慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置及標定方法與流程

2023-12-11 23:16:22 1

本發明涉及導航技術領域，具體涉及一種慣性器件和地磁傳感器整體標定裝置及其標定方法。

背景技術：

慣性測量單元(IMU)和地磁傳感器廣泛應用於智慧型手機等電子消費品，以及無人機和無人駕駛車等機器人系統中。IMU是慣性導航的基礎測量裝置，由三軸陀螺和三軸加速度計組成，固聯於載體之上，實現對載體角速度和比力的感知，通過力學編排的微分方程，能夠實時計算出載體的位置、速度和姿態角。但是，民用慣性器件的精度差，難以實現方位角的測量和對準。因此，採用三軸地磁傳感器(例如磁通門傳感器和磁阻傳感器等)，感知當地磁場強度，實現方位角的計算。但是慣性導航的精度嚴重依賴慣性器件的精度，即使與GNSS(全球導航衛星系統，例如GPS和北鬥等)接收機構成組合導航系統，也存在室內或城市峽谷等無GNSS信號環境。地磁傳感器的測量精度受載體的電磁環境的影響明顯，因此方位角的精度難以保證。為了提高慣導和方位角的解算精度，對慣性器件實現精確的標定和補償是最普遍的方法。

傳統IMU的標定通過三軸慣導測試轉臺和精密離心機實現。在陀螺標定過程中，IMU的坐標系與轉臺坐標系重合，建立標定模型計算陀螺的零偏，通過陀螺對多個基準角速度輸入的響應，計算刻度因數，安裝耦合系統和非線性度等標定係數。同樣地，通過精密離心機能夠標定出加速度計的零偏、刻度因數和耦合誤差等標定係數。但是，三軸慣性轉臺和精密離心機的造價高，需要特定的隔離地基，標定過程複雜。地磁傳感器的標定，目前無相關標準，通常採用圓周運動補償方法，使標定對象的航向角在0～360°範圍內變化，對地磁傳感器進行連續採樣，根據採樣點最大和最小值，推導刻度係數和零位偏置。這種方法只能對地磁傳感器進行定性的補償，屬於經驗方法，不能保證補償的係數的準確性。中國專利公開號CN105180968A，公開日2015年12月23日，發明創造的名稱為《一種IMU/磁強計安裝失準角在線濾波標定方法》，公開了一種IMU/磁強計安裝失準角在線濾波標定方法，應用卡爾曼濾波方法得到捷聯慣導系統IMU相對磁強計安裝失準角全部誤差參數；利用六面體或其它相似的可翻轉裝置即可完成現場標定試驗，克服了傳統實驗室標定的不足，提高了系統實際使用精度。但是這種方法無法避免標定裝置的軟磁效應和硬磁效應對地磁傳感器標定誤差的影響，無法獲得較高的精度和足夠的標定參數。

技術實現要素：

本發明為解決現有慣性測量單元標定設備成本高，標定方法複雜，並且現有地磁傳感器的補償技術由於存在誤差導致測量精度低等問題，提供一種慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置及標定方法。

慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置，包括雙天線GNSS/SINS組合導航系統、標定處理系統、工業相機和六面體工裝，標定對象安裝在六面體工裝中，作為標定六面體工裝，所述標定六面體工裝的六個表面上分別貼有不同ID的增強現實合作目標；所述雙天線GNSS/SINS組合導航系統作為基準組合導航系統與工業相機固連，所述基準組合導航系統中IMU和工業相機安裝於兩個GNSS接收機天線的中點位置；

所述雙天線GNSS/SINS組合導航系統測量當地地理位置和基準坐標系相對於當地地理坐標系的姿態角；所述標定處理系統採集雙天線GNSS/SINS組合導航系統的測量值、標定對象中加速度、陀螺以及地磁傳感器的測量值以及工業相機採集標定六面體工裝表面的增強現實合作目標圖像信息，所述標定處理系統計算當前增強現實合作目標相對相機坐標系的姿態角；

所述標定處理系統計算基準坐標系和當地地理坐標系的方向餘弦矩陣，目標坐標系和相機坐標系的方向餘弦矩陣；獲得載體坐標系相對於當地地理坐標系的方向餘弦矩陣；計算所述載體坐標系三軸傳感器的標稱值；將標定對象中加速度計、陀螺和地磁傳感器標稱值和標定對象中加速度計、陀螺和地磁傳感器的測量值建立方程組，實現對慣性測量單元和地磁傳感器的整體標定。

慣性測量單元和地磁傳感器整體標定方法，該方法由以下步驟實現：

步驟一、將標定對象安裝於標定六面體工裝內，所述標定六面體工裝、雙天線GNSS/SINS組合導航系統以及工業相機處於同一平面，並且所述增強現實合作目標位於工業相機的視場中心位置；

步驟二、建立標定對象中加速度計、陀螺以及磁場傳感器的標定模型；

步驟三、在所述工業相機視場內以任意姿態放置標定六面體工裝，保證至少有一個面上的增強現實合作目標落在工業相機的視場中；

步驟四、所述標定處理系統採集基準組合導航系統輸出的當地地理位置和基準坐標系相對於當地地理坐標系的姿態角，並採集標定對象中加速度、陀螺以及地磁傳感器的測量值；所述工業相機採集所述標定六面體工裝表面的增強現實合作目標的圖像，並將所述合作目標的圖像傳送至標定處理系統，所述標定處理系統計算當前增強現實合作目標相對相機坐標系的姿態角；

步驟五、標定處理系統計算基準坐標系和當地地理坐標系的方向餘弦矩陣，目標坐標系和相機坐標系的方向餘弦矩陣；獲得載體坐標系相對於當地地理坐標系的方向餘弦矩陣；

步驟六、計算所述載體坐標系三軸傳感器的標稱值；將標定對象中加速度計、陀螺和地磁傳感器標稱值和步驟四獲得的標定對象中加速度計、陀螺和地磁傳感器的測量值帶入步驟二中的標定模型；

步驟六、判斷所述測量值是否滿足最小測量次數限制，如果是，則執行步驟七，如果否，返回執行步驟三；

步驟七、將標定對象中加速度計、陀螺和地磁傳感器的標稱值和測量值建立方程組，實現對慣性測量單元和地磁傳感器的整體標定。

本發明的有益效果：本發明中將高解析度的長焦工業相機與雙天線GNSS/SINS組合導航系統固連在一起，基準組合導航系統測量地球系位置和當地地理系姿態角，查表獲得理論地磁場強度值，計算理論比力和角速度，經過光學基準傳遞，計算標定對象載體系上標稱值，採集被測IMU和地磁傳感器的測量值，任意放置六面體工裝，得到多組被標定對象標稱值和測量值，建立方程組，根據最小二乘法，求取標定參數，完成標定。具體優點如下：

一、本發明採用雙天線GNSS/SINS組合導航系統作為標定基準，克服了傳統IMU標定手段採用三軸轉臺和高精度離心機設備昂貴，場地受限，標定流程和數據處理複雜的缺點。雙天線GNSS/SINS組合導航系統測量精確的地球系位置，基準系相對於當地地理系的姿態角，獲得精確計算比力、角速度和地磁場強度理論值。

二、本發明採用高解析度相機對增強現實合作目標所呈圖像進行測量，計算標定對象與基準裝置的相對位姿，採用光學方式實現了基準傳遞，避免了傳統機械方式基準傳遞對空間的局限。除了有效地降低了成本，還避免了直接的機械安裝，以及標定裝置對地磁傳感器嚴重的電磁幹擾，提高了地磁傳感器標定的準確性和可信度。

三、本發明提出了能夠通過光學與機器視覺方式實現精密測量的標定六面體。六面體外塗敷高精度加工的二維正方形增強現實合作目標，每一個平面上的合作目標ID各不相同，將標定對象安裝於標定六面體中，確定二者幾何關係，同時採集標定對象和基準標定裝置輸出，將高解析度相機採集的增強現實圖像進行解碼和測量作為基準傳遞媒介，採用最小二乘法求解標定模型方程組，計算標定參數和標定噪聲協方差。

附圖說明

圖1為本發明所述的慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置的機械結構示意圖；

圖2為本發明的基準組合導航系統的基準坐標系與當地地理坐標系定義示意圖；

圖3為工業相機和相機坐標系的定義示意圖；

圖4為標定六面體工裝和載體坐標系定義示意圖；

圖5為增強現實合作目標和目標坐標系定義示意圖；

圖6為本發明所述的慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置的電路結構示意圖；

圖7為本發明所述的慣性測量單元和地磁傳感器整體標定方法的流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一、結合圖1至圖6說明本實施方式，慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置，結合圖1說明本實施方式，包括一套雙天線GNSS/SINS高精度組合導航系統，一個長焦高解析度工業相機2和一個標定六面體工裝4。六面體工裝的各面上塗敷有不同ID的高精度的二維正方形增強現實合作目標。高精度組合導航系統與高解析度工業相機通過金屬板杆5固定，天線之間的基線長度保證1.5m以上，以保證基準航向角的噪聲保持在較小水平。所述雙天線GNSS/SINS高精度組合導航系統作為地球標稱物理量與當地地理系變換的基準測試設備，包括兩個GNSS接收機天線(天線1和天線3)，GNSS接收機，基準IMU和導航計算機。高精度組合導航系統作為標定基準，要求其採用的基準IMU的零偏和噪聲水平至少優於被標定IMU的精度一個量級。組合導航系統IMU和工業相機2安裝於兩個天線的中點位置附近，二者質心位置應儘量集中，且要求較高的安裝精度，以保證基準坐標系與相機坐標系的方向餘弦矩陣準確。工業相機採集標定六面體工裝的合作目標圖像，確定標定對象在相機坐標系中的位姿，結合機械結構確定的基準坐標系與相機坐標系的關係，標定對象IMU與六面體的關係，完成由地球坐標繫到載體坐標系的基準傳遞。

結合圖2說明本實施方式，基準坐標系定義OBXBYBZB指向基準IMU的三個敏感軸方向，它與當地地理坐標系NED的關係通過滾轉角，俯仰角和航向角三個歐拉角表示(φ,θ,ψ)T，當地地理坐標系三個坐標軸分別指向北向，東向和地向。獲得基準坐標坐標系與當地地理坐標系的方向餘弦矩陣為，

結合圖3說明本實施方式，圖3為相機坐標系定義OCXCYCZC。OC為光心，OCXC和OCYC分別平行於成像平面的兩條邊，OCZC為深度方向。結合圖1、圖2和圖3可確定相機坐標系與基準坐標系的轉換方向餘弦矩陣：

圖4為載體坐標系。假設IMU/地磁傳感器測量模塊的三個敏感軸方向一致，載體坐標系ObXbYbZb指向標定對象中IMU的三個敏感軸方向，標定對象安裝於標定六面體工裝中，因此可通過六面體定義載體坐標系。

結合圖5，圖5為增強現實合作目標的目標坐標系OTXTYTZT，增強現實合作目標通過內部二維正方形表徵唯一的ID，且可以表示矢量方向，因此增強現實合作目標能夠定義唯一的坐標系。所述的增強現實合作目標為AprilTagTag.36h11系列中ID為16的合作目標，將此合作目標定義的坐標系表示成六面體的其它五個平面分別採用不同ID的圖形，表示成這樣能夠確定六面體工裝每一個平面與載體坐標系的關係由圖5和圖6可知，目標坐標系與載體坐標系的方向餘弦矩陣為：

所述的增強現實合作目標的圖形可以為其他形式，例如，ARTag或QR Code等。除此之外，標定板必須嚴格保證為正方形，並且邊長鬚精密測量。標定裝置的高解析度工業相機，通過對六面體工裝上增強現實合作目標的圖像進行預處理，閾值處理，邊緣檢測，圖像分割，四邊形提取，識別出唯一確定ID的增強現實圖案，根據目標、圖像和焦距三者之間的關係計算標定對象中IMU/地磁傳感器相對於基準坐標系的位置和姿態。

結合圖6說明本實施方式，標定處理系統用於採集基準組合導航系統輸出的位置和姿態角；採集高分率工業相機輸出的增強現實合作目標的圖像，並計算合作目標相對於相機坐標系的位姿；採集被測IMU輸出的比力和角速度以及地磁傳感器輸出的地磁場強度；電源根據各用電單元的電壓供電；顯示器用於與用戶交互並提示標定進程；存儲單元記錄存儲結果。

所述的標定處理系統可為DSP，ARM等嵌入式計算機，也可為工控機或PC機。各採樣接口根據選擇器件的實際接口，對標定處理系統進行電路接口設計或選擇對應的工業採集卡。

具體實施方式二、結合圖7說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式一所述的慣性測量單元和地磁傳感器整體標定裝置的標定方法，其具體標定過程如下：

一、將基準導航系統與標定六面體放置在同一水平面之上，為保證測量精度，儘量減小相機與六面體間的距離；

二、建立被測對象傳感器的標定模型，

加速度計的模型為

其中，為標定後比力；為加速度計原始輸出的比力；ba為加速度計零偏，wa表示加速度計噪聲水平；Ka為加速度計刻度因數與安裝耦合係數矩陣。

陀螺的標定模型為

其中，為標定後陀螺角速度；為陀螺原始輸出的角速度；bg為陀螺零偏，wg表示陀螺噪聲水平；Kg為陀螺刻度因數與安裝耦合係數矩陣。

地磁傳感器的標定模型為

其中，為標定後地磁場強度，根據當地地理位置查表計算求取；為地磁傳感器原始輸出的地磁場強度；bh為當前條件下地磁傳感器偏置，ωh表示地磁傳感器噪聲水平；Kh為地磁傳感器刻度因數與安裝耦合係數矩陣。

三、以任意姿態放置標定對象的六面體工裝，但必須保證至少一個平面的合作目標完整的出現在工業相機的視場中；

四、採集基準組合導航系統輸出的當地地理位置，記作(L0 λ0 h0)，根據WMM(World Magnetic Model)能夠計算當地磁場強度和當地地理坐標系三軸磁場強度分量，記作分別表示北向，東向和地向的磁場強度。採集高解析度工業相機測量的六面體工裝上第i個平面合作目標的姿態角，記為其中i表示工裝六個面中的第i個平面，並計算相機坐標系的方向餘弦矩陣計算載體坐標系相對當地地理坐標系的方向餘弦矩陣；

因此，載體坐標系三軸傳感器的標稱值為

五、計算載體坐標系中標定對象的比力和角速度的理論標稱值。在當地地理坐標系中，加速度計輸出的比力fn和陀螺輸出的加速度的理論標稱值分別為

fn＝(0 0 1)T

ωn＝(0 0 7.292115×10-5)T

其中，fn無量綱，ωn的單位為rad/s。因此，根據當地地理坐標系與載體坐標系的轉換關係則可確定載體坐標系內加速度計和陀螺的輸出的理論標稱值，記作和

六、採集標定對象中加速度計原始輸出的比力陀螺原始輸出的角速度和地磁傳感器原始輸出的地磁場強度的測量值；

七、將標定對象的標稱值和測量值帶入步驟二中的標定模型，即具體如下：加速度計標定方程：

陀螺標定方程：

地磁傳感器標定方程：

上述方程共有九個方程，36個未知數，因此至少需要四組測量值才能求解；

八、為了使獲得較高的標定精度，至少保證六面體工裝的每一個面至少有三個姿態角位置被工業相機採樣。這樣至少有18組量測值，充分保證標定參數的精度。根據最小二乘法，求解各傳感器標定參數。

加速度計標定方程可以寫成：

陀螺標定方程可以寫成：

地磁傳感器標定方程可以寫成：

其中，j∈[1,N]，N表示對特定的增強現實合作目標的角位置變換測量的次數。令

根據最小二乘法分別計算加速度計、陀螺和地磁場傳感器標定係數矩陣的估計值，

加速度計、陀螺和地磁場傳感器噪聲的協方差矩陣分別為：

本實施方式實現了慣性測量單元與地磁傳感器整體快速標定，以光學手段實現標定對象與基準裝置的基準傳遞，避免了地磁傳感器與標定設備直接接觸引起的電磁效應，本發明操作簡單，無須專業實驗室。