[發明專利]基于高精度動作捕捉系統的慣性測量單元標定系統

有效

• 申請號: 201910073726.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109798891B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 鄒丹平;王兆圣;郁文賢
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種基于高精度動作捕捉系統的慣性測量單元標定系統，其特征在于，包括：數據獲取模塊、姿態因子模塊、速度因子模塊和位置因子模塊，其中：數據獲取模塊采集來自動作捕捉系統的位置信息和姿態信息，來自慣性測量單元的加速度和角速度信息；姿態因子模塊與數據獲取模塊相連并最小化相對姿態的誤差函數，采用因子圖的描述方法，即姿態因子計算慣性測量單元的陀螺儀零偏參數和多個坐標系之間的相對旋轉實現標定；速度因子模塊分別與數據獲取模塊和姿態因子模塊相連并根據陀螺儀零偏參數、多傳感器安裝時對應坐標系間的相對旋轉、位置信息和姿態信息對加速度計的零偏參數進行估計；位置因子模塊分別與數據獲取模塊和速度因子模塊相連并根據位置信息和姿態信息對速度因子模塊計算得到的IMU的零偏參數、多傳感器之間的旋轉、平移參數進行進一步的優化，即使用姿態因子模塊、速度因子模塊，已經可以估計出所有的待估計參數，在這個結果的基礎上，添加相對位置的約束項，通過最小化位置殘差，進一步地提高參數估計的精度并輸出優化后的慣性測量單元內參標定結果。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的數據獲取模塊包括：高精度動作數據采集模塊、三軸加速度計、三軸陀螺儀和時間同步模塊，其中：高精度動作數據采集模塊與時間同步模塊相連，采集并傳輸貼有標記球的物體的位置與姿態信息；三軸加速度計和三軸陀螺儀分別與時間同步模塊相連，測量并傳輸載體運動過程中的加速度和各種轉動的角速度；時間同步模塊接收動作捕捉數據、加速度、角速度信息并進行時間同步和輸出。

3.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的姿態因子模塊包括：姿態變化計算模塊、角速度積分模塊和姿態殘差優化模塊，其中：姿態變化計算模塊與數據獲取模塊相連并使用高精度動作捕捉系統輸出的兩個時刻的姿態信息，計算物體的姿態變化量；角速度積分模塊與數據獲取模塊相連并對IMU輸出的角速度信息進行積分，輸出IMU物體的姿態變化量；姿態殘差優化模塊分別與姿態變化計算模塊和角速度積分模塊相連并對姿態變化計算模塊、角速度積分模塊的結果進行殘差計算，并通過高斯牛頓優化器迭代優化相關參數；

所述的相關參數包括：陀螺儀的零偏、動作捕捉系統的體坐標系與IMU之間的旋轉參數。

4.根據權利要求3所述的系統，其特征是，所述的IMU輸出的角速度信息包含通過最小化殘差獲取準確的參數零偏參數的信息，具體通過以下步驟得到：

1)使用陀螺儀測量得到的角速度計算的相對姿態變化量：

2)根據Vicon直接測量出k和k+1時刻姿態：

3)采用Levenberg-Marquardt方法最小化姿態殘差估計陀螺儀的零偏參數和傳感器之間的相對旋轉：其中：代表由a坐標系到b坐標系的旋轉、平移操作，具體的代表由k時刻IMU的體坐標系到世界系w的旋轉，q代表旋轉采用了四元數的形式，代表k時刻和k+1時刻之間的IMU坐標系的相對姿態變化量，通過角速度積分得到，為IMU的角速度測量值，下標m代表其為測量值，t代表測量值是時變的，為陀螺儀的零偏參數，下標g代表陀螺儀，t表示零偏是時變的，為通過Vicon測量值得到的到k時刻的IMU的姿態信息，并且隱含了兩個傳感器的相關旋轉信息，其中，為Vicon的測量值，為Vicon標記球和IMU安裝坐標系的相對旋轉；

所述的殘差計算是指：即IMU計算得到的旋轉與Vicon測量得到的旋轉之間的差值，通過四元數的乘法來表述。

5.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的速度因子模塊包括：速度變化計算單元、加速度積分單元和速度殘差優化單元，其中：速度變化計算單元與數據獲取模塊相連用以使用高精度動作捕捉系統輸出的兩個時刻的位置信息，計算物體的速度變化量；加速度積分單元與數據獲取模塊相連并對IMU輸出的加速度信息進行積分，輸出IMU物體的速度變化量；速度殘差優化單元分別與速度變化計算單元、加速度積分單元和姿態因子模塊相連并對速度變化計算單元、加速度積分單元的結果進行殘差計算，并通過高斯牛頓優化器迭代優化相關參數；

所述的相關參數包括加速度計的零偏、動作捕獲系統的體坐標系與IMU之間的平移參數，以及動作捕獲系統的參考系與慣性系之間的旋轉參數。