一種校準的方法和裝置的製作方法
2023-12-05 06:39:06 4
專利名稱：一種校準的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種校準傳感器系統的方法和裝置，特別是一種校準運動傳感器系統的方法和裝置。
背景技術：
生活在資訊時代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發、採集、傳送和處理息息相關。作為信息感知、捕獲和探測的窗口，功能各異的傳感器在信號探測與信息處理系統中起著極為重要的作用。傳感器是能感受(或響應)規定的測量值並按照一定規律將測量值轉換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由對測量值直接響應的敏感元件和產生信號輸出的轉換元件以及相應的電子線路所組成。
傳感器中的運動傳感器有自己的坐標系，能將物體的運動信號轉換成可檢測的電信號，如加速度傳感器和陀螺儀傳感器。加速度傳感器和陀螺儀傳感器是工業、國防等許多領域中進行衝擊、振動測量和運動跟蹤常用的測試儀器，特別適合地震、建築、軍事、交通、機械、航海等領域的振動測量和運動跟蹤。
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便於測量的電信號的測試儀器。加速度傳感器的測量輸出值是反映加速度的電壓值。例如，日本東京Hitachi金屬有限公司生產的三維壓電電阻加速度傳感器，該IC晶片形式的加速度傳感器具有檢測三個軸向(X、Y和Z軸)加速度的能力。該傳感器高度靈敏且抗衝壓，同時它是非常小且薄的半導體型三維加速度傳感器。更多有關該加速度傳感器的信息可以在以下的網站上獲得http//www.hitachimetals.co.jp/e/prod/prod06/p06 10.htm，這些信息通過引用結合在本文中。
陀螺儀傳感器是用來將角速度這一物理信號轉變成便於測量的電信號的測試儀器。同樣的，陀螺儀傳感器的測量輸出值是反映角速度的電信號。
為了獲得準確的運動軌跡，傳感器系統中通常需要使用兩個以上的運動傳感器傳感器，如在三維手寫識別系統、慣性測量系統(Inertial measurement Unit)、機械臂運動測量系統、航空制導系統以及家電遙控器等系統中，需要兩個三維運動傳感器感知傳感器系統在三維空間中的運動。如果傳感器系統中的兩個以上運動傳感器是同一類型的運動傳感器，例如，都是加速度傳感器或者陀螺儀傳感器，那麼有必要校準這兩個以上運動傳感器的坐標系之間的位置關係，使系統中兩個以上的運動傳感器的輸出值轉化到同一個坐標系中，以通過測量這些運動傳感器的輸出值跟蹤該傳感器系統的運動軌跡。
傳感器系統中兩個運動傳感器之間的位置關係包括它們之間的位移關係和旋轉關係。兩個運動傳感器之間的位移關係是由系統電路板的設計構造決定的，通過測量等方式比較容易確定。兩個運動傳感器之間的旋轉關係是指為了使一個傳感器的坐標系與另一個傳感器的坐標系達到設計要求的角度，如平行，將其中一個傳感器旋轉至另一個傳感器所需的一個特定的角度。現有的確定運動傳感器之間的旋轉關係的方法有兩種第一種是近似法，即在電路板設計和生產時以近似的方式實現。如在電路板設計時兩個以上的傳感器平行放置，並在生產時近可能用嚴格的生產工藝實現兩個以上的傳感器的坐標系平行沒有旋轉。這種方法對生產工藝要求非常高。第二種方法是測量法，使用角度測量儀對兩個以上的加速度傳感器之間的角度進行測量。為了得到準確的測量結果，對角度測量儀的測量精度要求非常高。
因此，需要一種迅速、方便和快捷地校準傳感器系統中兩個以上的運動傳感器之間的旋轉關係的方法和裝置，降低傳感器系統的生產工藝要求，減少對精密角度測量儀的依賴。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係的方法，包括步驟根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；根據所述測量到的輸出值，獲取該第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
然而，由於存在系統誤差和觀測誤差，對所述傳感器系統進行特定次數的測量，使測量次數大於最少測量次數可以減少系統誤差和觀測誤差對校準的影響，獲得更為精確的校準結果。根據本發明的一個實施例，測量次數大於最少測量次數時獲取該第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係如下獲得第一運動傳感器和第二運動傳感器的輸出值在一個參考坐標系內的殘差，並根據一個優化策略對該殘差進行處理來以獲取該旋轉關係。所述的策略可以是第一運動傳感器和第二運動傳感器輸出值的殘差的平方的總和為最小；第一運動傳感器和第二運動傳感器輸出值的殘差的絕對值之和最小；或者第一運動傳感器和第二運動傳感器輸出值的殘差的加權和最小。
本發明的另一個目的是提供一種校準裝置，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係，該裝置包括一個確定裝置，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；一個測量裝置，用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；一個獲取裝置，用於根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
本發明的另一個目的是提供一種電腦程式產品，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係，該電腦程式包括代碼用於根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；代碼用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；代碼用於根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
本發明的另一個目的是提供一種運動跟蹤系統，用於獲得該系統日運動軌跡，至少包括一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器，還包括一個本發明所述的校準裝置，用於校準所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間旋轉關係，和一個運動跟蹤裝置，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間旋轉關係獲得所述第一運動傳感器和第二運動傳感器的運動軌跡。
通過參考以下結合附圖的說明以及權利要求書中的內容，並且隨著對本發明的更全面的理解，本發明的其他目的及效果將變得更加清楚和易於理解。
藉助示例性的實施例和所附示意圖，本發明及其相關的優點將得到進一步闡述，在附圖中圖1示出了按照本發明的一個校準傳感器系統中兩個運動傳感器的旋轉關係的方法的流程圖；圖2示出了按照本發明的一個校準傳感器系統中兩個運動傳感器的旋轉關係的裝置的示意圖；圖3示出了按照本發明的一個運動跟蹤系統示意圖；各附圖中相應的特徵由相同的標號表示。
具體實施例方式
圖1示出了按照本發明的一個校準傳感器系統中兩個運動傳感器的旋轉關係的方法的流程圖。
在本實施例中，傳感器系統中的兩個運動傳感器都是具有三維坐標系的加速度傳感器。假設其中一個加速度傳感器為第一傳感器，另一個加速度傳感器為第二傳感器。
首先，確定傳感器系統中的兩個運動傳感器的輸出值的特定測量次數(S110)。根據幾何學基本原理，如果第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系都是一維坐標系，最少測量一組傳感器輸出值就能獲得兩個傳感器之間的旋轉關係。如果第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系都是二維坐標系，最少測量一組傳感器輸出值就能獲得兩個傳感器之間的旋轉關係。當第一傳感器的坐標系和所述第二傳感器的坐標系是三維坐標系時，最少測量三組傳感器輸出值就能獲得兩個傳感器之間的旋轉關係。本實施例中，第一傳感器的坐標系和所述第二傳感器的坐標系是三維坐標系，最小測量次數為3。為了減少系統誤差和觀測誤差，確定一個大於3的測量次數。
其次，測量第一傳感器的加速度和第二傳感器的加速度(S120)。測量時，使傳感器系統的加速度保持不變，即在傳感器系統靜止或者平行移動時分別測量第一傳感器和第二傳感器的加速度。讓傳感器系統平行移動並進行測量比較困難，相比較而言，靜止的測量條件比較容易實現，再次，獲得這次測量中第一傳感器和第二傳感器的加速度在一個參考坐標系內的殘差(S130)。在傳感器系統靜止或平行移動的情況下，第一傳感器的加速度和第二傳感器的加速度在同一個坐標系內的差值等於零，獲取所述坐標系之間旋轉關係可以通過計算第一傳感器的加速度和第二傳感器的加速度在一個參考坐標系內的殘差來實現。參考坐標系可以是第一傳感器的坐標系，也可以是第二傳感器的坐標系，還可以是世界坐標系。在本實施例中，以第一傳感器的坐標係為參考坐標系獲取兩個傳感器的加速度的殘差。假設α0，i、α1，i分別表示第一傳感器和第二傳感器第i次測量的加速度，則第I次測量第一傳感器的加速度和第二傳感器的加速度在第一傳感器的坐標系內的殘差為α0，i-Ra1，i。
然後，判斷測量次數是否等於特定測量次數(S140)。如果測量次數小於確定的測量次數，則繼續測量第一傳感器和第二傳感器的加速度。每次測量時，使傳感器系統處於不同的姿態。如果在傳感器系統靜止時測量，開始新的一次測量時變換傳感器系統的姿態；如果在傳感器系統平行移動時測量，每次測量時相對世界坐標系來說，傳感器系統的姿態都是不同的。
如果測量次數等於確定的測量次數，則在殘差的平方的總和為最小的法則下獲取第一傳感器和第二傳感器坐標系之間的旋轉關係(S150)。
假設R為第一傳感器和第二傳感器系之間旋轉關係參數，該參數可以用一個正交參數矩陣來描述。雖然R是一個具有九個變量的3*3的矩陣，但由於R是一個正交參數矩陣，因此，R是一個僅有三個自由度的矩陣。
根據歐拉定理，任何旋轉都可以用三個旋轉角度來表示，稱為歐拉角。第一傳感器和第二傳感器之間旋轉關係也可以用一個歐拉角來表示。根據X軸法則，旋轉可以用這樣的三個歐拉角(φ，θ，ψ)來表示第一個旋轉角φ是繞著Z軸的旋轉角度；第二個旋轉角θ∈
是繞著X軸的旋轉角度；第三個旋轉角ψ是再一次繞著Z軸的旋轉角度。R可以表示為R＝BCD。B、C和D各自為一個旋轉矩陣。
由此，B、C和D可以用歐拉角表示為Dcossin0-sincos0001]]>C1000cossin0-sincos]]>
Bcossin0-sincos0001,]]>用搜索的方法可以找到合適的歐拉角(φ，θ，ψ)，使得兩個傳感器加速度在第一傳感器的坐標系中的殘差的平方和最小值。即minRi=1n||a0,i-Ra1,i||2.]]>獲得該歐拉角可以將第二傳感器的坐標系轉化到第一傳感器的坐標系，上述實施例中，如果第一傳感器的坐標系和所述第二傳感器的坐標系都是二維坐標系，兩個傳感器之間的旋轉關係也可以用正交參數矩陣R來描述。雖然R是一個具有四個變量的2*2的矩陣，但由於R是一個正交參數矩陣，R是一個僅有一個自由度的矩陣。R可以表示為R=cossin-sincos.]]>測量次數大於1時，根據兩個傳感器加速度在第一傳感器的坐標系中的殘差的平方的總和為最小時可以獲得更為優化的R的值。
上述實施例中，如果第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系都是一維坐標系，傳感器的測量值是它的加速度在坐標系方向上的投影，在同一個加速度之下，兩個傳感器的測量值成一定的(固定的)比例。假設R為第一傳感器的測量值和所述第二傳感器的測量值之間比例係數，R為一個實數。假設A0為測量到的第一傳感器的加速度，A1為測量到的第二傳感器的加速度。用矩陣的形式表示如下A0=a0,1a0,2...a0,n,A1=a1,1a1,2...a1,n,]]>其中a0，i，a1，i表示兩個傳感器第i次測量的輸出值。
兩個傳感器加速度在第一傳感器的坐標系中的殘差的平方的總和為最小的法則下，獲取兩個傳感器之間的旋轉關係，即minRi=1n||a0,i-Ra1,i||2.]]>令 E＝A0-RA1(1)，則問題轉化為minRETE---(2),]]>由(2)可得，ETER=0---(3),]]>則R=A1TA0A1TA1.]]>上述實施例中，如果第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系維數不一致，則以兩個坐標系維數中小的坐標系維數確定最少測量次數。由於兩個傳感器的坐標系維數不一致會導致運動檢測系統製造成本大大增加，因此，在實際應用中，第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系維數在大多數情況下是一樣的。
上述實施例中，如果存在多個運動傳感器(運動傳感器的數量在三個以上)，則可以以其中一個運動傳感器坐標係為基準，使用上述方法分別校準其他各個的運動傳感器和這個基準的運動傳感器的坐標系之間的旋轉關係。這樣，多個運動傳感器的坐標系的之間的旋轉關係就確定了。
圖2示出了按照本發明的一個校準傳感器系統中兩個運動傳感器的旋轉關係的裝置的示意圖。本實施例中兩個運動傳感器都是三維的加速度傳感器。該校準裝置200包括一個確定裝置210，用於根據所述第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系維數確定最少測量次數；一個測量裝置220，用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的加速度，所述特定次數不小於所述最少測量次數；一個獲取裝置230，用於根據所述測量到的加速度，獲取第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
本實施例中，第一傳感器的坐標系和第二傳感器的坐標系都是三維的，確定裝置210確定的最少測量次數為3次。
測量裝置220用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的加速度，該加速度是三維的。所述特定次數不小於所述最少測量次數3次，即特定次數等於3次或者大於3次。
當特定測量次數等於3次時，獲取裝置230根據測量裝置220測量到的三組傳感器的加速度直接獲得第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。因為，如前所述，第一傳感器和第二傳感器系之間旋轉關係三個自由度的正交矩陣來表示。
當特定測量次數大於3次時，獲取裝置230包括一個殘差獲得裝置232和一個優化處理裝置234。殘差獲得裝置232用於獲得第一傳感器的加速度和第二傳感器的加速度在一個參考坐標系內的殘差。優化處理裝置234用於根據一個優化策略對所述殘差進行處理，以獲取該旋轉關係。
本發明還可以通過適當編程的計算機來實現，該計算機配備的一個電腦程式能夠一種電腦程式產品，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係，該電腦程式包括代碼用於根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；代碼用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；代碼用於根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。這種電腦程式產品可以存儲在一個存儲載體上。
這部分程序代碼可以提供給處理器，形成一種機器，使得在該處理器上執行的代碼產生了實現上述功能的裝置。
圖3示出了按照本發明的一個運動跟蹤系統示意圖。運動跟蹤系統300，包括兩個運動傳感器，第一運動傳感器310，第二運動傳感器311。該系統還包括一個校準裝置200，一個運動跟蹤裝置400，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間旋轉關係。
校準裝置200，用於校準所述第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。校準裝置200接收第一運動傳感器310和第二運動傳感器320的輸出值，獲得這兩個月的傳感器的旋轉關係，並將所獲得的旋轉關係發送給運動跟蹤裝置400。
運動跟蹤裝置400，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間旋轉關係獲得所述第一運動傳感器和第二運動傳感器的運動軌跡。當校準裝置200完成校準後，運動跟蹤裝置400接收第一運動傳感器310和第二運動傳感器320的輸出值，並根據所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間旋轉關係將第一運動傳感器和第二運動傳感器的輸出值轉化到同一個坐標系中進行運動跟蹤。
應當注意到，上述實施例只是說明性的，而不是限制本發明，本領域中的普通技術人員能夠在不偏離所附權利要求書範圍的前提下，設計出許多可替代的實施方式。在權利要求書中，括號中的標號不應被解釋成限制該權利要求。詞「包括」不排除權利要求中沒有列出的部件或步驟。在部件前面的詞「一個」不排除多個這樣的部件的存在。本發明可以通過包括幾個特定部件的硬體來實現，以及通過適當編程的計算機來實現。
權利要求
1.一種校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係的方法，包括步驟a.根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；b.對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；c.根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
2.如權利要求1所述的校準方法，其中所述第一運動傳感器的坐標系的維數是一維、二維或者三維中的一種，所述第二運動傳感器的坐標系的維數是一維、二維或者三維中的一種。
3.如權利要求1所述的校準方法，其中所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器是加速度運動傳感器。
4.如權利要求1所述的校準方法，其中所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器是陀螺儀運動傳感器。
5.如權利要求1所述的校準方法，其中步驟(b)中每次測量時所述傳感器系統的姿態是不同的。
6.如權利要求1-5中任一權利要求所述的校準方法，其中所述特定次數大於所述最少測量次數，其中步驟(c)包括獲得所述輸出值在一個參考坐標系內的殘差；根據一個優化策略對所述殘差進行處理，以獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間的旋轉關係。
7.如權利要求6所述的校準方法，其中所述優化策略為所述殘差的平方的總和為最小。
8.一種校準裝置，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係，包括a.一個確定裝置，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；b.一個測量裝置，用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；c.一個獲取裝置，用於根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
9.如權利要求8中所述的校準裝置，其中所述獲取裝置包括一個殘差獲得裝置，用於獲得所述輸出值在一個參考坐標系內的殘差；一個優化處理裝置，用於根據一個優化策略對所述殘差進行處理，以獲取所述旋轉關係。
10.一種電腦程式產品，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係，該電腦程式包括a.代碼用於根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；b.代碼用於對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；c.代碼用於根據所述測量到的輸出值，獲取所述的第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。
11.一種包含了如權利要求10所述的電腦程式產品的存儲載體。
12.一種運動跟蹤系統，至少包括一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器，還包括一個如權利要求8所述的校準裝置，用於校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉角度；一個運動跟蹤裝置，用於根據所述第一運動傳感器的坐標系和所述第二運動傳感器的坐標系之間位置關係獲得傳感器系統運動軌跡。
全文摘要
本發明提供了一種校準一個傳感器系統中一個第一運動傳感器和一個第二運動傳感器之間旋轉關係的方法和裝置，該方法包括根據所述第一運動傳感器的坐標系的維數和第二運動傳感器的坐標系的維數確定一個最少測量次數；對所述傳感器系統進行特定次數的測量，以獲得每次測量時所述第一運動傳感器和所述第二運動傳感器的輸出值，所述特定次數不小於所述最少測量次數；根據所述測量到的輸出值，獲取該第一運動傳感器和第二運動傳感器之間旋轉關係。本發明可以迅速、方便和快捷地校準傳感器系統中兩個以上的運動傳感器之間的旋轉關係，降低傳感器系統的生產工藝要求，減少對精密角度測量儀的依賴。
文檔編號G01P21/00GK1737580SQ200410055499
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月17日 優先權日2004年8月17日
發明者劉芳, 塗嘉文 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司