CN117782166A - 陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质，应用于陀螺仪技术领域，通过对MEMS陀螺仪的确定性漂移和随机漂移进行处理，得到去除误差后的陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据，对MEMS陀螺仪原始数据进行小波分解，同时建立姿态解算梯度下降数学模型，从而修正姿态误差。

Description

陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

MEMS陀螺仪具有尺寸小、成本低、集成度高、可批量生产化等特点，在导航、车辆、自动驾驶、机器人等领域有着广阔的应用空间。作为现代电子信息领域一个重要的运用，MEMS陀螺仪将机械加工技术、驱动集成技术、光学处理技术、电子控制技术集成为一个微型单元系统。陀螺仪作为这种微机械电子系统敏感运载体角速率或角速度的惯性测量元件，能够感受到载体在不同时刻的方位变化，通过相应的机械编排程序，能够时刻解算出物体的移动方向，对现代产业中的自动驾驶，智能机器人有着重要的作用。现在制造技术已经将MEMS陀螺仪集成于一个系统中，其具有器件结构牢固、抗干扰能力强、功耗低等优点，具有非常大的应用前景和发展潜力。

MEMS陀螺仪由于在加工制造、物理结构等方面存在着精度误差，在输出数据过程中常常伴随着噪声，MEMS陀螺仪的随机漂移误差对姿态解算的影响较大，其主要成分为确定性漂移和非确定随机漂移，直接使用原始数据进行姿态解算与真实的姿态之间有较大误差。

目前传统的针对陀螺仪的去噪方法常是采用三通一阻(低通、高通、带通、带阻滤波器)，以剔除数据中带有的噪声干扰项，这些滤波器的设计参数往往根据大量的经验进行调试。当数据信号的部分噪声重叠较严重时，使用传统的去噪方法通常不能够有效去噪声干扰。

因此，现有技术中存在无法对陀螺仪进行有效除噪的问题，导致在陀螺仪进行姿态解算时其解算结果与真实姿态之间存在较大的误差。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本申请提供了陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质，应用于陀螺仪技术领域，通过对MEMS陀螺仪的确定性漂移和随机漂移进行处理，得到去除误差后的陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据，对MEMS陀螺仪原始数据进行小波分解，同时建立姿态解算梯度下降数学模型，从而修正姿态误差。

第一方面，本申请提供一种陀螺仪姿态误差的修正方法，该方法包括以下步骤：

S1：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据所述实际测量输出对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

S2：获取所述陀螺仪的静态输出数据，根据所述静态输出数据对所述陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

S3：对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

S4：建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对所述陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

本申请提供的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，由于陀螺仪的随机漂移误差对姿态解算的结果影响较大，其主要成分为确定性漂移和非确定性漂移，直接使用原始数据进行姿态解算与真实的姿态之间有较大误差，因此可以获取陀螺仪三轴的实际测量输出，并对确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据，而后获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，从而对陀螺仪原始输出数据中的随机漂移误差进行矫正。由于陀螺仪输出的原始数据中存在较多的噪声干扰项，因此，在进行姿态解算前需要剔除原始数据中的噪声信号，具体可以采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，得到陀螺仪降噪输出数据，进而建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息，以实现消除陀螺仪原始数据中的噪声干扰信号，修正姿态误差的效果。

进一步地，步骤S1包括：

S11：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，建立陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的确定性漂移误差标定方程：

中，W_x、W_y、W_z为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的实际测量输出；ω_x0、ω_y0、ω_z0为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的零位误差；K_ωx、K_ωy、K_ωz为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的标度因数误差；K_xy、K_xz、K_yx、K_yz、K_zy、K_zx为陀螺仪各轴之间的安装误差，其中，在数值上，K_xy与K_yx相等，K_xz与K_zx相等，K_yz与K_zy相等；在物理意义上，K_xy表示X轴影响Y轴的安装误差，K_yx表示Y轴影响X轴的安装误差，K_xz表示X轴影响Z轴的安装误差，K_zx表示Z轴影响X轴的安装误差，K_yz表示Y轴影响Z轴的安装误差，K_zy表示Z轴影响Y轴的安装误差；ω_x、ω_y、ω_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实角速率；D_xx、D_xy、D_xz、D_yx、D_yy、D_yz、D_zx、D_zy、D_zz为陀螺仪正交不平衡误差；a_x、a_y、a_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实加速度；

S12：根据确定性漂移误差标定方程对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据。

本申请提供的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，通过建立确定性漂移误差标定方程，对陀螺仪输出的原始数据中的确定性漂移误差进行矫正，以提高后续进行陀螺仪姿态解算的准确度。

进一步地，步骤S2包括：

S21：获取所述陀螺仪的静态输出数据，对所述陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理，得到第一处理结果；

S22：对所述第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果；

S23：对所述第二处理结果进行温度补偿处理，得到陀螺仪补偿输出数据。

本申请提供的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，通过对陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理、去趋势项处理以及温度补偿处理后，可以得到陀螺仪补偿输出数据，对陀螺仪输出的原始数据中的非确定性漂移误差进行矫正，以提高后续进行陀螺仪姿态解算的准确度。

进一步地，步骤S21包括：去除常值分量的公式为：其中，x_t表示静态输出数据，N表示数据量。

本申请提供的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，通过去除常值分量公式对静态输出数据进行去除常值分量处理，可以得到更为准确的陀螺仪随机漂移误差数据，以便于更好的对陀螺仪随机漂移误差数据中的非确定性漂移进行补偿。

进一步地，步骤S22包括：使用最小二乘法对所述第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果，其中最小二乘法的公式为：其中，L表示计算出来的趋势项，也就是通过最小二乘得到的最优解,i表示第一处理结果包含的数据数量，i＝1,2，…，n，y_i表示数据的真实值，即第一处理结果，f(x_i)表示理论上不含有趋势项的理论值。

进一步地，步骤S3包括：

S31：确定所述小波函数的小波基函数以及分解层数，根据所述小波基函数以及所述分解层数对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波分解计算，得到小波分解信号；

S32：对所述小波分解信号的高频系数进行阈值量化，得到高频系数分量；

S33：获取所述小波分解信号的低频系数，并结合所述高频系数分量对所述小波分解信号进行重构，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据。

进一步地，步骤S4包括：

陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型为：

α₁+α₂＝1，0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，其中，α1、α2是姿态融合的加权系数；/>设采样时间间隔为Δt；陀螺仪的单位时间误差为β，陀螺仪的误差为βΔt，/>为陀螺仪计算出来的姿态，/>为加速度计和磁场计共同计算出来的姿态，所述陀螺仪降噪输出数据包括/>和/> 为载体的真实姿态信息，u_t为陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型的步长。

第二方面，本申请提供陀螺仪姿态误差的修正装置，所述装置包括：

第一获取模块：用于获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据所述实际测量输出对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

第二获取模块：用于获取所述陀螺仪的静态输出数据，根据所述静态输出数据对所述陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

降噪模块：用于对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

解算模块：用于建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对所述陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，该存储器存储有计算机可读取指令，当计算机可读取指令由处理器执行时，运行如上述第一方面提供的方法中的步骤。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的方法中的步骤。

有益效果：本申请提供的陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取陀螺仪三轴的实际测量输出，建立确定性漂移误差标定方程对确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据，而后获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，从而对陀螺仪原始输出数据中的随机漂移误差进行矫正。由于陀螺仪输出的原始数据中存在较多的噪声干扰项，因此，在进行姿态解算前需要剔除原始数据中的噪声信号，具体可以采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，得到陀螺仪降噪输出数据，进而建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息，以实现消除陀螺仪原始数据中的噪声干扰信号，修正姿态误差的效果。

附图说明

图1为本申请提出的陀螺仪姿态误差的修正方法的流程示意图。

图2为本申请提出的陀螺仪姿态误差的修正装置的结构示意图。

图3为本申请提供的电子设备的结构示意图。

标号说明：201、第一获取模块；202、第二获取模块；203、降噪模块；204、解算模块；3、电子设备；301、处理器；302、存储器；303、通信总线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。通常在此处附图中描述和标出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一、第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下文公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的目的，解决了现有技术中存在的问题。目前，低成本的MEMS陀螺仪姿态解算系统，由于低成本的陀螺仪在加工制造、材料选配等环节存在着较大的误差，同时器件性能容易受到温度影响，在输出原始数据过程中与真实值存在偏差。而现有的姿态解算的方法无法实现对陀螺仪进行有效的除噪处理，导致在陀螺仪进行姿态解算时其解算结果与真实姿态之间存在较大的误差。为了解决该问题，本申请提出了陀螺仪姿态误差的修正方法、装置、电子设备及存储介质，具体如下：

请参照图1，本申请实施例提供陀螺仪姿态误差的修正方法，该方法包括以下步骤：

S1：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据实际测量输出对陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

S2：获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

S3：对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

S4：建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

其中，在实际应用中，低成本的MEMS陀螺仪由于在加工制造、物理结构等方面存在着精度误差，在输出数据过程中常常伴随着噪声，同时器件性能容易受到温度影响，在输出原始数据的过程中与真实值存在偏差，进而导致利用原始数据进行姿态解算的结果往往与真实的姿态存在较大的误差。导致姿态解算存在误差的数据主要为陀螺仪的随机漂移误差，该随机漂移误差的主要成分为确定性漂移与非确定性漂移，因此，为了对陀螺仪的姿态误差进行修正，首先需要对陀螺仪的确定性漂移进行标定，以及对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿。

其中，在步骤S1中，汽车导航定位中载体通常采用三轴陀螺仪进行载体姿态解算，三轴陀螺仪包含互相垂直的X轴、Y轴、Z轴，用于测量载体的位置、速度和姿态。其中，三轴陀螺仪的各轴上均安装有陀螺转子以及加速度计，陀螺仪X轴、Y轴、Z轴上的实际测量输出即分别表示X轴、Y轴、Z轴上的陀螺转子输出的角速度，上述各轴上的角速度与各轴上加速度计的输出配合可以进行载体位置、速度以及姿态的解算。对于三轴陀螺仪来说，其测量结果的精度与构成三轴陀螺仪的各单轴陀螺仪的零位误差、标度因数误差以及各单轴陀螺仪敏感轴之间的不正交的安装误差相关。其中，确定性漂移主要包括零位误差、标度因数误差、安装误差以及正交不平衡误差，为了对陀螺仪确定性漂移进行标定，需要对陀螺仪进行校准操作，即对陀螺仪的零位误差、标度因数误差、安装误差、正交不平衡误差等参数进行校准。其校准过程可以为：将陀螺仪放置在已知角度下，记录陀螺仪的输出数据来进行陀螺仪校准。进一步地，在一些具体的实施方式中，步骤S1包括：

S11：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，建立陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的确定性漂移误差标定方程：

其中，W_x、W_y、W_z为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的实际测量输出；ω_x0、ω_y0、ω_z0为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的零位误差；K_ωx、K_ωy、K_ωz为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的标度因数误差；K_xy、K_xz、K_yx、K_yz、K_zy、K_zx为陀螺仪各轴之间的安装误差，其中，在数值上，K_xy与K_yx相等，K_xz与K_zx相等，K_yz与K_zy相等；在物理意义上，K_xy表示X轴影响Y轴的安装误差，K_yx表示Y轴影响X轴的安装误差，K_xz表示X轴影响Z轴的安装误差，K_zx表示Z轴影响X轴的安装误差，K_yz表示Y轴影响Z轴的安装误差，K_zy表示Z轴影响Y轴的安装误差；ω_x、ω_y、ω_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实角速率；D_xx、D_xy、D_xz、D_yx、D_yy、D_yz、D_zx、D_zy、D_zz为陀螺仪正交不平衡误差；a_x、a_y、a_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实加速度；

S12：根据确定性漂移误差标定方程对陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据。

其中，在实际应用中，可以根据陀螺仪三轴的实际测量输出，三轴的零位误差，三轴的标度因数，三轴之间的安装误差，以及载体三轴的真实角速度，陀螺仪的正交不平衡误差以及载体的真实加速度对陀螺仪的确定性漂移进行标定，即获得陀螺仪在已知角度下的实际测量输出与确定性漂移之间的关系，从而可根据实际测量输出与确定性漂移之间的关系计算得出未知角度下的陀螺仪标定输出数据，实现提高陀螺仪的测量精度的目的。

其中，在实际应用中，在步骤S2中，在对MEMS陀螺仪静态数据采集过程中，由于采集系统的硬件固有误差以及温度、重力加速度、电磁场等环境干扰噪声影响，采集得到的原始静态数据为非零均值的误差数据。因此，为了得到更为准确的陀螺仪非确定性漂移误差数据，必须对陀螺仪的静态输出数据进行补偿处理，得到陀螺仪的补偿输出数据。

进一步地，在一些具体的实施方式中，步骤S2包括：

S21：获取陀螺仪的静态输出数据，对陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理，得到第一处理结果；

S22：对第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果；

S23：对第二处理结果进行温度补偿处理，得到陀螺仪补偿输出数据。

其中，在实际应用中，为得到更为准确的陀螺仪非确定性漂移误差数据，同时为后面的数据检验做准备，从而建立更精确的非确定性漂移误差模型，必须首先对MEMS陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理。具体地，步骤S21包括：去除常值分量的公式为：其中，x_t表示静态输出数据，N表示数据量。通过该去除常值分量的公式，对静态输出数据进行补偿前的初步处理。

进一步的，对去除常值分量处理后的静态输出数据进行去趋势项处理，其中，在实际应用中，理论上的零均值平稳时间序列数据中是不含有确定的确定性部分，即不含有线性或者非线性的趋势项。通常，在静态输出数据采集过程中，因为外界的温度、系统硬件性能等其它外界干扰，导致信号中含有部分线性项或者非线性项成分，将其称为信号的趋势项。在惯性导航领域，需要对陀螺仪的静态输出数据进行积分处理，而由于静态输出数据趋势项的存在，会促使积分结果逐渐偏离真实值，系统的测量误差累积增大。因此去除陀螺仪中随机漂移误差中的趋势项，是将陀螺仪输出数据变为零均值非平稳正态序列的必要条件。进一步的，在一些具体的实施方式中，S22包括：使用最小二乘法对第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果，其中最小二乘法的公式为：其中，L表示计算出来的趋势项，也就是通过最小二乘得到的最优解,i表示第一处理结果包含的数据数量，i＝1,2，…，n，y_i表示数据的真实值，即第一处理结果，f(x_i)表示理论上不含有趋势项的理论值。

其中，在实际应用中，对静态输出数据进行去除常值分量以及去趋势项处理之后对第二处理结果进行温度补偿，消除外界温度对陀螺仪各器件性能的影响，具体过程可以为：根据设定的取样间隔，获取一段时间内的MEMS陀螺仪零偏和温度值，零偏和温度值均取时间间隔内的数据均值。MEMS陀螺仪零偏随着温度的变化是一个连续动态平衡过程，这种连续过程可以采用微分方程的形式予以描述，以温度T为输入变量，零偏Y为输出变量，建立系统的差分方程：

Y_n+a₁Y_n-1+a₂Y_n-2+...a_KY_n-K=

b₀T_n+b₁T_n-1+b₂T_n-2+...+b_mT_n-m

其中，K为差分方程的阶次，Y_n-K，…，Y_n-1，Y_n为从n-K时刻到n时刻的陀螺仪零偏；T_n-m，…，T_n-1，T_n为从n-m时刻到n时刻的陀螺仪温度；a₁，…，a_K，，b₀，…，bm为方程的系数，K≥m，m为采样间隔区间个数，共有K+m+1个待求系数。

根据上面差分方差，可以求出零偏随温度的变化公式，将温度引起的零偏变化补偿到第二处理结果之中，通过温度补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，实现了提高陀螺仪的测量精度的效果。

其中，在实际应用中，陀螺仪的噪声分为内部噪声和外部噪声两种。内部噪声是由于材料、制造工艺、结构设计等原因造成的，这种噪声一般是稳定的，可以通过校准数据进行补偿，如上述对随机漂移误差的标定以及补偿。外部噪声则是由于周围环境的影响，如温度、压力、振动等引起的噪声，这种噪声的干扰比内部噪声更难处理，现有技术中通常采用三通一阻(低通、高通、带通、带阻滤波器)的方式，来剔除数据中带有的噪声干扰项，这些滤波器的设计参数往往根据大量的经验进行调试。当数据信号的部分噪声重叠较严重时，该去噪方法通常不能够有效去噪声干扰。为了解决该问题，本申请步骤S3中，采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，以消除陀螺仪输出数据中的噪声，在一些具体的实施方式中，步骤S3包括：

S31：确定小波函数的小波基函数以及分解层数，根据小波基函数以及分解层数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行小波分解计算，得到小波分解信号；

S32：对小波分解信号的高频系数进行阈值量化，得到高频系数分量；

S33：获取小波分解信号的低频系数，并结合高频系数分量对小波分解信号进行重构，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据。

其中，在实际应用中，小波变换作为一种时间-尺度上的分析方法，在时间、尺度(频率)这两域都能够用来表征数据或者信号局部特性，由于其在低频部分能够有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率。

小波函数如下：

其中，t为时间域，f(t)为能量的有限信号，R为空间域，L²(R)为能量有限信号空间。

对数据进行降噪得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据的具体过程为：首先利用小波函数分解一维信号，进行小波基函数的选择和分解层数的选择，然后进行计算，其中，小波基函数可以用来把小波函数表示成小波系数的可分离函数，常用于信号处理；其次，对小波函数分解后的信号中的高频系数进行阈值量化。针对分解后各尺度的高频系数选择适当的阈值进行信号阈值量化的处理；最后，一维小波重构。对由小波函数分解得到的底层低频系数和高层高频系数进行重构。

其中，在实际应用中，仅仅采用小波函数对陀螺仪的输出数据进行降噪处理并不能保证完全去除陀螺仪的噪声，尤其是在低成本的MEMS陀螺仪中，由于低成本陀螺仪的器件精度较低，输出数据常常包含较大的噪声误差，会使得姿态解算的结果快速发散，导致精度难以维系，为了解决该问题，步骤S4通过建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，以弥补MEMS陀螺仪器件的输出噪声，把陀螺仪，加速度计和磁力计三者组合在一起进行姿态的解算以实现更高的精度。其中，在步骤S4中，真实姿态信息指示准确的载体姿态信息，在对陀螺仪的输出数据进行随机漂移误差的标定以及补偿，并经过小波函数的降噪处理，从而建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型实现对陀螺仪姿态误差的修正，使得陀螺仪的输出数据的精度提高，解算出来的真实姿态信息更加接近载体的准确姿态。

进一步地，在一些具体的实施方式中，步骤S4包括：

陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型为：

α₁+α₂＝1，0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，其中，α₁、α₂是姿态融合的加权系数；/>设采样时间间隔为Δt；陀螺仪的单位时间误差为β，陀螺仪的误差为βΔt，/>为陀螺仪计算出来的姿态，/>为加速度计和磁场计共同计算出来的姿态，陀螺仪降噪输出数据包括/>和/> 为载体的真实姿态信息，u_t为陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型的步长。

其中，具体的，α₁是陀螺仪算出的姿态的加权系数，α₂是加速度计和磁场计共同计算出的姿态的加权系数，α₁与α₂是由各自的误差占总体误差的比重所决定的，误差所占的比重越小则加权系数越大。其中，陀螺仪的单位时间误差β可以通过查陀螺仪的手册得到，一般是一个很小的值，故而陀螺仪的误差为βΔt。加速度计和磁场计共同算出的姿态的误差是由计算方法决定的，由于姿态算法中采用的方法是梯度下降法，所以其误差为梯度下降法中所选取的步长。

由上可知，本申请提供的陀螺仪姿态误差的修正方法，通过获取陀螺仪三轴的实际测量输出，建立确定性漂移误差标定方程对确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据，而后获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，从而对陀螺仪原始输出数据中的随机漂移误差进行矫正。由于陀螺仪输出的原始数据中存在较多的噪声干扰项，因此，在进行姿态解算前需要剔除原始数据中的噪声信号，具体可以采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，得到陀螺仪降噪输出数据，进而建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息，以实现消除陀螺仪原始数据中的噪声干扰信号，修正姿态误差的效果。

请参照图2，本申请提出陀螺仪姿态误差的修正装置，装置包括：

第一获取模块201：用于获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据实际测量输出对陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

第二获取模块202：用于获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

降噪模块203：用于对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

解算模块204：用于建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

其中，在实际应用中，第一获取模块201可以为存储在处理器上运行的获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，并对确定性漂移进行标定的程序；第二获取模块202可以为存储在处理器上运行的可以获取陀螺仪的静态输出数据，并对非确定性漂移补偿的程序；降噪模块203可以为存储在处理器上运行小波函数的程序；解算模块204为存储在处理器上进行姿态解算的程序。

其中，在实际应用中，低成本的MEMS陀螺仪由于在加工制造、物理结构等方面存在着精度误差，在输出数据过程中常常伴随着噪声，同时器件性能容易受到温度影响，在输出原始数据的过程中与真实值存在偏差，进而导致利用原始数据进行姿态解算的结果往往与真实的姿态存在较大的误差。导致姿态解算存在误差的数据主要为陀螺仪的随机漂移误差，该随机漂移误差的主要成分为确定性漂移与非确定性漂移，因此，为了对陀螺仪的姿态误差进行修正，首先需要对陀螺仪的确定性漂移进行标定，以及对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿。

其中，在实际应用中，陀螺仪X轴、Y轴、Z轴上的实际测量输出即分别表示X轴、Y轴、Z轴上的陀螺转子输出的角速度，上述各轴上的角速度与各轴上加速度计的输出配合可以进行载体位置、速度以及姿态的解算。对于三轴陀螺仪来说，其测量结果的精度与构成三轴陀螺仪的各单轴陀螺仪的零位误差、标度因数误差以及各单轴陀螺仪敏感轴之间的不正交的安装误差相关。其中，确定性漂移主要包括零位误差、标度因数误差、安装误差以及正交不平衡误差，为了对陀螺仪确定性漂移进行标定，需要对陀螺仪进行校准操作，即对陀螺仪的零位误差、标度因数误差、安装误差、正交不平衡误差等参数进行校准。其校准过程可以为：将陀螺仪放置在已知角度下，记录陀螺仪的输出数据来进行陀螺仪校准。进一步的，在一些具体的实施方式中，可以根据陀螺仪三轴的实际测量输出，三轴的零位误差，三轴的标度因数，三轴之间的安装误差，以及载体三轴的真实角速度，陀螺仪的正交不平衡误差以及载体的真实加速度对陀螺仪的确定性漂移进行标定，即获得陀螺仪在已知角度下的实际测量输出与确定性漂移之间的关系，从而可根据实际测量输出与确定性漂移之间的关系计算得出未知角度下的陀螺仪标定输出数据，实现提高陀螺仪的测量精度的目的。

其中，在实际应用中，在对MEMS陀螺仪静态数据采集过程中，由于采集系统的硬件固有误差以及温度、重力加速度、电磁场等环境干扰噪声影响，采集得到的原始静态数据为非零均值的误差数据。因此，为了得到更为准确的陀螺仪非确定性漂移误差数据，必须对陀螺仪的静态输出数据进行补偿处理，得到陀螺仪的补偿输出数据。

其中，在实际应用中，为得到更为准确的陀螺仪非确定性漂移误差数据，同时为后面的数据检验做准备，从而建立更精确的非确定性漂移误差模型，必须首先对MEMS陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理。具体地，包括：去除常值分量的公式为：其中，x_t表示静态输出数据，N表示数据量。通过该去除常值分量的公式，对静态输出数据进行补偿前的初步处理。

进一步的，对去除常值分量处理后的静态输出数据进行去趋势项处理，其中，在实际应用中，理论上的零均值平稳时间序列数据中是不含有确定的确定性部分，即不含有线性或者非线性的趋势项。通常，在静态输出数据采集过程中，因为外界的温度、系统硬件性能等其它外界干扰，导致信号中含有部分线性项或者非线性项成分，将其称为信号的趋势项。在惯性导航领域，需要对陀螺仪的静态输出数据进行积分处理，而由于静态输出数据趋势项的存在，会促使积分结果逐渐偏离真实值，系统的测量误差累积增大。因此去除陀螺仪中随机漂移误差中的趋势项，是将陀螺仪输出数据变为零均值非平稳正态序列的必要条件。具体地，可采用最小二乘法对趋势项进行剔除。

其中，在实际应用中，对静态输出数据进行去除常值分量以及去趋势项处理之后对第二处理结果进行温度补偿，消除外界温度对陀螺仪各器件性能的影响，具体过程可以为：根据设定的取样间隔，获取一段时间内的MEMS陀螺仪零偏和温度值，零偏和温度值均取时间间隔内的数据均值。MEMS陀螺仪零偏随着温度的变化是一个连续动态平衡过程，这种连续过程可以采用微分方程的形式予以描述，以温度T为输入变量，零偏Y为输出变量，建立系统的差分方程：

Y_n+a₁Y_n-1+a₂Y_n-2+...+a_KY_n-K＝

b₀T_n+b₁T_n-1+b₂T_n-2+...+b_mT_n-m

其中，K为差分方程的阶次，Y_n-K，…，Y_n-1，Y_n为从n-K时刻到n时刻的陀螺仪零偏；T_n-m，…，T_n-1，T_n为从n-m时刻到n时刻的陀螺仪温度；a₁，…，a_K，₀，…，bm为方程的系数，K≥m，m为采样间隔区间个数，共有K+m+1个待求系数。

根据上面差分方差，可以求出零偏随温度的变化公式，将温度引起的零偏变化补偿到第二处理结果之中，通过温度补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，实现了提高陀螺仪的测量精度的效果。

其中，在实际应用中，陀螺仪的噪声分为内部噪声和外部噪声两种。内部噪声是由于材料、制造工艺、结构设计等原因造成的，这种噪声一般是稳定的，可以通过校准数据进行补偿，如上述对随机漂移误差的标定以及补偿。外部噪声则是由于周围环境的影响，如温度、压力、振动等引起的噪声，这种噪声的干扰比内部噪声更难处理，现有技术中通常采用三通一阻(低通、高通、带通、带阻滤波器)的方式，来剔除数据中带有的噪声干扰项，这些滤波器的设计参数往往根据大量的经验进行调试。当数据信号的部分噪声重叠较严重时，该去噪方法通常不能够有效去噪声干扰。为了解决该问题，可以采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，以消除陀螺仪输出数据中的噪声。

其中，在实际应用中，仅仅采用小波函数对陀螺仪的输出数据进行降噪处理并不能保证完全去除陀螺仪的噪声，尤其是在低成本的MEMS陀螺仪中，由于低成本陀螺仪的器件精度较低，输出数据常常包含较大的噪声误差，会使得姿态解算的结果快速发散，导致精度难以维系，为了解决该问题，可以通过建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，以弥补MEMS陀螺仪器件的输出噪声，把陀螺仪，加速度计和磁力计三者组合在一起进行姿态的解算以实现更高的精度。

由上可知，本申请提供的陀螺仪姿态误差的修正装置，通过获取陀螺仪三轴的实际测量输出，建立确定性漂移误差标定方程对确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据，而后获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据，从而对陀螺仪原始输出数据中的随机漂移误差进行矫正。由于陀螺仪输出的原始数据中存在较多的噪声干扰项，因此，在进行姿态解算前需要剔除原始数据中的噪声信号，具体可以采用小波函数对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行去噪处理，得到陀螺仪降噪输出数据，进而建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息，以实现消除陀螺仪原始数据中的噪声干扰信号，修正姿态误差的效果。

图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备3，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构(未标出)互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机可读取指令，当电子设备运行时，处理器301执行该计算机可读取指令，以执行时执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据实际测量输出对陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据实际测量输出对陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；获取陀螺仪的静态输出数据，根据静态输出数据对陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；对陀螺仪标定输出数据以及陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

其中，该计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrical ly Erasable Programmable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据所述实际测量输出对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

S2：获取所述陀螺仪的静态输出数据，根据所述静态输出数据对所述陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

S3：对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

S4：建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对所述陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11：获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，建立陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的确定性漂移误差标定方程：

其中，W_x、W_y、W_z为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的实际测量输出；ω_x0、ω_y0、ω_z0为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的零位误差；K_ωx、K_ωy、K_ωz为陀螺仪X轴，Y轴、Z轴的标度因数误差；K_xy、K_xz、K_yx、K_yz、K_zy、K_zx为陀螺仪各轴之间的安装误差，其中，在数值上，K_xy与K_yx相等，K_xz与K_zx相等，K_yz与K_zy相等；在物理意义上，K_xy表示X轴影响Y轴的安装误差，K_yx表示Y轴影响X轴的安装误差，K_xz表示X轴影响Z轴的安装误差，K_zx表示Z轴影响X轴的安装误差，K_yz表示Y轴影响Z轴的安装误差，K_zy表示Z轴影响Y轴的安装误差；ω_x、ω_y、ω_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实角速率；D_xx、D_xy、D_xz、D_yx、D_yy、D_yz、D_zx、D_zy、D_zz为陀螺仪正交不平衡误差；a_x、a_y、a_z为载体X轴、Y轴、Z轴的真实加速度；

S12：根据确定性漂移误差标定方程对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据。

3.根据权利要求2所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21：获取所述陀螺仪的静态输出数据，对所述陀螺仪的静态输出数据进行去除常值分量处理，得到第一处理结果；

S22：对所述第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果；

S23：对所述第二处理结果进行温度补偿处理，得到陀螺仪补偿输出数据。

4.根据权利要求3所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S21包括：去除常值分量的公式为：其中，x_t表示静态输出数据，N表示数据量。

5.根据权利要求4所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S22包括：使用最小二乘法对所述第一处理结果进行去趋势项处理，得到第二处理结果，其中最小二乘法的公式为：其中，L表示计算出来的趋势项，也就是通过最小二乘得到的最优解,i表示第一处理结果包含的数据数量，i＝1,2，…，n，y_i表示数据的真实值，即第一处理结果，f(x_i)表示理论上不含有趋势项的理论值。

6.根据权利要求1所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31：确定所述小波函数的小波基函数以及分解层数，根据所述小波基函数以及所述分解层数对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波分解计算，得到小波分解信号；

S32：对所述小波分解信号的高频系数进行阈值量化，得到高频系数分量；

S33：获取所述小波分解信号的低频系数，并结合所述高频系数分量对所述小波分解信号进行重构，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据。

7.根据权利要求6所述的一种陀螺仪姿态误差的修正方法，其特征在于，步骤S4包括：

陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型为：

α₁+α₂＝1，0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，其中，α₁、α₂是姿态融合的加权系数；/>设采样时间间隔为Δt；陀螺仪的单位时间误差为β，陀螺仪的误差为βΔt，/>为陀螺仪计算出来的姿态，/>为加速度计和磁场计共同计算出来的姿态，所述陀螺仪降噪输出数据包括/>和为载体的真实姿态信息，u_t为陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型的步长。

8.一种陀螺仪姿态误差的修正装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块：用于获取陀螺仪X轴、Y轴、Z轴的实际测量输出，根据所述实际测量输出对所述陀螺仪的确定性漂移进行标定，得到陀螺仪标定输出数据；

第二获取模块：用于获取所述陀螺仪的静态输出数据，根据所述静态输出数据对所述陀螺仪的非确定性漂移进行补偿，得到陀螺仪补偿输出数据；

降噪模块：用于对所述陀螺仪标定输出数据以及所述陀螺仪补偿输出数据进行小波函数去噪处理，得到去噪处理后的陀螺仪降噪输出数据；

解算模块：用于建立陀螺仪姿态解算梯度下降数学模型，对所述陀螺仪降噪输出数据进行姿态解算，得到真实姿态信息。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。