加速度、陀螺仪和地磁传感器确定初始瞄准方位精度的方法

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）117www.elsevier.com/locate/icte使用加速度、陀螺仪和地磁传感器确定初始瞄准方位精度的方法Jongtaek OhChang，Minwoo Kim韩国首尔市城北区三成桥路116 16 gil韩城大学电子工程系接收日期：2019年8月22日;接受日期：2019年在线发售2019年11月16日摘要使用地磁传感器的初始瞄准方位测量是非常常见的，但难以使用，因为即使在可以补偿地磁干扰的地方也不能确定精度。在这封信中，我们提出了一种新的算法，采用加速度，陀螺仪和地磁传感器数据来确定初始定向方位角的精度。决策准确性是 百分之七十五各种实验场所。在虚警的情况下，需要移动到另一个位置重新测量，最终决策准确率可以达到100%。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：地磁传感器;方位精度;传感器融合1. 介绍由于地磁扰动引起的软铁和硬铁对地球磁场的畸变，用地磁传感器测量方位角是不可靠的。虽然，许多研究已经进行了为了确定如何补偿这种失真，在具有极端干扰的地方，大多数干扰不能被补偿。在大多数情况下，已经进行了全向方位角的研究，并且没有研究来确定结果的准确性，这不能应用于实际情况[1此外，大多数位置跟踪研究没有说明对移动用户的位置跟踪至关重要的起始点和初始瞄准方位（IAA）的位置[4，5]。如果IAA是错误的，则位置坐标随着用户移动而变得越来越发散。在这封信中，我们提出了一种算法，融合加速度，陀螺仪和地磁传感器数据，以确定是否测量和补偿IAA在任何一点是真的。虽然所提出的方法并没有减少IAA估计误差，但它可以用来确定具有很高的∗ 通讯作者。电子邮件地址：jtoh@hansung.ac.kr（J. Oh），1392006@hansung.ac.kr（M.Kim）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.10.004准确性是否使用IAA在这一点上。因此是一种新的IAA估计和移动位置跟踪的任意位置的方法。该算法在智能手机上进行了测试，因为它们已经变得无处不在，并且证明了其性能。2. 地磁方位角在没有地磁扰动的任何点，由地磁传感器测量的二维地磁值mx和my如果测量设备绕原点旋转一圈，则将描述以原点为中心的圆。然而，在现实中，可能存在地磁扰动，因此，圆的中心被移位，并形成扭曲的椭圆。因此，通常通过将椭圆变换成圆来进行补偿，对应于无干扰的形式[6，7]。然而，如图1（a）所示，它没有被完全首先计算补偿后的地磁方位角与同心圆方位角之差即方位角估计误差。分析了误差与IAA准确度之间的相关性，但未发现相关性。从另一个角度来看，如果使用地磁传感器在没有地磁场的点处测量方位角，则可以使用地磁传感器测量方位角。2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。∅⎣sin−1（ax/g）中国（3）118J. 哦，还有M。Kim/ICT Express 6（2020）117智能手机，它旋转到位，并测量和存储三种传感器值。在对地磁传感器值进行存储数据补偿之后，在每个恒定旋转角间隔（2π/K）处对补偿的方位角进行采样，其中K是样本的总数。如果没有地磁扰动，旋转角间隔与补偿方位角αz，j在此间隔内的变化之差为零。然而，在地磁扰动大的地方，该差变得大于预定阈值θaz， err， th，并且在这种情况下，Fig. 1. （a）：单位圆（实线）、测量值（虚线）和补偿值（加号）mx和my。(b)：补偿后的旋转角（实线）和采样方位角（虚线）。在地磁扰动的情况下，旋转角和方位角应该如（1）中那样线性相关，并且另外，该等式中的常数项是IAA。而在地磁扰动的地方，测量的地磁方位角和补偿的地磁方位角之间的差与该线性方程成正比地磁扰动的影响因此，在这封信中，我们分析这个误差和IAA的准确性之间的关系。θaz，true=θ+IAA（1）其中，θaz， true是在没有地磁干扰的情况下计算的方位角，θ z是测量设备的旋转角。首先，通过将（2）的扩展卡尔曼滤波器（EKF）应用于陀螺仪传感器值，并将（3）的测量模型应用于加速度传感器值[8]，来精确地估计智能手机的旋转角度。估计的方位角误差N_err增加。如果在对一个旋转的数据执行相同的操作之后Nerr大于阈值Nerr， th，则该位置处的地磁扰动大。并且确定IAA不准确。在这种情况下，建议移动到另一个地方，并尝试再次确定IAA。即使用传统方法补偿地磁扰动，以前也不可能确定结果的准确性。因此，无法确定该结果是否适用。现在，根据本文提出的算法，补偿IAA的精度可以确定和应用。⎡∅˙⎤⎡1 sintanθcostanθωxθstec=ϕ˙0sincosθcoscosθωz[1个 00]sin−1（−ay/（g·cosθ））其中和θ分别是横滚角和俯仰角，ωis和αis是每个方向的角速度和加速度，g是重力加速度。由于在实际测量期间适当的旋转速度不是恒定的，因此来自地磁传感器值的补偿方位角应该以规则的旋转间隔进行采样。在地磁扰动的情况下，采样方位角是非线性的，如图1所示。第1段（b）分段。方位角θaz和线性用几千个测量数据数据，并找出了差异与IAA误差之间的关系。3. IAA准确度的测定使用加速度和陀螺仪传感器的旋转角度的测量相对准确。与4. 实验结果在具有不同程度地磁扰动的七个位置进行测量，每个从北、东、南、西四个瞄准方向开始（即，真IAA=0o，90o，180o，270o）。智能手机由z=01 0=≤==-J. 哦，还有M。 Kim/ICT Express 6（2020）117-120119图二. 两种智能手机的补偿方位角误差θaz， err，j的分布：Samsung（实线）和LG（虚线）。两个不同的制造商，以同样的方式进行测试。由于K36，恒定旋转角度的间隔为10°，并且对于每个智能电话，补偿的方位角误差θaz， err，j的总数是980。图2示出了这些误差的分布，这对于两种类型的智能手机是相似的，证明了算法的通用性。为了验证算法的准确性，引入了允许方位误差θaz， err，permit。如果补偿IAAθaz，1与真实IAA之差小于某一位置的θaz， err， permit，则θaz，1可用作估计IAA。 然而，在这种情况下，如果Nerr> Nerr， th，则做出错误的决定，导致“错误警报（FA）"。相反，如果该差大于另一位置处的θaz， err，permit，则由于地磁扰动大于允许范围，因此不能使用θaz，1然而，在N错误的情况下，呃，我们决定这次骚乱θaz，1被用作IAA的估计值。在这种情况下，大的地磁扰动被错过（Missing）。FA和Missing是决策算法中的重要性能指标，与θaz， err， th和Nerr， th有关。IAA游戏 在移动位置跟踪中有重要作用，而Missing比FA更重要。这是因为，如果确定存在地磁扰动，测量仪器可以移动到另一个位置并重新测量。图 3（a）显示了根据θaz，err，th，对于N err，th0和θaz，err，permit 10的缺失、FA和正确判定的数量。我们从七个地方四个方向测量，总共有28例。本文提出的算法在θ az，err，th 2 θz范围内不存在在FA的情况下，需要再次移动和测量，通过反复这样做，最终将找到具有100%准确IAA的位置。当θaz， err， th变大时，它允许大的地磁扰动，因此“丢失”的数量另一方面，LG电子智能手机的实验结果如图所示。3（b）与（a）类似，因此所提出的算法可以应用于各种智能手机。5. 结论在这封信中，我们提出了一种算法，以确定准确性的测量和补偿IAA估计，从图三. 根据θaz、 err、 th，缺失（虚线）、FA（加号）和正确决策（实线）的相对频率。（a）：三星，（b）：LG。地磁传感器数据。实验结果证实是准确的，因此，我们可以决定是否应该使用估计的IAA。这是位置感知和移动跟踪的一种新方法，如果用机器学习技术分析差异模式，可以确定更准确的决策技术竞合利益作者声明，本文中不存在利益冲突。确认本研究由韩城大学为Jongtaek Oh提供资金支持。此外，这项工作得到了2019年NRF研究基金（编号2017R1D 1A 1B03031244）。引用[1] W.H.K. Vries，H.E.J. Veeger，C.T.M.巴滕足球俱乐部Helm，运动实验室中的磁失真，对验证惯性磁传感器的影响，Gait Poetry 29（2009）535-541。[2] J.F. 瓦 斯 孔 塞 洛 斯 湾 埃 尔 卡 伊 姆 角 Silvestre ， P. Oliveira ， B.Cardeira，传感器框架中捷联式磁强计校准的几何方法，IEEE Trans.航空公司电子学。系统47（2）（2011）1293[3] T. Ozyagcilar，在硬铁和软铁干扰下校准电子罗盘，飞思卡尔半导体。Appl. 注AN4246（2015）。[4] B. Li，T. Gallagher，A.G.登普斯特角Rizos，单独使用磁场进行室内定位的可行性如何？in：Proc. Int. Conf. Indoor Positioning IndoorNav.澳大利亚悉尼，2012年。120J。哦，还有M。Kim/ICT Express 6（2020）117[5] B. Li，T.加拉格尔角Rizos，A.G. Dempster，使用地磁场进行室内定位，在：Proc. Int. Global Nav.饱和Sys. Soc. Symp. 黄金海岸，澳大利亚，2013.[6] Q. Zhang，H.庞角，澳-地Wan，地磁场矢量测量的磁干扰补偿方法，测量91（2016）628-633。[7] J.李，Q. Zhang，L. Chen，M.潘角，澳-地罗，地磁测量中的磁干扰场补偿，测量学报。对照36（2）（2014）244-251。[8] P.金姆，卡尔曼滤波器为初学者与MATLAB实例，《空间独立出版平台》，首尔，2011年。