CN112964240B - 一种连续寻北装置、方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种连续寻北装置、方法、电子设备及存储介质，涉及惯性导航技术领域。该装置包括MEMS陀螺阵列，包括多片同轴设置的MEMS陀螺仪，用于在转动过程中连续输出测量的多个位置的角速度数据；MEMS加速度计，用于获取所述MEMS陀螺阵列产生水平位移时的加速度数据，以根据所述加速度数据获取移动过程中的真北夹角；数据处理模块，分别与所述MEMS陀螺阵列和所述MEMS加速度计电连接，用于接收和处理所述角速度数据和所述加速度数据，以获取有水平位移或无水平位移状态下的真北夹角，该装置采用高精度的MEMS陀螺阵列，可以多位置连续寻北，解决现有的定向设备容易受到环境干扰、体积大、成本高，不方便携带、增加寻北时间的问题。

Description

一种连续寻北装置、方法、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及惯性导航技术领域，具体而言，涉及一种连续寻北装置、方法、电子设备及存储介质。

背景技术

在广泛的军用导航及高精度测绘领域里，确定当前方位是核心且关键的问题。目前常用的定向设备有磁罗盘、GNSS双天线定向设备、陀螺定向仪等。常用的定向设备如磁罗盘容易受周边的钢铁构件和电气设备所形成的磁场干扰影响，从而需要先需要消除磁场等环境干扰，有的具有体积大、成本高，不方便携带以及增加寻北时间等缺点。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种，连续寻北装置、方法、电子设备及存储介质，采用高精度的MEMS陀螺阵列，可以多位置连续寻北，解决现有的定向设备容易受到环境干扰、体积大、成本高，不方便携带以及增加寻北时间的问题。

本申请实施例提供了一种连续寻北装置，所述装置包括：

MEMS陀螺阵列，包括多片同轴设置的MEMS陀螺仪，用于在转动过程中连续输出测量的多个位置的角速度数据；

MEMS加速度计，用于获取所述MEMS陀螺阵列产生水平位移时的加速度数据，以根据所述加速度数据获取移动过程中的真北夹角；

数据处理模块，分别与所述MEMS陀螺阵列和所述MEMS加速度计电连接，用于接收和处理所述角速度数据和所述加速度数据，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角。

在上述实现过程中，MEMS陀螺阵列采用多片同轴设置的MEMS陀螺仪，在保证精度的同时具有较低的成本、更小的体积且能够准确测量地球的自转速度，在无水平位移下可通过MEMS陀螺阵列的多周期转动实现偏航角度的测量，并且结合MEMS加速度计可实现水平移动状态下的准确测量，从而实现了短时间内连续的寻北测量。

进一步地，述装置还包括旋转装置，所述旋转装置包括：

旋转平台，所述MEMS陀螺阵列设置于所述旋转平台上；

电机，与所述旋转平台传动连接，且由所述数据处理模块控制，以带动所述旋转平台转动。

在上述实现过程中，通过数据处理模块控制电机工作，使得旋转平台带动MEMS陀螺阵列连续转动，通过连续寻北精确得到寻北结果。

进一步地，所述装置还包括：

零位光电传感器，设置于所述旋转装置上，用于监测所述旋转装置每个周期转动的初始位置。

在上述实现过程中，零位光电传感器用来监测平台转动每圈的初始位置，该位置也是该装置使用时的朝向。

进一步地，所述MEMS陀螺阵列包括2-4片MEMS陀螺仪，且所述MEMS陀螺仪的敏感轴同轴安装且与所述旋转平台上表面平行。

在上述实现过程中，MEMS陀螺阵列是由2-4片MEMS陀螺仪共轴安装组成，目的是通过优化运算多片陀螺仪的测量结果，在合适的体积和成本条件下获得远高于一片陀螺仪的精度。

本申请实施例还提供一种连续寻北方法，应用于数据处理模块，所述方法包括：

接收MEMS陀螺阵列至少旋转一周且旋转到设定的多个位置时输出的每个所述位置上对应的角速度数据；

接收MEMS加速度计输出的所述MEMS陀螺阵列产生水平位移时的加速度数据；

对所述角速度数据和所述加速度数据进行处理，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角。

在上述实现过程中，能够快速找出真北夹角，不受磁场环境干扰，得到真北夹角后可以移动定向仪，真北夹角能够随着设备移动而变化，且装置具有体积小、重量轻的特点，可以口袋收纳，大大降低对运输及使用环境的限制，应用场合和应用范围更加广泛。

进一步地，所述对所述角速度数据进行处理，以获取无水平位移状态下的真北夹角，包括：

若所述MEMS陀螺阵列在获取所述角速度数据的过程中无水平位移，则对所述角速度数据进行傅里叶变换，以得到实时相位值；

根据所述实时相位值，获取所述真北夹角。

在上述实现过程中，在无水平位移情况下，可在MEMS陀螺阵列连续转动的过程中同步输出寻北结果。

进一步地，所述对所述角速度数据和所述加速度数据进行处理，以获取水平位移下的真北夹角，包括：

若所述MEMS陀螺阵列在获取所述角速度数据的过程中具有水平位移，获取加速度数据和角速度数据的采样数据；

对所述采样数据进行修正，以得到修正数据；

对所述修正数据利用扩展卡尔曼滤波器进行滤波以得到并更新姿态角；

基于所述姿态角得到所述真北夹角。

在上述实现过程中，当具有水平位移时，可以通过加速度数据和角速度数据相结合，持续输出装置移动过程中的角度变化。

进一步地，所述对所述采样数据进行修正，以得到修正数据，包括：

通过标定补偿和零点漂移校正对所述采样数据进行修正。

在上述实现过程中，通过标定补偿和零点漂移校正来修正采样值。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述中任一项所述的连续寻北方法。

本申请实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行上述中任一项所述的连续寻北方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种连续寻北装置的结构框图；

图2为本申请实施例提供的连续寻北方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的在无水平位移状态下获取真北夹角的流程图；

图4为本申请实施例提供的在有水平位移情况下获取真北夹角的流程图；

图5为本申请实施例提供的航向外推框图。

图标：

100-MEMS陀螺阵列；101-零位光电传感器；102-MEMS加速度计；103-数据处理模块；104-导线滑环；105-电机驱动器；106-电机；107-旋转平台。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

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。

实施例1

请参看图1，图1为本申请实施例提供的一种连续寻北装置的结构框图。该装置包括：

MEMS陀螺阵列100，包括多片同轴设置的MEMS陀螺仪，用于在转动过程中连续输出测量的多个位置的角速度数据；

MEMS加速度计102，用于获取所述MEMS陀螺阵列100产生水平位移时的加速度数据，以根据所述加速度数据获取移动过程中的真北夹角。

数据处理模块103，分别与所述MEMS陀螺阵列100和所述MEMS加速度计102电连接，用于接收和处理所述角速度数据和所述加速度数据，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角。

MEMS陀螺阵列100设置于旋转装置上，旋转装置包括：

旋转平台107，所述MEMS陀螺阵列100设置于所述旋转平台107上；

电机106，与所述旋转平台107传动连接，且由所述数据处理模块103控制，以带动所述旋转平台107转动。

具体地，电机106连接电机驱动器105，电机驱动器105通过导线滑环104连接数据处理模块103，实现对电机106的启停控制。

示例地，MEMS陀螺仪阵列由多片MEMS陀螺仪共轴安装组成，并安装在旋转平台107上，电机106可以采用步进电机，旋转平台107与步进电机连接并在步进电机带动下匀速旋转，通过数据处理模块103如DSP向电机驱动器105发送指令，可以控制电机106带动旋转平台107匀速转动。

作为其中一种实施方式，MEMS陀螺阵列100可以包括2-4片MEMS陀螺仪，且所述MEMS陀螺仪的敏感轴同轴安装且与所述旋转平台107上表面平行，用于连续输出测得的角速度数据，即地球自转角速度在其敏感轴上的分量。

采用2-4片MEMS陀螺仪共轴安装成MEMS陀螺阵列100的目的是通过优化运算多片陀螺仪的测量结果，在合适的体积和成本条件下获得远高于一片陀螺仪的精度。

由于MEMS陀螺仪相对于光纤陀螺仪及激光陀螺仪来说成本较低，体积较小，但精度也较低，目前较高精度的MEMS陀螺仪零漂在1°-10°/小时，而地球自转角速度为15.0411°/小时，这样的精度用来测量地球自转角速度仍比较勉强，但如果采用多片MEMS陀螺仪阵列，例如把N片同轴布置且相同特性的MEMS陀螺仪的输出相加，根据每片MEMS陀螺仪的统计和时间序列特性进行建模和优化计算，可以大大改善其精度，从而达到了比光纤陀螺及激光陀螺更低成本、更小体积且能准确测量地球自转角速度的效果。

此外，对于使用的MEMS陀螺仪的数量可以基于计算精度、成本以及体积等方面进行综合考量，对于MEMS陀螺仪的数量在此不做任何限定。

该装置还包括零位光电传感器101，设置于所述旋转装置上，用于监测所述旋转装置每个周期转动的初始位置。

零位光电传感器101如零位光电开关用来监测旋转平台107转动每圈的初始位置，该位置也是定向仪使用时的朝向，可通过DSP对零位光电传感器101进行零位校正。

采用连续寻北法，令电机106从零位开始采数，随后精确地旋转360°/N，取N次位置的陀螺输出值，对每个位置的陀螺输出信号取平均值，可得到精确的真北夹角，其中，MEMS陀螺阵列100旋转一圈，可得到一个正弦的陀螺输出信号。通过采集多个转动位置的陀螺敏感轴的输出结果，利用偏航角与输出结果的关系可以快速完成寻北结果的输出。

在装置发生水平位移时，通过MEMS加速度计102进行测量并获得加速度数据，通过对加速度数据和角速度数据进行处理如标定补偿、零点漂移校正实现对数据的修正，再利用扩展卡尔曼滤波器输出姿态角，从而实现短时间内连续的方向角测量。

综上，通过MEMS陀螺进行连续寻北，具有寻北快、体积小、低成本的优势，可以降低寻北仪的使用场景的限制，并且采用多片MEMS陀螺仪阵列进行连续寻北，可以得到优于单片MEMS陀螺仪的精度；水平放置后3分钟以内可输出朝向的真北夹角，且之后如果发生水平移动，能持续输出朝向变化的真北夹角，该装置不受水平位移的影响，可实现连续快速寻北。

实施例2

本申请实施例提供一种连续寻北方法，应用于实施例1中的数据处理模块103，如图2所示，为连续寻北方法的流程图，可以实现无水平位移状态和水平移动状态下的真北夹角的测量，所述方法包括：

步骤S100：接收MEMS陀螺阵列100至少旋转一周且旋转到设定的多个位置时输出的每个所述位置上对应的角速度数据；

步骤S200：接收MEMS加速度计102输出的所述MEMS陀螺阵列100产生水平位移时的加速度数据；

步骤S300：对所述角速度数据和所述加速度数据进行处理，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角。

作为其中一种实施方式，如图3所示，为在无水平位移状态下获取真北夹角的流程图，该步骤具体可以包括：

步骤S311：若所述MEMS陀螺阵列100在获取所述角速度数据的过程中无水平位移，则对所述角速度数据进行傅里叶变换，以得到实时相位值；

步骤S312：根据所述实时相位值，获取所述真北夹角。

在无水平位移的情况下，令电机106从零位开始采数，随后精确地旋转360°/N，取N次位置的陀螺输出值，对N次位置的数据进行FFT变换，即对单周期的正余弦信号求初始相位，即可以得到初始的航向角度，但是精度不高，可采用连续寻北算法可以在陀螺连续转动过程中，MEMS陀螺阵列100进行连续多圈旋转，对每个位置的陀螺输出信号取平均值，再对N位置数据做FFT变换，可以得到不同位置的实时相位值，可得到最终的真北夹角即偏航角度。

作为另一种实施方式，如图4所示，为在有水平位移情况下获取真北夹角的流程图，该步骤具体可以包括：

步骤S321：若所述MEMS陀螺阵列100在获取所述角速度数据的过程中具有水平位移，获取加速度数据和角速度数据的采样数据；

步骤S322：对所述采样数据进行修正，以得到修正数据；

步骤S323：对所述修正数据利用扩展卡尔曼滤波器进行滤波以得到并更新姿态角；

步骤S324：基于所述姿态角得到所述真北夹角。

其中，如图5所示，为航向外推框图，对采样数据进行修正，可通过标定补偿和零点漂移校正进行修正，通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波可得姿态角，同时对姿态角进行更新，通过姿态角可得到真北夹角，因此，无论装置是否产生水平位移，可持续输出朝向变化的真北夹角。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行实施例1中任一项所述的连续寻北方法。

本申请实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行实施例1中任一项所述的连续寻北方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，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。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。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。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，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。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种连续寻北装置，其特征在于，所述装置包括：

MEMS陀螺阵列，包括多片同轴设置的MEMS陀螺仪，用于在转动过程中连续输出测量的多个位置的角速度数据；

MEMS加速度计，用于获取所述MEMS陀螺阵列产生水平位移时的加速度数据，以根据所述加速度数据获取移动过程中的真北夹角；

数据处理模块，分别与所述MEMS陀螺阵列和所述MEMS加速度计电连接，用于接收和处理所述角速度数据和所述加速度数据，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角，在无水平位移状态下：

若所述MEMS陀螺阵列在获取所述角速度数据的过程中无水平位移，则对每个位置的角速度数据取平均值并进行傅里叶变换，以得到不同位置的实时相位值；

根据所述实时相位值，获取所述真北夹角。

2.根据权利要求1所述的连续寻北装置，其特征在于，所述装置还包括旋转装置，所述旋转装置包括：

旋转平台，所述MEMS陀螺阵列设置于所述旋转平台上；

电机，与所述旋转平台传动连接，且由所述数据处理模块控制，以带动所述旋转平台转动。

3.根据权利要求2所述的连续寻北装置，其特征在于，所述装置还包括：

零位光电传感器，设置于所述旋转装置上，用于监测所述旋转装置每个周期转动的初始位置。

4.根据权利要求2所述的连续寻北装置，其特征在于：

所述MEMS陀螺阵列包括2-4片MEMS陀螺仪，且所述MEMS陀螺仪的敏感轴同轴安装且与所述旋转平台上表面平行。

5.一种连续寻北方法，其特征在于，应用于数据处理模块，所述方法包括：

接收MEMS陀螺阵列至少旋转一周且旋转到设定的多个位置时输出的每个所述位置上对应的角速度数据；

接收MEMS加速度计输出的所述MEMS陀螺阵列产生水平位移时的加速度数据；

对所述角速度数据和所述加速度数据进行处理，以获取水平位移或无水平位移状态下的真北夹角，在无水平位移状态下：

若所述MEMS陀螺阵列在获取所述角速度数据的过程中无水平位移，则对每个位置的角速度数据取平均值并进行傅里叶变换，以得到不同位置的实时相位值；

根据所述实时相位值，获取所述真北夹角。

6.根据权利要求5所述的连续寻北方法，其特征在于，所述对所述角速度数据和所述加速度数据进行处理，以获取水平位移下的真北夹角，包括：

若所述MEMS陀螺阵列在获取所述角速度数据的过程中具有水平位移，获取加速度数据和角速度数据的采样数据；

对所述采样数据进行修正，以得到修正数据；

对所述修正数据利用扩展卡尔曼滤波器进行滤波以得到并更新姿态角；

基于所述姿态角得到所述真北夹角。

7.根据权利要求6所述的连续寻北方法，其特征在于，所述对所述采样数据进行修正，以得到修正数据，包括：

通过标定补偿和零点漂移校正对所述采样数据进行修正。

8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据权利要求5至7中任一项所述的连续寻北方法。

9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行权利要求5至7任一项所述的连续寻北方法。