[发明专利]基于自适应多尺度滤波器的MEMS陀螺仪信号去噪方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应多尺度滤波器的MEMS陀螺仪信号去噪方法：采集获MEMS陀螺仪信号，计算信号在各个采样点的样本方差；根据信号中每个数据点的样本方差以及预设最大、最小窗长，自适应地调节SG滤波器中每个数据点的左窗长和右窗长；利用所得各采样点的左右窗长，对各采样点信号自适应多尺度SG滤波。本发明为实现对MEMS陀螺仪信号随机误差的快速补偿，将基于自适应滑动平均的样本方差和SG滤波器窗长建立映射模型，来自适应地调节SG滤波器的窗长，以实现对非平稳、非线性陀螺仪信号的去噪，多尺度的窗长使得滤波器在达到较好的去噪效果的同时不会导致信号的变形。

技术领域

本发明主要涉及低成本MEMS陀螺仪输出信号处理技术领域，属于惯性导航，更具体地说，是涉及一种基于自适应多尺度滤波器的MEMS陀螺仪信号去噪方法。

背景技术

与传统惯性测量元件相比，MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、低成本、低电耗、抗冲击、可靠性高等优点，对测量运动物体的角速度具有重要的应用价值。但是由于MEMS理论和技术的不完善，输出信号中存在较大的噪声，其精度与传统的惯性器件相比，低1～3个数量级。MEMS陀螺仪的精度随着时间会快速下降，因此需要对MEMS陀螺仪的误差进行补偿。

MEMS陀螺仪的误差包含两个部分：确定性误差和随机误差。确定性误差可以在实验前经过预标定并从粗测量中去除，而随机误差基本上是由于惯性传感器误差随着时间的随机变化产生的，是不可以进行预先标定的。对于随机误差的补偿尤为重要。

Savitzky-Golay(SG)滤波法是通过移动窗口利用最小二乘拟合原理进行滤波的。SG滤波具有简单、迅速的优点，被广泛地应用于信号的去噪。陀螺仪信号通常是非平稳和非线性的，信号中既存在平坦区域又存在剧烈变化区域。平坦区域的信号应该使用长窗长进行滤波以获得较好的去噪效果，而剧烈变化区域的信号应该使用短窗长进行滤波以避免信号的失真。但是传统的SG滤波采用固定窗长进行平滑滤波，很难在获得良好的去噪效果下避免信号的失真。利用基于自适应滑动平均的样本方差来检测信号突变处，来自适应地调节SG滤波器的窗长。通过建立滤波器窗长与样本方差的关系，本发明提出了自适应多尺度SG滤波器对MEMS陀螺仪信号进行去噪。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于自适应多尺度滤波器的MEMS陀螺仪信号去噪方法，为实现对MEMS陀螺仪信号随机误差的快速补偿，将基于自适应滑动平均的样本方差和SG滤波器窗长建立映射模型，来自适应地调节SG滤波器的窗长，以实现对非平稳、非线性陀螺仪信号的去噪，多尺度的窗长使得滤波器在达到较好的去噪效果的同时不会导致信号的变形。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明基于自适应多尺度滤波器的MEMS陀螺仪信号去噪方法，包括以下过程：

步骤一：采集获MEMS陀螺仪信号，计算信号在各个采样点的样本方差；

首先，选择W_max、W_min、λ_th、K作为初始输入值，其中，W_max是SG滤波器左窗长和右窗长最大取值，W_min是SG滤波器左窗长和右窗长最小取值，λ_th是用于检测突变信号的样本方差阈值，K是SG滤波器的阶次；

然后，求各采样点处的自适应滑动平均值Y(t)：

其中，f(t+i)是第t+i个采样点处的陀螺仪信号值，N是采样点总个数，q_h(t)和q_l(t)分别是自适应滑动平均的左、右窗长，受信号的变化率D′(t)调节：

D(t)＝|f(t+q)-f(t-q)| (5)