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专利号: 2019100124488
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-09-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,包括以下步骤:*

步骤a,利用Allan方差对MEMS加速度计在六个位置下三个轴的m组实际测量数据A中的随机噪声进行分析,并建立随机噪声的时域模型v;

* *

步骤b,以A为LMS自适应滤波噪声抵消器的主输入,以噪声v的相关噪声v为LMS自适应*滤波噪声抵消器的期望参考输入,对A 中的随机噪声进行处理,获得去除噪声后的测量值A;

步骤c,以去除噪声后的全部测量值A作为输入,以对应的全部真实值H作为输出,建立MEMS加速度计误差补偿模型;

步骤d,以去除噪声后的m组测量数据为样本,利用最小二乘求参数先验作为批量梯度下降的初值,训练获得样本对真实模型参数的最优拟合S和a,并将获得的参数代入所建立的误差补偿模型,对MEMS加速度计进行误差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤a中,计算MEMS加速度计在六个位置下三个轴实际测量数据的Allan方差,并拟合Allan标准差与平均时间τ的对数关系曲线,分析所拟合的曲线斜率,求得量化噪声Q、速度随机游走N、零偏不稳定性B、加速度随机游走K、速率斜坡R5项噪声参数的值,其中量化噪声和速度随机游走属于白噪声,零偏不稳定性、加速度随机游走、速率斜坡属于有色噪声,根据有色噪声的功率谱密度函数,由谱分解定理求解其传递函数,将传递函数作傅里叶逆变换得其微分方程,最后以互不相关的单位高斯白噪声ψ1(t),ψ2(t),ψ3(t),ψ4(t),ψ5(t)驱动微分方程,得到MEMS加速度计随机噪声v的时域模型为:式中,Q、N、B、K、R为各项噪声参数,ψ1(t)、ψ2(t)、ψ3(t)、ψ4(t)、ψ5(t)为互不相关的单位高斯白噪声,▽是微分算子,η和ω0为传递函数有理化过程中的调节参数,η取值为5Hz,ω0取值为0.01rad/s。

3.根据权利要求2所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤b中,LMS自适应滤波器的主输入为X(n),期望参考输入为d(n),滤波输出为Y(n),估计误差输出为e(n),LMS自适应滤波算法的估计误差输出e(n)的表达式为:e(n)=d(n)‑Y(n)    (2)

LMS自适应滤波算法的滤波输出Y(n)的表达式为:T

Y(n)=W(n)X(n)    (3)

式中,W(n)为抽头系数向量,其递推更新方程为:

W(n+1)=W(n)‑μX(n)e(n)    (4)式中,μ为步长因子,控制每次更新后沿误差函数表面移动的距离,其值满足0<μ≤1/λmax,其中,λmax是主输入X(n)自相关矩阵的最大特征值;

*

所述步骤b中,利用基于LMS自适应滤波算法的噪声抵消器实现对实际测量数据A的噪*声抵消,令LMS自适应滤波噪声抵消器的主输入X(n)为A ,期望参考输入d(n)为噪声v的相* *关噪声v ,经过LMS自适应滤波噪声抵消器处理后的滤波输出Y(n)逼近v ,即有估计误差输出e(n)逼近A,舍弃滤波输出Y(n),选取估计误差输出e(n)作为去除噪声后的测量值A。

4.根据权利要求3所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤c中,MEMS加速度计在六个位置下的实际测量值矩阵T

经过噪声处理后的测量值矩阵A=[Ax,jAy,jAz,j] (j=T

1,2,...,6),对应的真实值矩阵H=[Hx,jHy,jHz,j] (j=1,2,...,6),其中, 分别表示MEMS加速度计六个位置下x轴,y轴,z轴的实际测量值,均为m维行向量;Ax,j,Ay,j,Az,j分别表示MEMS加速度计六个位置下x轴,y轴,z轴噪声处理后的测量值,均为m维行向量;

Hx,j,Hy,j,Hz,j分别表示MEMS加速度计六个位置下x轴,y轴,z轴对应的真实值,均为m维行向T量;MEMS加速度计的零偏向量为a=[ax ay az] ,其中ax,ay,az分别表示MEMS加速度计x轴,y轴,z轴的零偏值,所建立的MEMS加速度计误差补偿模型表达式为:H=S(A‑a)    (5)

式中,S为比例因子和非正交因子组成的矩阵,其表达式为:式中,Sxx,Syy,Szz分别表示x轴,y轴,z轴的比例因子,Sxy,Sxz,Syx,Syz,Szx,Szy分别表示各轴之间的非正交因子。

5.根据权利要求4所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤c中,对于所建立的MEMS加速度计误差补偿模型(5),当MEMS加速度计位于位置1和位置2时有:Hx1=Sxx(Ax1‑ax)+Sxy(Ay1‑ay)+Sxz(Az1‑az)    (7)Hx2=Sxx(Ax2‑ax)+Sxy(Ay2‑ay)+Sxz(Az2‑az)    (8)由(7)式与(8)式相减,有:

(Hx1‑Hx2)=Sxx(Ax1‑Ax2)+Sxy(Ay1‑Ax2)+Sxz(Az1‑Az2)    (9)由(7)式与(8)式相加,有:

(10)式中,k=1,2,3,...,m。

6.根据权利要求5所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤d中,MEMS加速度计的非正交因子Sij(i,j=x,y,z;i≠j)是一组接近于零且不为零的数,为了方便计算比例因子Sii(i=x,y,z)的先验 不妨将Sij视为零,则(9)式可以化简为:由最小二乘可得:

同理可得 和 于是在Sij=0的假设下,求得参数矩阵S的先验:*

利用先验知识S,作为批量梯度下降的参数初值进一步求解S。

7.根据权利要求6所述的基于LMS自适应滤波与梯度下降的MEMS加速度计误差补偿方法,其特征在于,所述步骤d中,将(9)式在未知特征参数λi(i=1,2,3)下的假设函数写作:hλ(x)=λ1x1+λ2x2+λ3x3    (14)式中,

假设函数的代价函数为:

式中, 为 所对应的真实值,代价函数的梯度为:

特征参数λi的更新方程为:

式中,α是学习率,决定沿着能让代价函数下降程度最大的方向移动一次的步长,选取学习率为0.001~0.0003;

*

以S的先验S作为特征参数λi的初值: λ2=0λ3=0开始批量梯度下降,经过m组由测量值和真实值组成的样本的训练,由更新方程(17)可获得使假设函数hλ(x)最优拟合真实值 的特征参数λi,以λi作为(9)式的参数Sxx,Sxy,Sxz,同理可求参数Syx,Syy,Syz,Szx,Szy,Szz,于是获得参数矩阵S;

将(10)式的右式记作 其均值记作 则有: 同理有:则:

求得 最后将获得的模型参数代入所建立的误差补偿模型,对MEMS加速度计进行误差补偿,实现对MEMS加速度计高精度标定。