CN113390437A - 一种基于imu的计步定位的步长修正系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于IMU的计步定位的步长修正系统及方法，解决了IMU采集的数据有误差，且配合GPS无法精准定位的问题。系统包括IMU校准模块，用于对IMU采集的初始数据进行校准；姿态解算模块，用于接收并处理IMU校准模块处理后的数据，输出加速度计数据；滤波模块，用于接收并处理姿态解算模块的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；零速修正模块，用于接收并处理滤波模块的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；步长修正模块，用于接收并处理运算模块的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。本发明通过对IMU数据进行多重积分，并根据特殊的步长修正算法对其进行修正，解算出位移，在室内也能做到较为精准的定位效果。

Description

一种基于IMU的计步定位的步长修正系统及方法
技术领域
本发明属于定位领域，具体来说是一种基于IMU的计步定位的步长修正系统。
背景技术
IMU全称Inertial Measurement Unit，惯性测量单元，主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器。其原理是采用惯性定律实现的，这些传感器从超小型的的MEMS传感器，到测量精度非常高的激光陀螺，无论尺寸只有几个毫米的MEMS传感器，到直径几近半米的光纤器件采用的都是这一原理。
例如：MPU9250包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。陀螺仪(gyroscope)，是测量运载体角运动的仪器。加速度计(accelerometer)，是测量运载体线加速度的仪器。磁力计(magnetometer)，是用于测试磁场强度和方向，定位设备方位的仪器。
其中，加速度/磁力计具有高频噪声(需要低通滤波)，将加速度/磁力计的信号看成是音频信号，它们的信号会有很多“毛刺”，也就是说它们的瞬时值不够精确，解算出来的姿态会震荡，但长期来看姿态方向是对的。而陀螺仪具有低频噪声(需要高通滤波)，即每个时刻的得到的角速度是比较精确的，使用积分就能得到旋转角度(姿态)，但是积分会累积误差，因此积分到后面姿态就不对了，也就是漂移现象。
一般情况下，加速度传感器在静止状态(即只受重力作用)，重力在各个姿态下，在三维空间中，向量顶点会落在一个球面上。但在IMU中，x,y,z轴的度量单位很大可能不相同，假设各轴之间相互直，各姿态重力点会落在一个椭球面上，椭球的中心也不一定在原点，这其实就是加速度的偏移量。
在磁力计上，由于测量磁场强度，在环境不变的情况下，传感器每个姿态感受磁场强度是相同的，所以不需要静止状态，磁力计测量的x,y,z轴值，在没有偏差且传感器内部x,y,z轴相互垂直的情况下，在三维空间中组成一个圆球面。但是磁力计存在Hard IronDistortion和Soft Iron Distortion，使得x,y,z轴度量单位不相同，各轴也并非相互垂直，椭球球心也并非[0,0,0]坐标。
此外，传统IMU计步定位多使用GPS辅助计步器进行定位，但是在绝大多数室内环境下无法做到较为精准的定位效果。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于IMU的计步定位的步长修正系统及方法，解决了IMU采集的数据有误差，且配合GPS无法精准定位的问题。
本发明提供的基于IMU的计步定位的步长修正系统，所述系统包括
IMU校准模块，用于对IMU采集的初始数据进行校准；
姿态解算模块，用于接收并处理所述IMU校准模块处理后的数据，输出加速度计数据；
滤波模块，用于接收并处理所述姿态解算模块的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；
零速修正模块，用于接收并处理所述滤波模块的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；
步长修正模块，用于接收并处理所述运算模块的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。
优选地，所述IMU校准模块包括磁力计校准模块，所述IMU采集的数据包括磁力计数据，所述磁力计校准模块对IMU采集的磁力计数据校准。
优选地，所述IMU校准模块包括零漂数据存储模块和磁力计幅值数据存储模块，所述零漂数据存储模块用于存储磁力校准过程中的零漂值，所述磁力计幅值数据存储模块用于存储磁力计校准过程中的磁力计幅值。
优选地，所述滤波模块包括误差判断模块、反馈模块，所述滤波模块内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；
所述误差判断模块用于计算和分析所述滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，
如果二者的误差超过所述误差判断模块设定的阈值，所述反馈模块接收二者的误差并对所述滤波模块存储的滤波器参数进行调节；
如果二者的误差在所述误差判断模块设定的阈值内，所述滤波模块输出所述滤波加速度计数据至所述零速修正模块。
优选地，所述零速修正模块包括静态约束模块，所述静态约束模块以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将所述滤波加速度计数据代入下式子，求解所述偏差位移值；
Figure BDA0003051739680000031
Figure BDA0003051739680000032
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure BDA0003051739680000033
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure BDA0003051739680000034
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
优选地，所述零速修正模块还包括位移判断模块和重积分计算模块，
所述位移判断模块用于判断并处理偏差位移值，所述位移判断模块内存储有与所述偏差位移值一一对应的比较位移值，
所述重积分计算模块用于对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当所述偏差位移值与对应的比较位移值的差值在所述位移判断模块设置的差值范围内时，将所述滤波器加速度计数据输入所述重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入所述步长修正模块内。
本发明还提供了一种基于IMU的计步定位的步长修正方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：IMU校准模块对IMU采集的初始数据进行校准；
步骤S2：接收并处理步骤S1的IMU校准模块处理后的数据，输出加速度计数据；
步骤S3：接收并处理所述步骤S2的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；
步骤S4：接收并计算并处理所述步骤S3的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；
步骤S5：接收并处理所述步骤S4的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。
优选地，所述滤波模块包括误差判断模块、反馈模块，所述滤波模块内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；
所述误差判断模块计算和分析所述滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，
如果二者的误差超过所述误差判断模块设定的阈值，所述反馈模块接收二者的误差并对所述滤波模块存储的滤波器参数进行调节；
如果二者的误差在所述误差判断模块设定的阈值，所述滤波模块输出所述滤波加速度计数据至所述零速修正模块。
优选地，所述零速修正模块包括静态约束模块，所述静态约束模块以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将所述滤波加速度计数据代入下式子，求解所述偏差位移值；
Figure BDA0003051739680000051
Figure BDA0003051739680000052
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure BDA0003051739680000053
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure BDA0003051739680000054
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
优选地，所述零速修正模块还包括位移判断模块和重积分计算模块，
所述位移判断模块判断并处理偏差位移值，所述位移判断模块内存储有与所述偏差位移值一一对应的比较位移值，
所述重积分计算模块对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当所述偏差位移值与对应的比较位移值的差值在所述位移判断模块设置的差值范围内时，将所述滤波器加速度计数据输入所述重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入所述步长修正模块内。
本发明的有益效果至少为：
(1)本系统摆脱了传统计步定位系统依靠GPS的缺陷，通过对IMU数据进行顺序处理并重积分，再根据特殊的步长修正算法对其进行修正，解算出精确位移值，在室内也能做到较为精准的定位效果。
(2)本系统的滤波加速度计数据和预先存储的理想加速度计数据经由误差判断模块进行比较，根据预先设定的二者的误差范围阈值(反应预期的滤波效果)，不符合预期的滤波效果(二者误差大于误差范围阈值)，将误差输入到反馈模块内，并经由反馈模块将滤波器参数调节至相应的数值，再次循环前述比较过程，具有反馈调节的滤波模块实时对滤波器参数进行灵活的调节，滤波的效率和效果得到提高。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的方法流程图。
附图标记说明：
100-IMU校准模块；110-磁力计校准模块；111-零漂数据存储模块；112-磁力计幅值数据存储模块；
200-姿态解算模块；
300-滤波模块；310-误差判断模块；320-反馈模块；
400-零速修正模块；410-静态约束模块；420-位移判断模块；430-重积分计算模块；
500-步长修正模块。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供了一种基于IMU的计步定位的步长修正系统及方法，解决了IMU采集的数据有误差，且配合GPS无法精准定位的问题。
实施例一
如图1所示，本发明提供的基于IMU的计步定位的步长修正系统，系统包括IMU校准模块100，用于对IMU采集的初始数据进行校准；姿态解算模块200，用于接收并处理IMU校准模块100处理后的数据，输出加速度计数据；滤波模块300，用于接收并处理姿态解算模块200的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；零速修正模块400，用于接收并处理滤波模块300的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；步长修正模块500，用于接收并处理运算模块的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。本系统通过IMU校准模块100对IMU采集的初始数据进行校准，校准后的数据经姿态解算模块200处理输出加速度计数据，加速度计数据经滤波模块300处理后，输出滤波加速度计数据至零速修正模块400，零速修正模块400处理后输出偏差位移值至步长修正模块500，经步长修正模块500处理输出精确位移值。本系统摆脱了传统计步定位系统依靠GPS的缺陷，通过对IMU数据进行顺序处理并重积分，再根据特殊的步长修正算法对其进行修正，解算出精确位移值，在室内也能做到较为精准的定位效果。
优选地，IMU校准模块100包括磁力计校准模块110，IMU采集的数据包括磁力计数据，磁力计校准模块110对IMU采集的磁力计数据校准。
优选地，IMU校准模块100包括零漂数据存储模块111和磁力计幅值数据存储模块112，零漂数据存储模块111用于存储磁力校准过程中的零漂值，磁力计幅值数据存储模块112用于存储磁力计校准过程中的磁力计幅值。
具体地，磁力计校准包括零漂(分布中心点的漂移)的修正与三维空间内磁力计幅值的校准。综合以上两点，将校准方程描述为：
Figure BDA0003051739680000081
其中B矩阵是一个3x3的对称矩阵，用以校准磁力计的三维空间幅值。
使用最小二乘法求解椭球矩阵方程，椭圆方程格式如下：
ax2+by2+cz2+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz＝1
将采集的数据(x、y、z)带入上式，每一组数据作为矩阵一行，构筑矩阵：
Figure BDA0003051739680000082
Figure BDA0003051739680000083
A矩阵即是所求椭球方程矩阵。
A矩阵的(g.h.i)即是所求零漂。
A矩阵的对角化矩阵即是所求B矩阵。
经零漂数据存储模块111和磁力计幅值数据存储模块112校准后的磁力计数据误差减小，减小了误差累积，有利于获得更为精确的位移值。
优选地，滤波模块300包括误差判断模块310、反馈模块320，滤波模块300内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；误差判断模块310用于计算和分析滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，如果二者的误差超过误差判断模块310设定的阈值，反馈模块320接收二者的误差并对滤波模块300存储的滤波器参数进行调节；如果二者的误差在误差判断模块310设定的阈值内，滤波模块300输出滤波加速度计数据至零速修正模块400。滤波加速度计数据和预先存储的理想加速度计数据经由误差判断模块310进行比较，根据预先设定的二者的误差范围阈值(反应预期的滤波效果)，不符合预期的滤波效果(二者误差大于误差范围阈值)，将误差输入到反馈模块320内，并经由反馈模块320将滤波器参数调节至相应的数值，再次循环前述比较过程，具有反馈调节的滤波模块300实时对滤波器参数进行灵活的调节，滤波的效率和效果得到提高。
优选地，零速修正模块400包括静态约束模块410，静态约束模块410以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将滤波加速度计数据代入下式子，求解偏差位移值；
Figure BDA0003051739680000091
Figure BDA0003051739680000092
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure BDA0003051739680000093
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure BDA0003051739680000094
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
由于加速度是速度的变化量，而速度是位移的变化量，因此加速度的二次积分即为实际的位移。结合本发明，滤波加速度计数据的误差也会被积分两次从而放大，因此在算法中加入静态约束以修正加速度的积分误差。
优选地，零速修正模块400还包括位移判断模块420和重积分计算模块430，
位移判断模块420用于判断并处理偏差位移值，位移判断模块420内存储有与偏差位移值一一对应的比较位移值，
重积分计算模块430用于对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当偏差位移值与对应的比较位移值的差值在位移判断模块420设置的差值范围内时，将滤波器加速度计数据输入重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入步长修正模块500内。对于位移极小的步，不进行数据修正，一般认为该情况下IMU数据是可靠的。
实施例二
如图2所示，本发明还提供了一种基于IMU的计步定位的步长修正方法，方法包括如下步骤：
步骤S1：IMU校准模块100对IMU采集的初始数据进行校准；
步骤S2：接收并处理步骤S1的IMU校准模块100处理后的数据，输出加速度计数据；
步骤S3：接收并处理步骤S2的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；
步骤S4：接收并计算并处理步骤S3的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；
步骤S5：接收并处理步骤S4的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。
优选地，滤波模块300包括误差判断模块310、反馈模块320，滤波模块300内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；
误差判断模块310计算和分析滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，
如果二者的误差超过误差判断模块310设定的阈值，反馈模块320接收二者的误差并对滤波模块300存储的滤波器参数进行调节；
如果二者的误差在误差判断模块310设定的阈值，滤波模块300输出滤波加速度计数据至零速修正模块400。
优选地，零速修正模块400包括静态约束模块410，静态约束模块410以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将滤波加速度计数据代入下式子，求解偏差位移值；
Figure BDA0003051739680000111
Figure BDA0003051739680000112
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure BDA0003051739680000113
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure BDA0003051739680000114
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
优选地，零速修正模块400还包括位移判断模块420和重积分计算模块430，
位移判断模块420判断并处理偏差位移值，位移判断模块420内存储有与偏差位移值一一对应的比较位移值，
重积分计算模块430对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当偏差位移值与对应的比较位移值的差值在位移判断模块420设置的差值范围内时，将滤波器加速度计数据输入重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入步长修正模块500内。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述系统包括
IMU校准模块，用于对IMU采集的初始数据进行校准；
姿态解算模块，用于接收并处理所述IMU校准模块处理后的数据，输出加速度计数据；
滤波模块，用于接收并处理所述姿态解算模块的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；
零速修正模块，用于接收并处理所述滤波模块的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；
步长修正模块，用于接收并处理所述运算模块的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。
2.根据权利要求1所述的基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述IMU校准模块包括磁力计校准模块，所述IMU采集的数据包括磁力计数据，所述磁力计校准模块对IMU采集的磁力计数据校准。
3.根据权利要求2所述的基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述IMU校准模块包括零漂数据存储模块和磁力计幅值数据存储模块，所述零漂数据存储模块用于存储磁力校准过程中的零漂值，所述磁力计幅值数据存储模块用于存储磁力计校准过程中的磁力计幅值。
4.根据权利要求1所述的基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述滤波模块包括误差判断模块、反馈模块，所述滤波模块内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；
所述误差判断模块用于计算和分析所述滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，
如果二者的误差超过所述误差判断模块设定的阈值，所述反馈模块接收二者的误差并对所述滤波模块存储的滤波器参数进行调节；
如果二者的误差在所述误差判断模块设定的阈值内，所述滤波模块输出所述滤波加速度计数据至所述零速修正模块。
5.根据权利要求1或4所述的基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述零速修正模块包括静态约束模块，所述静态约束模块以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将所述滤波加速度计数据代入下式子，求解所述偏差位移值；
Figure FDA0003051739670000021
Figure FDA0003051739670000022
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure FDA0003051739670000023
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure FDA0003051739670000024
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
6.根据权利要求5所述的基于IMU的计步定位的步长修正系统，其特征在于，所述零速修正模块还包括位移判断模块和重积分计算模块，
所述位移判断模块用于判断并处理偏差位移值，所述位移判断模块内存储有与所述偏差位移值一一对应的比较位移值，
所述重积分计算模块用于对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当所述偏差位移值与对应的比较位移值的差值在所述位移判断模块设置的差值范围内时，将所述滤波器加速度计数据输入所述重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入所述步长修正模块内。
7.一种基于IMU的计步定位的步长修正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：IMU校准模块对IMU采集的初始数据进行校准；
步骤S2：接收并处理步骤S1的IMU校准模块处理后的数据，输出加速度计数据；
步骤S3：接收并处理所述步骤S2的加速度计数据，输出滤波加速度计数据；
步骤S4：接收并计算并处理所述步骤S3的滤波加速度计数据，输出零速修正后的偏差位移值；
步骤S5：接收并处理所述步骤S4的偏差位移值，输出经步长修正后的精确位移值。
8.根据权利要求7所述的基于IMU的计步定位的步长修正方法，其特征在于，所述滤波模块包括误差判断模块、反馈模块，所述滤波模块内存储有理想加速度计数据和滤波器参数；
所述误差判断模块计算和分析所述滤波加速度计数据和理想加速度计数据的误差，
如果二者的误差超过所述误差判断模块设定的阈值，所述反馈模块接收二者的误差并对所述滤波模块存储的滤波器参数进行调节；
如果二者的误差在所述误差判断模块设定的阈值，所述滤波模块输出所述滤波加速度计数据至所述零速修正模块。
9.根据权利要求8所述的基于IMU的计步定位的步长修正方法，其特征在于，所述零速修正模块包括静态约束模块，所述静态约束模块以采集到实验者脚落地作为一步的截止运动时刻，实验者脚抬起作为一步的起始运动时刻，将所述滤波加速度计数据代入下式子，求解所述偏差位移值；
Figure FDA0003051739670000031
Figure FDA0003051739670000041
其中，Vs表示截止运动速度，
Figure FDA0003051739670000042
表示起始运动速度，ts表示截止运动时刻，
Figure FDA0003051739670000043
表示起始运动时刻，Xu表示偏差位移值，ɑu表示滤波加速度计数据。
10.根据权利要求9所述的基于IMU的计步定位的步长修正方法，其特征在于，所述零速修正模块还包括位移判断模块和重积分计算模块，
所述位移判断模块判断并处理偏差位移值，所述位移判断模块内存储有与所述偏差位移值一一对应的比较位移值，
所述重积分计算模块对滤波器加速度计数据进行重积分运算，当所述偏差位移值与对应的比较位移值的差值在所述位移判断模块设置的差值范围内时，将所述滤波器加速度计数据输入所述重积分计算模块进行重积分，并将重积分所得的位移值输入所述步长修正模块内。
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