CN106153042A - 航向角获取方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航向角获取方法和装置，其中，该航向角获取方法包括：采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。本发明采用陀螺仪计算出的相对航向修正磁罗盘计算出的航向角，提高了磁罗盘航向角的抗干扰能力，从而可以更准确地获取航向角，提高定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航与定位领域，尤其涉及一种基于惯性传感器的航向角获取方法和装置。
背景技术
个人导航系统是指能够实时确定行人行进方向、速度、位置等信息的系统。个人导航系统通常采用各种传感器模块来测量行人运动参数，并通过定位导航计算机进行定位和导航的解算。例如，可以采用惯性测量单元(Inertialmeasurement unit，IMU)为核心的位置推算算法来推算行人的位置。
为了推算行人的位置，通常需要知道行人的行进方向、即航向角。一般可以根据陀螺仪测得的角速度或者磁力计(也称为磁强计、磁罗盘)测得的磁场强度来计算得到航向角。其中，使用陀螺仪求航向角，由于需要进行角速度积分，随着时间的推移会存在较大的累积误差；而使用磁力计求航向角，由于硬件自身的固有偏差以及测量得到的磁场强度不稳定等，导致计算出的航向角误差较大。因此，有必要研发能够有效提高航向角计算精度的航向角获取方法。
例如，中国发明专利申请CN104121905A提出了一种基于惯性传感器的航向角获取方法，包括：先分别使用陀螺仪测得的角速度和磁力计测得的磁场强度计算航向角；然后，根据陀螺仪的z轴数据计算出陀螺仪测得的航向角的可信度、即加权系数和磁力计测得的航向角的可信度、即加权系数，并基于计算出的加权系数对陀螺仪测得的航向角和磁力计测得的航向角进行加权融合，从而获得最后的航向角。
明显可见，上述方法主要基于陀螺仪的z轴数据来修正航向角。然而，根据陀螺仪的特性，在修正航向角的算法上有提升的空间。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何更准确地获取航向角，以提高定位精度。
解决方案
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种航向角获取方法，包括：
采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；
采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；
根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；
根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；
对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数，包括：
根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值；
计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数，包括：
根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值；
计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差；
计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差；
计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差；
根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
在一种可能的实现方式中，所述对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角，包括按如下计算式进行计算：
所述修正的航向角＝所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角或前一时刻的修正后的航向角+所述融合航向微分值。
在一种可能的实现方式中，所述采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值，包括：
采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角；
根据所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角与所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。
在一种可能的实现方式中，所述采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值，包括：
将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并获取所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角；
根据所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种航向角获取装置，包括：
第一微分计算模块，用于采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；
第二微分计算模块，用于采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；
加权系数计算模块，用于根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；
加权融合模块，与所述第一微分计算模块、所述第二微分计算模块和所述加权系数计算模块分别连接，用于根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；
积分计算模块，与所述加权融合模块连接，用于对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。
在一种可能的实现方式中，所述加权系数计算模块包括：
滑动窗口更新单元，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值；
z轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
加权系数计算单元，与所述z轴方差计算单元连接，用于根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
在一种可能的实现方式中，所述加权系数计算模块包括：
滑动窗口更新单元，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值；
x轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差；
y轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差；
z轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
线性组合单元，与所述x轴方差计算单元、y轴方差计算单元和z轴方差计算单元分别连接，用于将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差；
加权系数计算单元，与所述线性组合单元连接，用于根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
在一种可能的实现方式中，所述积分计算模块用于按如下计算式进行计算：
所述修正的航向角＝所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角或前一时刻的修正后的航向角+所述融合航向微分值。
在一种可能的实现方式中，所述第一微分计算模块包括：
航向计算单元，用于采用所述陀螺仪测量的前一时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角；
延迟单元，与所述航向计算单元连接，用于保存所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角；
微分计算单元，与所述航向计算单元和所述延迟单元分别连接，用于根据从所述航向计算单元获取的所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角与从所述延迟单元获取的所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。
在一种可能的实现方式中，所述第二微分计算模块包括：
航向计算单元，用于将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并获取所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角和当前时刻的航向角；
延迟单元，与所述航向计算单元连接，用于保存所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角；
微分计算单元，与所述航向计算单元和所述延迟单元分别连接，用于根据从所述航向计算单元获取的所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与从所述延迟单元获取的所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。
有益效果
本发明利用陀螺仪具有良好的抗干扰能力可以敏感角度的变化的特性，采用陀螺仪计算出的相对航向修正磁罗盘计算出的航向角，提高了磁罗盘航向角的抗干扰能力，从而可以更准确地获取航向角，提高定位精度。此外，采用陀螺仪三轴数据对陀螺仪与磁罗盘的航向微分值进行加权融合，提升了用于修正航向角的融合算法的性能。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出根据本发明一实施例的航向角获取方法的流程图；
图2示出根据本发明一实施例的航向角获取方法中采用陀螺仪的z轴数据计算加权系数的流程图；
图3示出根据本发明一实施例的航向角获取方法中采用陀螺仪的三轴数据计算加权系数的流程图；
图4示出根据本发明一实施例的航向角获取装置的结构框图；
图5示出根据本发明另一实施例的航向角获取装置的结构框图；
图6a为采用本发明与现有技术所得到航向角轨迹对比图；
图6b为图6a的A处放大图；
图6c为图6a的B处放大图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
图1示出根据本发明一实施例的航向角获取方法的流程图。如图1所示，该航向角获取方法主要包括：
步骤101、采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值，具体可以包括：
步骤1011、采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角。具体地，可以根据陀螺仪在载体坐标系下采样得到的三轴数据(角速度)更新四元数，根据四元数计算姿态余旋矩阵，再根据姿态余旋矩阵计算运动目标在k时刻的航向角heading_gyr(k)。
步骤1012、根据所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角与所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。具体地，陀螺仪可以分别计算运动目标在前一时刻的航向角：heading_gyr(k-1)以及在当前时刻的航向角heading_gyr(k)，再通过微分计算得到陀螺仪计算的航向微分值、即第一航向微分值delta_heading_gyr＝heading_gyr(k)-heading_gyr(k-1)。
步骤102、采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值，具体可以包括：
步骤1021、将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并获取所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角。具体地，可以根据俯仰角和横滚角将磁罗盘三轴载体坐标系数据转换到大地坐标系下，根据大地坐标系下xy轴的磁场强度计算运动目标在k时刻的航向角heading_compass(k)。
步骤1022、根据所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。具体地，磁罗盘可以分别计算运动目标前一时刻的航向角heading_compass(k-1)以及当前时刻的航向角heading_compass(k)，再通过微分计算得到磁罗盘计算的航向微分值delta_heading_compass＝heading_compass(k)-heading_compass(k-1)。
步骤103、根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数。
其中，根据陀螺仪的角速度的方差分别计算陀螺仪与的磁罗盘的加权系数，来修正上述步骤中计算得到的航向角微分，具体可以分为以下方式：
方式一、在计算陀螺仪和磁罗盘的加权系数时，可以使用惯性测量单元中陀螺仪的一轴数据的方差，例如，根据惯性测量单元的水平放置位置，陀螺仪z轴的数值代表航向角速度。
如图2所示，采用陀螺仪的z轴数据计算加权系数，具体可以包括：
步骤201、根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值。其中，滑动窗口长度与陀螺仪的自身参数和系统采样率有关，例如可以设置为5。
步骤202、计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差。
步骤203、根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
其中，所述调节参数C为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数例如1e8。
设归一化陀螺仪的可信度参数为C×Wvar，设归一化磁罗盘的可信度参数为1，则陀螺仪的加权系数weight_gyr为(C×Wvar)/(C×Wvar+1)；磁罗盘的加权系数weight_compass为1/(C×Wvar+1)。
方式二、在计算陀螺仪和磁罗盘的加权系数时，如果惯性测量单元不是绝对水平放置时，陀螺仪的x轴和y轴的数值也会对航向角产生影响，因此在计算陀螺仪和磁罗盘的加权系数时可以综合考虑陀螺仪三轴数据的方差。
如图3所示，采用陀螺仪的三轴数据计算加权系数，具体可以包括：
步骤301、根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值。其中，滑动窗口长度与陀螺仪的自身参数和系统采样率有关，例如可以设置为5。
步骤3021、计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差v_x。
步骤3022、计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差v_y。
步骤3023、计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差v_z。
步骤303、将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差。具体地，可以计算三轴方差的线性组合，将线形组合的结果作为当前时刻陀螺仪的可信度参数Wvar,线形组合的公式如下：
Wvar＝betax×v_x+betay×v_y+betaz×v_z
其中，betax+betay+betaz＝1，可以将betax、betay、betaz均设置为1/3，也可以根据具体应用场景选择其他参数。
步骤304、根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数。具体计算过程可以参见步骤203的相关描述。
步骤104、根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值。具体可以按如下计算式进行计算：
融合航向微分值delta_heading＝第一航向微分值delta_heading_gyr×第一加权系数weight_gyr+第二航向微分值delta_heading_compass×第二加权系数weight_compass。
步骤105、对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角，具体可以按如下计算式进行计算：
修正的航向角revise_heading(k)＝磁罗盘计算的前一时刻的航向角heading_compass(k-1)或前一时刻的修正后的航向角revise_heading(k-1)+融合航向微分值delta_heading。
本发明利用陀螺仪具有良好的抗干扰能力可以敏感角度的变化的特性，采用陀螺仪计算出的相对航向修正磁罗盘计算出的航向角，提高了磁罗盘航向角的抗干扰能力，从而可以更准确地获取航向角，提高定位精度。此外，采用陀螺仪三轴数据对陀螺仪与磁罗盘的航向微分值进行加权融合，提升了用于修正航向角的融合算法的性能。
图4示出根据本发明一实施例的航向角获取装置的结构框图。如图4所示，该航向角获取装置主要包括：
第一微分计算模块41，用于采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；
第二微分计算模块43，用于采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；
加权系数计算模块45，用于根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；
加权融合模块47，与所述第一微分计算模块、所述第二微分计算模块和所述加权系数计算模块分别连接，用于根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；
积分计算模块49，与所述加权融合模块连接，用于对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。
在一种可能的实现方式中，第一微分计算模块41包括：
航向计算单元411，用于采用所述陀螺仪测量的前一时刻的角速度，计算所述陀螺仪前一时刻的航向角，采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，计算所述陀螺仪当前时刻的航向角；
延迟单元413，与所述航向计算单元411连接，用于保存所述航向计算单元计算的所述陀螺仪前一时刻的航向角；
微分计算单元415，与所述航向计算单元411和所述延迟单元413分别连接，用于根据从所述航向计算单元411获取的所述陀螺仪当前时刻的航向角与从所述延迟单元413获取的所述陀螺仪前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。
具体地，陀螺仪可以实时测量运动目标的角速度，航向计算单元411根据陀螺仪测量的数据连续地计算运动目标的航向角，并可以将一些计算结果保存在延迟单元413中，以便后续进行微分计算。假设航向计算单元411计算的k-1时刻的航向角保存在延迟单元413中，在航向计算单元411计算得到k时刻的航向角后，微分计算单元415可以从航向计算单元411获取k时刻的航向角heading_gyr(k)并从延迟单元413获取k-1时刻的航向角heading_gyr(k-1)，从而通过微分计算得到陀螺仪计算的航向微分值、即第一航向微分值delta_heading_gyr＝heading_gyr(k)-heading_gyr(k-1)。其中，延迟单元413可以仅保存陀螺仪计算出的前一时刻的航向角，也可以保存多个时刻的历史数据，这种情况下微分计算单元415也可以直接根据延迟单元413中保存的历史数据计算某一时刻的第一航向微分值。
在一种可能的实现方式中，第二微分计算模块43包括：
航向计算单元431，用于将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并计算所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角和当前时刻的航向角；
延迟单元433，与所述航向计算单元431连接，用于保存所述航向计算单元计算的所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角；
微分计算单元435，与所述航向计算单元431和所述延迟单元433分别连接，用于根据从所述航向计算单元431获取的所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与从所述延迟单元433获取的所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。
与陀螺仪计算第一航向微分值类似，磁罗盘计算第二航向微分值时，也可以通过延迟单元433保存磁罗盘计算的历史数据，以便后续进行微分计算。微分计算单元435从航向计算单元431获取磁罗盘当前时刻的航向角heading_compass(k-1)以及当前时刻的航向角heading_compass(k)，再通过微分计算得到磁罗盘计算的航向微分值delta_heading_compass＝heading_compass(k)-heading_compass(k-1)。
在一种可能的实现方式中，加权系数计算模块45包括：
滑动窗口更新单元451，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值；
z轴方差计算单元453，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
加权系数计算单元455，与所述z轴方差计算单元连接，用于根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
具体可以参见上述方法实施例的步骤201至步骤203的相关描述。
在一种可能的实现方式中，积分计算模块49按如下计算式进行计算：
修正的航向角＝磁罗盘计算的前一时刻的航向角或前一时刻的修正后的航向角+所述融合航向微分值。
本发明利用陀螺仪具有良好的抗干扰能力，可以敏感角度的变化的特性，采用陀螺仪计算出的相对航向修正磁罗盘计算出的航向角，提高了磁罗盘航向角的抗干扰能力，从而可以更准确地获取航向角，提高定位精度。
图5示出根据本发明另一实施例的航向角获取装置的结构框图。图5中标号与图4相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。
如图5所示，与图4所示航向角获取装置的主要区别在于，该航向角获取装置的加权系数计算模块45包括：
滑动窗口更新单元51，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值；
x轴方差计算单元52，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差；
y轴方差计算单元53，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差；
z轴方差计算单元54，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
线性组合单元55，与所述x轴方差计算单元、y轴方差计算单元和z轴方差计算单元分别连接，用于将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差；
加权系数计算单元56，与所述线性组合单元连接，用于根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
具体可以参见上述方法实施例的步骤301至步骤304的相关描述。
图6a为采用本发明与现有技术所得到航向角轨迹对比图，如图6所示，真实的步行数据是在室内存在磁干扰的情况下采集得到，走路的路径曲线为直线，例如其中一条行走路线包括：从坐标(5，-1)到(9.5，-1)，从(9.5，-1)到(10，4.5)，从(10，4.5)到(6，4.5)，再从(6，4.5)到(5，-1)。采用本发明计算航向角的轨迹图为点划线所表示的曲线1，采用CN104121905A计算航向角的轨迹图为虚线所表示的曲线2，而将磁罗盘计算航向角作为解算航向角的轨迹图为实线所表示的曲线3。从放大图6b和6c可以看出，当室内存在磁干扰时，如果将磁罗盘计算的航向角作为解算航向角时，解算轨迹即曲线3会出现弯曲；曲线2的一部分解算轨迹比较直，但比较而言，本发明算出的曲线1的轨迹比曲线2和曲线3的现有技术所算出的轨迹更直，并且与真实的路径更为接近。
因此，本发明利用陀螺仪具有良好的抗干扰能力，可以敏感角度的变化的特性，采用陀螺仪计算出的相对航向修正磁罗盘计算出的航向角，提高了磁罗盘航向角的抗干扰能力，从而可以更准确地获取航向角，提高定位精度。此外，采用陀螺仪三轴数据对陀螺仪与磁罗盘的航向微分值进行加权融合，提升了用于修正航向角的融合算法的性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种航向角获取方法，其特征在于，包括：
采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；
采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；
根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；
根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；
对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数，包括：
根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值；
计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数，包括：
根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值；
计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差；
计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差；
计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差；
根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角，包括按如下计算式进行计算：
所述修正的航向角＝所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角或前一时刻的修正后的航向角+所述融合航向微分值。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值，包括：
采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角；
根据所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角与所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值，包括：
将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并获取所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角；
根据所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。
7.一种航向角获取装置，其特征在于，包括：
第一微分计算模块，用于采用陀螺仪测量的角速度，计算第一航向微分值；
第二微分计算模块，用于采用磁罗盘测量的磁场强度，计算第二航向微分值；
加权系数计算模块，用于根据所述陀螺仪的角速度的方差，分别计算所述陀螺仪的加权系数、即第一加权系数和所述磁罗盘的加权系数、即第二加权系数；
加权融合模块，与所述第一微分计算模块、所述第二微分计算模块和所述加权系数计算模块分别连接，用于根据所述第一加权系数和所述第二加权系数对所述第一航向微分值和所述第二航向微分值进行加权融合，得到融合航向微分值；
积分计算模块，与所述加权融合模块连接，用于对所述融合航向微分值进行积分计算，得到修正的航向角。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加权系数计算模块包括：
滑动窗口更新单元，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的z轴角速度，更新滑动窗口内的数值；
z轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
加权系数计算单元，与所述z轴方差计算单元连接，用于根据调节参数以及所述z轴方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加权系数计算模块包括：
滑动窗口更新单元，用于根据所述陀螺仪测量的当前时刻的x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度，分别更新x轴滑动窗口、y轴滑动窗口和z轴滑动窗口内的数值；
x轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述x轴滑动窗口内所有x轴角速度的方差，得到x轴方差；
y轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述y轴滑动窗口内所有y轴角速度的方差，得到y轴方差；
z轴方差计算单元，与所述滑动窗口更新单元连接，用于计算所述z轴滑动窗口内所有z轴角速度的方差，得到z轴方差；
线性组合单元，与所述x轴方差计算单元、y轴方差计算单元和z轴方差计算单元分别连接，用于将所述x轴方差、所述y轴方差、所述z轴方差进行线性组合，得到陀螺仪方差；
加权系数计算单元，与所述线性组合单元连接，用于根据调节参数以及所述陀螺仪方差分别计算所述第一加权系数和所述第二加权系数，其中所述调节参数为根据该计算的算法、所述陀螺仪的自身参数以及各所述滑动窗口的长度中的任意一个或多个确定的常数，所述第一加权系数与所述第二加权系数的加和等于1。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述积分计算模块用于按如下计算式进行计算：
所述修正的航向角＝所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角或前一时刻的修正后的航向角+所述融合航向微分值。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一微分计算模块包括：
航向计算单元，用于采用所述陀螺仪测量的前一时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，采用所述陀螺仪测量的当前时刻的角速度，获取所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角；
延迟单元，与所述航向计算单元连接，用于保存所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角；
微分计算单元，与所述航向计算单元和所述延迟单元分别连接，用于根据从所述航向计算单元获取的所述陀螺仪计算的当前时刻的航向角与从所述延迟单元获取的所述陀螺仪计算的前一时刻的航向角，计算所述第一航向微分值。
12.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二微分计算模块包括：
航向计算单元，用于将所述磁罗盘测量的三轴载体坐标系的数据转换为大地坐标系的磁场强度，并获取所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角和当前时刻的航向角；
延迟单元，与所述航向计算单元连接，用于保存所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角；
微分计算单元，与所述航向计算单元和所述延迟单元分别连接，用于根据从所述航向计算单元获取的所述磁罗盘计算的当前时刻的航向角与从所述延迟单元获取的所述磁罗盘计算的前一时刻的航向角，计算所述第二航向微分值。
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