制噪声；基于由在线加速度计的自动校准估算的误差源，经滤波的加速度计数据被进一步校正；基于由在线磁力计的自动校准估算的硬铁和软铁失真，经滤波的磁力计数据被进一步校正；经校正加速度计数据被用于计算准静态滚转和俯仰角；滚转和俯仰角被用于形成从体(body)到水平(level)坐标系的变换矩阵。经校正的磁力计数据被从体坐标系变换为水平坐标系，以生成水平磁场向量，磁航向可以使用水平磁场向量来计算；滚转、俯仰、航向被用于推导角速率；经校准的加速度计数据和所导出的角速率被用于检测动态和静态状态而被依次用于帮助在线磁力计的自动校准和加速度计的自动校准。
附图说明
下面参照附图公开了本发明的至少一个实施例的各个方面。应当理解的是，为了简单和清楚地说明，在附图中显示的元件不一定精确地绘制或按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸相对于其他元件可能被扩大了，或几个物理部件可能被包括在在一个功能块或元件中。此外，在认为合适的情况下，附图中重复出现的参考标记指示相应的或类似的元件。然而为了清楚起见，可能不会在每个附图中标记每个部件。提供这些附图的目的是解释和说明，并且不旨在作为对本发明的限制定义。在附图中：
图1A、1B和1C是相对于三轴加速度计和其载体的标准坐标体坐标系(B)和当地水平坐标系(L)系统的表示；
图2A和2B是本发明的实施例的功能框图；
图3是示出了本发明的实施例的功能框图；
图4是示出了本发明的磁力计校准的实施例的功能框图；
图5是示出了根据本发明实施例的一个磁力计校准方案的功能框图；
图6是示出了根据本发明实施例的另一磁力计校准方案的功能框图；
图7是示出了根据本发明实施例的卡尔曼滤波的功能框图；
图8是示出了根据本发明实施例的滤波的功能流程图；
图9是示出了根据本发明实施例的准静态检测的功能框图；
图10是示出了根据本发明实施例的磁场干扰检测的功能框图；以及
图11是示出了根据本发明实施例的校准机械化的可变结构的功能框图。
具体实施方式
为所有目的，通过引用将递交于2012年8月2日名称为“带智能自动校准的6-轴磁力计和加速度计融合方法(Method for 6-Axis Magnetometer and AccelerometerFusion with Intelligent Autonomous Calibration)”的美国临时专利申请序列号61/678,638整体包括在本文内。
本发明的实施例实现了传感器数据融合，即为了精确地确定设备的航向和方位，从加速度计和磁力计传感器可得的数据的组合。三轴磁力计和三轴加速度计的数据融合提供了姿态和航向、经过在线校准的磁力计和加速度计数据、以及角速率的解决方案。其结果是，提供了磁力计传感器校准以消除时间和温度的传感器误差源并且从硬铁和软铁失真中恢复地球磁场测量。
本发明的一个实施例提供了用于各种应用的提供了同时带有硬铁和软铁校准能力的六轴磁场/加速度计传感器的方法。这些应用包括设有准静态滚转、俯仰、以及磁航向信息的电子罗盘应用。软陀螺仪功能提供伪九轴解决方案，包括：例如，动态滚转/俯仰/航向角、动态角速率和加速度测定。
为了更好地理解本发明的实施例，现在将参考图1A-1C，其中相对于载体10以及附着在或耦合到载体10的三轴加速度计12和三轴磁力计14，使用在航空电子学中公知的标准坐标体坐标系(B)和当地水平坐标系(L)。本领域的普通技术人员将理解的是，三轴加速计12可以包含相对于彼此正交定位的三个单独的加速度计，以及三轴磁力计14可以包含类似布置的磁力计。
载体10的主体轴线(B)被定义为坐标系(B)，其中有通过所述载体的向前方向上的正XB轴，如箭头F所显示的，通过向右方向上的正YB轴，如在图中所显示的，以及用于完成右旋的三轴结构的指向下的正ZB轴。加速度计12和磁力计14的XYZ轴可以与该设备的体坐标系对准或具有恒定偏差(即，偏置)，其对本文所描述的本发明的教导和实施例没有影响。
如图1A-1C中所显示的体坐标系和当地水平坐标系之间的关系。当地水平坐标系被数学地定义以使得滚转角φ和俯仰角θ也被定义。当地水平坐标系(L)被定义为如下：体坐标系(B)的X轴XB投影到当地水平平面作为当地水平坐标系(L)的X轴XL；当地水平平面的Y轴YL垂直于X轴XL；以及当地水平平面的Z轴ZL向下。
来自三轴磁力计14的原始磁场测量和对应的经校准的测量之间的关系可以按照下面的方式建模：
Magc＝mmisAlign*msf*(Magm-bias) (1-1)
其中，
Magm＝来自三轴磁力计14的XYZ原始测量；
Bias＝来自三轴磁力计14的XYZ原始测量的偏差；
msf＝比例因子误差矩阵；
mmisAlign＝偏差矩阵；以及
Magc＝来自三轴磁力计14的经校准的XYZ测量。
为了获得最佳的传感器融合性能，通过校准处理来识别这些传感器误差矩阵Bias、msf和Magc。
如果有硬铁和软铁失真，来自三轴磁力计14的校准的和硬/软铁补偿的XYZ测量可以进一步按照如下方式建模：
Magcc＝ms*(Magc-h)＝S*(Magm-H) (1-2)
其中，
ms＝软铁失真矩阵；
h＝硬铁失真向量；
S＝ms*mmisAlign*msf其为等效的软铁失真矩阵；
H＝Bias+(mmisAlign*msf)-1*h其为等效的硬铁失真矩阵；以及
Magcc＝如本文中所描述的用于数据融合的来自三轴磁力计的校准的和硬/软铁补偿的XYZ测量。
从等式(1-2)中看出，等效软铁失真矩阵和等效硬铁失真矩阵包括软铁和硬铁以及传感器误差矩阵。
根据本发明实施例的自动校准方法的目的是估算等效软铁失真矩阵S和等效硬铁失真矩阵H，用于磁力计测量补偿。来自三轴磁力计14的校准的和硬/软铁补偿的XYZ测量将被进一步用于计算航向。
如已知的，某个位置的地球磁场向量的长度是恒定的。因此，
其中，
E＝该位置的地球磁场向量；以及
L是该位置的地球磁场向量长度的平方。
等式(1-3)可以进一步地表示为如下：
XT*A*X+BT*X+C＝0 (1-4)
其中，
A＝ST*S；
B＝-2HTA；以及
C＝HT*A*H-L。
因此，可以通过从椭球体二次方程(1-4)估算A、B、以及C矩阵来解软铁失真矩阵S和硬铁失真矩阵Η。
如图2A和2B中所显示的，作为概述，通常，根据本发明的一个实施例的用于校准或补偿六轴设备(即具有三轴加速度计12和三轴磁力计14的设备)中误差的系统200，包括从三轴加速度计12和磁力计14接收原始信号。如将在下面更详细描述的，加速度计接口202-1接收原始加速度计XYZ信号220并处理这些信号，以向补偿电路或模块203提供经补偿的XYZ加速计信号224。
加速度计接口202-1可以根据递交于2011年1月21日并且名称为“用于校准三轴加速度计的系统和方法”的美国专利公开号US 20110264393中描述的原理进行操作，通过引用将其全部内容包括在此以用于所有目的，来提供经补偿的信号。那里，在三轴加速度计的正常操作期间，通过使用当该设备是“静止”(即不移动或不进行加速)时得到的加速度数据，获得在时间和温度范围上的三轴加速度计设备的误差估算。在这些静止状态时期，三轴加速度计仅感测到地球重力加速度。实现用于误差源的三个估算处理以使用在这些静止状态时期积累的X、Y、以及Z加速度测量，以使得三轴加速度计的误差源(包括Z-轴偏移)可以被估算和补偿。
当然，本领域的普通技术人员将理解的是，还有其他用于处理加速度信号的机制可供使用，并且本发明的实施例不限于任何一种特定的方法，除非本文指定。
磁力计接口202-2接收原始磁XYZ的信号228并且处理该信号，以提供XYZ磁信号。
因此，在进一步的说明中，如图2B中所显示的，补偿模块203包括CPU(中央处理单元)204、只读存储器(ROM)设备206、随机存取存储器(RAM)设备208、I/O设备210和总线212。如图所示，这些设备使用总线212来与彼此进行通信。用于设备间和跨总线212通信的协议可以是许多已知协议中的任一个。此外，尽管只显示了一条总线，本领域的普通技术人员将理解的是，可以实现多条总线，其中只有某些设备在相应的总线上与彼此进行通信，并且一些设备可能不像其他设备一样在相同的总线上。
在一个实施例中，可以通过使用在大多数智能电话中找到的CPU和相关联的设备来实现补偿模块203。因此，可以在运行了例如苹果公司的iOS或谷歌的安卓操作系统的智能手机上的电子罗盘应用内实现一个实施例。
加速度计接口202-1操作以变换从三轴加速度计12接收到的信号，并且可以包括模拟信号处理部件，例如模拟-数字变换器、信号滤波器等。虽然在图2B中分开地显示，补偿模块203、接口202-1和202-2和加速度计12以及磁力计14可以在仅具有到总线212的外部连接的单个设备中实现。替代地，可以提供这些部件的任意组合或子组合至单个封装。在一个实施例中，可以在单个封装中提供被配置以通过总线212进行通信的包括了接口202-1、202-2和补偿模块203的设备，以提供本文中描述的补偿功能给已知设备(即对现有设备的“改装”)。更进一步地，补偿模块203和接口202-1和202-2可以由运行在CPU 204上的应用来实现。接口设备202-1、202-2也可以被实现为ASIC(专用集成电路)设备。
ROM设备206存储各种软件或固件程序，用来由CPU 204执行以实现本文中描述的功能，同时RAM设备208被用于暂时地存储由CPU 204或其他设备使用的数据。本领域的普通技术人员理解这些部件的功能，不需要进一步的细节来理解本文所描述的本发明的实施例。更进一步地，应当理解的是，可以在商业设备中找到其他部件来提供为清楚起见而在这里未显示的其他功能，例如，电源、电话、互联网浏览等。
参照图3，在本发明的一个实施例中，执行自主校准而无需用户交互，并且不要求精确的速率表或生成已知的参考磁场。磁力计和加速度计数据302、304首先被滤波306、308以拒绝离群值和抑制噪声。经滤波的加速度计数据309基于由加速度计自动校准313估算的误差源311，被进一步校正310。经滤波的磁力计数据307基于由磁力计自动校准314估算的硬铁和软铁失真，被进一步校正312。经校正的加速度计数据315被用于计算316准静态滚转和俯仰角317；滚转和俯仰角317被用于形成320从体坐标系向水平坐标系的变换矩阵321。经校正的磁力计数据319从体坐标系向水平坐标系变换320以生成水平磁场向量321；并且磁航向322可以使用水平磁场向量321来计算。
同时，磁场干扰被检测324以辅助磁场自动校正314。由于当磁场干扰发生时以及磁场变化时，可能获得不准确的结果，因而，磁场干扰必须被识别和计算在内。使用经校正的加速度计数据315和经校正的磁力计数据319计算角速率。基于经校正的加速度计数据315、经校正的磁力计数据319、以及角速率329，确定326准静态时间点(时间段)，以安排加速度计的自动校正和对磁力计的自动校正进行微调。
如所知，估算硬铁和软铁对于移动设备中的电子罗盘应用是相对重要的。如图4所示，用于三轴磁力计的自动校正方法可以仅采用经滤波的磁力计数据或同时采用经滤波的磁力计数据和经滤波的加速度计。
参考图5，用于三轴磁力计的一种校正方法采用了卡尔曼滤波器504。对于通用椭球体模型，卡尔曼滤波器504的状态向量包含9个变量。基于当地地球磁场向量的幅度恒定原理，卡尔曼滤波器采用以下方式来估算状态向量：平衡保持之前状态估算的需求和校正的需求。估算的椭球体参数508被用于形成硬铁和软铁校正矩阵512。
椭球体二次等式(1-4)可被进一步重写为如下：
卡尔曼滤波器的状态向量包括：
X＝[θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7，θ8，θ9]T
等式(1-5)被用作卡尔曼滤波器504的测量等式。估算的状态向量可以形成硬铁校正矩阵，如下：
H＝[h1，h2，h3]T (1-6)
其中
h1＝((f*x(6)-e*x(7))*(b*c-f*f)-(x(7)*c-x(8)*f)*(d*f-b*e))/((a*f-d*e)*(b*c-f*f)-(d*c-c*f)*(d*f-b*e))/2；
h2＝(0.5*(f*x(6)-e*x(7))-(a*f-d*e)*h1)/(d*f-b*e)；
h3＝(x(7)-2*d*h1-2*b*h2)/f0/2；
a＝1-x(1)-x(2)；
b＝1-x(1)+2*x(2)；
c＝1+2*x(1)-x(2)；
d＝-2*x(3)；
e＝-x(4)；
f＝-x(5)；
t＝x(9)；
可以形成软铁校正矩阵S，如下：
其中，所述矩阵U和D是矩阵A的特征分解的结果。所述矩阵D是包含特征值的对角矩阵；并且所述矩阵U由它们的相应特征向量组成；
参考图6，在根据本发明的实施例的另一种校正方法中，三轴磁力计采用第一和第二卡尔曼滤波器，其中，第一卡尔曼滤波器504包括通用椭球体的9个变量。基于当地地球磁场向量的幅度恒定原理，所述第一卡尔曼滤波器504估算状态向量以平衡保持之前状态的需求和校正的需求。所估算的椭球体参数508被用于形成硬铁和软铁校正矩阵512。基于当地地球磁场向量和重力加速度向量间的角度恒定的原理，所述第二卡尔曼滤波器604建模并估算耦合的软铁/偏差校正矩阵608。所述耦合的软铁/偏差校正矩阵608对经第一卡尔曼滤波器504校正后的剩余软铁和三轴磁力计和三轴加速计间的偏差进行建模。理想情况下，磁力计的三轴分别平行于加速计的三轴。然而，在生产过程中，可能产生偏差，且偏差的出现是显著的。对剩余软铁，第二卡尔曼滤波器604无法将剩余软铁从偏差中分离出来，但被设计来估算所述耦合的矩阵(剩余软铁矩阵和偏差矩阵的乘积)。
通过将第一软铁矩阵512乘以612耦合的软铁/偏差校正矩阵608，形成最终的软铁校正矩阵616，如下所述。
通过对来自三轴磁力计的XYZ原始测量应用硬铁和软铁校正矩阵(1-6)和(1-7)，Magm，校正的磁力计向量变为：
第二卡尔曼滤波器604被设计以微调软铁校正矩阵608，通过
其中，Sf由第二卡尔曼滤波器604估算出，其表示由第一卡尔曼滤波器504校正过后剩余的软铁以及三轴磁力计和三轴加速度计之间的偏差。
如已知的，在当地地球磁场向量和重力加速度向量之间的角度恒定。用Accel＝[ax,ay,az]T表示三轴加速度计的测量。在准静态时刻(即在物体处于静态或非加速状态的时刻)，地球磁场向量和重力加速度向量的点积恒定：
Magcc*Accel-const＝0 (1-10)
第二卡尔曼滤波器604将经过微调的软铁校正矩阵Sf608和未知点积建模为状态向量，并且使用等式(1-10)作为用于估算该状态向量的测量等式。
参照图6，第二卡尔曼滤波器604通过时间传播和测量更新来递归地估算它的状态向量。第二卡尔曼滤波器604的输入是已经由第一卡尔曼滤波器504校正的磁力计数据、校准的加速度计数据、以及准静态检测326输出。图7示出了卡尔曼滤波器的时间传播和测量更新。
参照图8，滤波器306、308的设计目标是减少白噪声和检测/消除在传感器测量中的离群值。滤波器306、308由加权移动平均值(WMA)和假设检验(HT)操作(分别应用于磁力计和加速度计测量上)组成。
因此，方法800开始于步骤804，接收所原始加速度计和磁力计数据304、302，并且如果确定(步骤808)该数据是第一数据，则控制转到步骤812，其中处理被初始化，并且随后步骤816，计算加权移动平均值。初始化步骤实现了以下内容：
(1)将移动平均窗口的长度初始化为某默认数值，例如5。
(2)将连续离群值的数量初始化为0；
(3)将在移动平均窗口中的所有数据点初始化为该第一数据；
(4)将数据点所有对应的余项初始化为0。每个数据的余项被定义为平均数据和数据点之间的差的绝对值；以及
(5)将每个数据点的权重初始化为1。
加权移动平均值是先前n次测量(mt)配有可变权重(wt)的平均值。例如，10个传感器测量样本的加权移动平均值是先前10次传感器测量的平均值。基于如下面所讨论的假设检验824确定和分配每个数据点的权重(wt)。
在步骤820处计算余项。
假设检验824通过检验余项来确定来到移动平均窗口的最新数据是否为离群值。这个步骤824的一般过程包括：设置相关的空和替代假设。
H0：mt＝0(非离群值)
H1：mt≠0(离群值)
其中，假设H0意味着最新数据是离群值；假设H1意味着最新数据不是离群值。
这种假设检验824的检验统计被体现为如下。在步骤828计算优选的检验统计T，以及在步骤832确定该检验统计是否在F分布(具有显著性水平α)的置信区间(临界区)之内。
其中(y是测量以及是从高斯-马尔可夫模型的估算，y＝A·x+e，rk(A)＝m)，n是测量的次数，以及ηf＝[0…1]T。
作出“接受H0”或“拒绝H0”的决定(如果T在F分布(α＝0.05)的置信区间内，接受H0；以及如果T不在F分布的置信区间内，拒绝H0)。如果作出“接受H0”的决定，则将最新数据的权重设置为0，并且在步骤836中重新计算移动平均窗口的平均值。
现在返回到步骤808，如果这不是所述第一组数据，控制转到步骤848，此处将离群值的数量与预定数量(例如，5)进行比较，用于确定是否需要增加移动平均窗口的长度。如果离群值的数量大于所述预定数量，则在步骤852，窗口大小递增1并且控制转到步骤816。否则控制从步骤848直接转到步骤816而不改变窗口大小。
输出840由经滤波的磁力计和加速计数据307、309组成。
参照图9，准静态检测处理326检测到传感器平台的准静态时刻。准静态检测处理326接收经滤波的传感器和经校正的传感器数据315、319和软陀螺仪处理328的角速率329以及阈值来确定准静态时刻。与陀螺仪设备的物理硬件进行比较，“软陀螺仪”是基于软件的陀螺仪。软陀螺仪处理328通过利用载体的动力学和该载体经历的物理条件，从加速度计和磁力计数据315、319计算角速率。由于软陀螺仪处理328不涉及实际的陀螺仪，将其引入到该处理没有相关联的成本。准静态检测处理326使用阈值机械化以确定准静态时刻。
参照图10，在磁场干扰检测324中，经滤波的磁场向量1004的幅度1008是高通滤波的1012。如果经滤波的幅度大于第一预定阈值(步骤1016)，确定当地磁场发生了磁场干扰(步骤1018)。如果经滤波的幅度1008小于第二预定阈值(步骤1020)，确定干扰消失并且当地磁场是稳定的(步骤1024)。所述第一预定阈值大于所述第二预定阈值。
在移动设备应用中，期望磁力计校准在很短的时间段内取得高精确度。硬/软铁的完整的模型自然地需要更多具有良好几何形状和较长收敛时间的数据，因此，总是以硬/软铁的完整的模型开始校准以同时取得较快的校准时间和较高的精确度是不太好的。参照图11，数据缓冲器1104存储分布在3-D空间中的XYZ磁力计数据。在开始时采用简化模型1108用于估算硬铁和最大/最小轴软铁，以使得校准处理能够借助有限数量的磁力计数据，快速地获得重大误差。然后，完整的硬/软铁模型1112接替该校准估算以细化精确度。借助缓冲的磁力计数据，可以实现向前和向后处理。缓冲的XYZ磁力计数据可以被向后处理，用于软铁校准的完整的模型。由于借助地球磁场的水平分量计算航向，也包含了水平硬/软铁校准以增加水平平面的航向精确度。由卡尔曼滤波器为硬铁和软铁校准和补偿磁力计数据之后，该磁力计数据被变换到水平平面。如果地球磁场的水平分量中没有硬/软铁剩余，3-D地球磁场向量的2-D水平向量的幅度恒定，并且该2-D水平向量的轨迹是圆。然而，如果地球磁场向量的水平分量中仍然有硬/软铁剩余，3-D地球磁场向量的2-D水平磁场向量的幅度不恒定，并且该2-D水平磁场向量的轨迹是椭圆。水平硬/软铁校准被设计以通过估算椭圆参数来估算和补偿在2-D水平磁场向量中剩余的软铁和硬铁。
本领域的普通技术人员将理解的是，虽然上述实施例相对于地球磁场，可以修改该实施例以调整到地球以外的体的磁场，如果这样的系统将被用于此处。这样的实现和使用属于本文所描述发明的范围之内。
另外，本发明的实施例已经被描述为包括具体的值的确定。应当理解的是，这些确定可以通过计算或计算步骤来完成，因此，如本文所使用的，确定(determination)和计算(calculation)或确定(determining)和计算(calculating)表示相同的概念。
上述发明的实施例可以在所有的硬件、或硬件和软件的组合(包括以固件格式存储以支持专用硬件的程序代码)中实现。上述(多个)实施例的软件实现可以包含一系列的计算机指令，所述指令要么固定在有形介质(例如计算机可读介质，例如磁盘、CD-ROM、ROM或固定盘)上，要么经由调制解调器或其他接口设备可在载波中传播到计算机系统。该介质可以是有形介质，包括但不限于光学或模拟通信线路，或可以使用无线技术来实现，包括但不限于：无线电、微波、红外线或其他传输技术。无论是包含在有形介质或者载波中的一系列计算机指令体现了相对于本发明的实施例的前文所述的全部或部分功能。本领域的技术人员将理解的是，这样的计算机指令可以用多种编程语言编写，以供许多计算机架构或操作系统来使用，并且可以以机器可执行的形式存在。可以设想，这样的计算机程序产品可以作为伴随印刷或电子文档的可移动介质而分发，例如，压缩打包软件、预装计算机系统，例如，在系统ROM或固定盘上，或从服务器通过网络分发，例如，互联网或万维网。
尽管本发明的各种示例性实施例已经被公开，但对本领域的技术人员显而易见的是，可以做出将得到本发明的一些优点的改变和修改，而不脱离本发明的一般概念。对本领域的合理的技术人员显而易见的是，其他执行相同功能的部件可以被适当地替代。此外，本发明的方法要么可以通过使用合适的处理器指令在所有的软件实现中实现，要么在利用硬件逻辑与软件逻辑的组合的混合实现中实现，以实现相同的结果。这样的变更、修改、以及改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在属于本发明的范围之内。因此，前面的描述和附图仅通过示例的方式，并且本发明的范围应该由所附权利要求的适当的结构以及它们的等同物来确定。
Claims (6)
1.一种用于融合来自三轴磁力计和三轴加速度计的数据以提供设备的磁航向的计算机实现的方法，所述方法包括：
从与所述设备相关联的所述磁力计接收磁场测量；
从与所述设备相关联的所述加速度计接收加速度测量；
对所述磁场测量进行滤波，以消除离群数据点和噪声，并且获得经滤波的磁场数据；
对所述加速度测量进行滤波，以消除离群数据点和噪声，并且获得经滤波的加速度测量；
根据一个或多个误差源校正所述经滤波的加速度测量，并且获得经校正的加速度测量，其中，针对硬铁和软铁失真校正所述经滤波的磁场数据包括：对所述经滤波的磁场数据应用第一卡尔曼滤波器，并且生成第一软铁和硬铁矩阵，其中，所述第一卡尔曼滤波器基于当地地球磁场向量的幅度恒定的原理；
针对硬铁和软铁失真校正所述经滤波的磁场数据，并且获得经校正的磁场测量；
根据所述经校正的加速度测量，计算所述设备的准静态滚转和俯仰角；
根据计算的准静态滚转和俯仰角，形成从体坐标系到水平坐标系的变换矩阵；
将所述经校正的磁场测量从所述体坐标系变换到所述水平坐标系并且生成水平磁场向量；以及
根据生成的水平磁场向量，确定所述设备的磁航向，
并且所述方法进一步包括：
确定所述设备何时处于准静态条件以及，如果确定如此，则：对所述经滤波的磁场数据应用第二卡尔曼滤波器，并且生成耦合的软铁/偏差校正矩阵，其中，所述第二卡尔曼滤波器基于所述当地地球磁场向量和重力加速度向量之间的角度恒定的原理；以及
用所述第一软铁矩阵乘所述耦合的软铁/偏差校正矩阵，并且生成软铁校正矩阵，其中，根据生成的软铁校正矩阵确定所述设备的所述磁航向。
2.如权利要求1所述的计算机实现的方法，进一步包括：
确定是否出现磁场干扰。
3.如权利要求1所述的计算机实现的方法，进一步包括：
确定所述磁场是否稳定。
4.一种用于融合来自三轴磁力计和三轴加速度计的数据以提供设备的磁航向的计算机实现的设备，所述设备包括：
用于从与所述设备相关联的所述磁力计接收磁场测量的模块；
用于从与所述设备相关联的所述加速度计接收加速度测量的模块；
用于对所述磁场测量进行滤波，以消除离群数据点和噪声，并且获得经滤波的磁场数据的模块；
用于对所述加速度测量进行滤波，以消除离群数据点和噪声，并且获得经滤波的加速度测量的模块；
用于根据一个或多个误差源校正所述经滤波的加速度测量，并且获得经校正的加速度测量的模块，其中，针对硬铁和软铁失真校正所述经滤波的磁场数据包括：对所述经滤波的磁场数据应用第一卡尔曼滤波器，并且生成第一软铁和硬铁矩阵，其中，所述第一卡尔曼滤波器基于当地地球磁场向量的幅度恒定的原理；
用于针对硬铁和软铁失真校正所述经滤波的磁场数据，并且获得经校正的磁场测量的模块；
用于根据所述经校正的加速度测量，计算所述设备的准静态滚转和俯仰角的模块；
用于根据计算的准静态滚转和俯仰角，形成从体坐标系到水平坐标系的变换矩阵的模块；
用于将所述经校正的磁场测量从所述体坐标系变换到所述水平坐标系并且生成水平磁场向量的模块；
用于根据生成的水平磁场向量，确定所述设备的磁航向的模块；
用于确定所述设备何时处于准静态条件的模块，如果确定如此，则对所述经滤波的磁场数据应用第二卡尔曼滤波器，并且生成耦合的软铁/偏差校正矩阵，其中，所述第二卡尔曼滤波器基于所述当地地球磁场向量和重力加速度向量之间的角度恒定的原理；以及
用于用所述第一软铁矩阵乘所述耦合的软铁/偏差校正矩阵，并且生成软铁校正矩阵的模块，其中，根据生成的软铁校正矩阵确定所述设备的所述磁航向。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述设备进一步包括：
用于确定是否出现磁场干扰的模块。
6.如权利要求4所述的设备，其中，所述设备进一步包括：
用于确定所述磁场是否稳定的模块。
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