惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模

所有程序代码和数据已经上传至Github:

https://github.com/yzmj0986/VariableStep-AllanVariance.git

基于步长可变序列的快速Allan方差算法见文章:Noise Identification and Analysis in MEMS Sensors Using an Optimized Variable Step Allan variance.

惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第1张图片

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  • 应用背景:
  • Allan方差的计算原理:
  • 传感器随机误差建模
  • 程序代码:
  • 改进思路

应用背景:

       根据误差特性将传感器误差分为确定性误差和随机性误差,确定性误差,例如未对准误差和比例因子不稳定,可以通过转台或者温度试验进行提前标定,并在传感器内部进行修正。随机误差是指在输出信号中混合的附加随机噪声,通常包括量化噪声,角度随机游走,偏置不稳定性,速率随机游走和速率斜坡,可以通过在线补偿消除。与功率谱密度(PSD)和自回归移动平均(ARMA)模型相比,Allan方差是识别和分析噪声的最简单的时域方法,从1998年起IEEE建议使用AV方法来确定光学陀螺仪和MEMS惯性传感器的误差。

Allan方差的计算原理:

        Allan方差的计算基于整群抽样技术。假设以采样间隔T_{s}采集MEMS传感器的信号,首先将N个采样数据分成K簇,每个簇包括m个采样数据,簇长度为m的时间表示为\tau =mT_{s}。那么典型的Allan方差可以基于均方误差表示为:

                                                                     惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第2张图片

        其中<·>表示求平均操作,通过平均归一化频率偏差\omega (t)来计算\varpi (t)

                                                                                

        但其实大多数信号都是在相位和频率偏差的离散值(也就是离散信号),假设θ是相位偏差,平均频率偏差\omega (t)可以定义为:

                                                                             

        因此,离散时间信号的Allan方差可以改写为:

                                                              惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第3张图片

        其中,\tau _{0}是离散采样时间, \theta (n) 是n时刻时的相位偏差,且n=t/\tau _{0} 。离散时间采样间隔为k=\tau /\tau _{0}=1,2,...,N_{max}

传感器随机误差建模

       下图为MEMS传感器中的主要误差分类。对于零偏、刻度因子误差等静态误差,可通过卡尔曼滤波、递归最小二乘等方法实现在线补偿。但在线滤波器无法对具有随机特性的噪声进行有效估计,因此应使用Allan方差进行各项随机误差辨识,并通过拟合求出各项噪声的系数,实现对随机误差的建模过程。由于Allan方差是MEMS传感器噪声稳定性的表征,因此Allan方差与随机过程PSD的积分关系为:

                                                                         

       通过替换上式的积分计算可以导出Allan方差作为典型随机误差的时间函数,通过 \sigma _{\omega }(\tau )t的对数图,能够清楚表征MEMS传感器中的随机误差,如下图所示。其中\sigma _{\omega }(\tau )是Allan方差的平方根,也称为Allan标准偏差。

                                                  惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第4张图片

       根据每种噪声的Allan方差及其斜率系数,假设各种误差来源统计独立,总的Allan方差可以表示为各误差的和:

                                                             惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第5张图片

程序代码:

%Allan Variance的原始实现,并设置了可变的步长d,实现对求取时间的控制。
%**********author:zytjasper 2018/12/10.************%
%Reference:Noise Identification and Analysis in MEMS Sensors Using an  Optimized Variable Step Allan variance 
clc;
clear all;
tic;
data = xlsread('data.xlsx');
X = data(1:720000,1)*3600;   %读取数据,以陀螺仪某一轴为例

Ts = 0.01; %采样时间
[N,M] = size(X);
N_max = floor(N/3);%(N/3)
T = zeros(N_max,10);
R = zeros(N_max,10);

for d = 1  %设置迭代的步长为d,当d=1时为传统的Allan方差
    Allan = zeros(N_max,2);
    Cluster_mean = zeros(N,1);
    for n = 1:d:N_max    %每一簇的簇长
    K = floor(N/n);
    for k = 1:K
        Cluster_mean(k,1) = mean(X((n*(k-1)+1):(n*k),1));
    end
    Cluster_diff = diff(Cluster_mean(1:K),1);
    Allan(n,1) = n*Ts;  %Time tau
    Allan(n,2) = sum((Cluster_diff.^2))/(2*(K-1));
    end
    Allan(any(Allan,2)==0,:)=[]
    TUP = ceil(N_max/d);
    RUP = ceil(N_max/d);
    T(1:TUP,d)=Allan(:,1);
    R(1:RUP,d)=Allan(:,2);
end
x1 = T(:,1);
y1 = R(:,1);

a= [1 2 3 4 5];%函数拟合过程
a(1:5)=lsqcurvefit(@test,a,x1,y1);
f=a(1)*x1.^(-2)+a(2)*x1.^(-1)+a(3)*x1.^(0)+a(4)*x1.^(1)+a(5)*x1.^(2);

figure(1)=figure('color',[1 1 1]);
loglog(T(:,1),R(:,1),'color',[255/255,215/255,0/255]);   
hold on;
loglog(x1, f,'r','LineWidth',1.3);
hold on;
xlabel('Cluster Time (sec)'); 
ylabel('Allan Deviation (deg/h)');
grid on;
legend('   Step size=1','   Step size=2','   Step size=3','   Fitting Curve')
toc; 

test拟合程序:

function f=test(a,x)
    f=a(1)*x.^(-2)+a(2)*x.^(-1)+a(3)*x.^(0)+a(4)*x.^(1)+a(5)*x.^(2);
end

运行结果:(别介意标注,红线应该是拟合曲线)

运行时间会在1K-1.2K秒左右,这是正常范围,Allan方差的迭代原理就是很慢很慢很慢,我在Reference中做了加速的优化,终稿刊号出来了我就会附上原文的。【2019.11.20更新,文章已经贴出,改变步长后的Allan方差速度有大幅度的提升】

                                    惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第6张图片

改进思路

给采样序列m中加入可变步长(等比等差都可以,文中用的是等差),即:

步长可变的Allan方差算法原理示意图如下:

惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第7张图片

分别将步长惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第8张图片设置为1,5,10,15,20,25,30,35,40,并将误差拟合曲线叠加可得到下面的误差辨识结果:

惯性组合导航原理—[4] 步长可变的快速Allan Variance:传感器随机误差建模_第9张图片

该方法显著的减少了误差建模的计算量,在确保误差估计精度的同时实现了对传感器时变稳定性的快速跟踪。此外该步长可变序列的思路还可以应用在DAVAR方法中,具体过程见论文。

只是一篇普通的EI论文,不足之处欢迎各位学习与指正。

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