[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

一種基于高精度動作捕捉系統的慣性測量單元標定系統，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，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優化姿態因子，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；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、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…參數進行進一步的優化并輸出優化后的標定結果。本發明使用高精度動作捕捉系統進行標定，能夠方便的用于現有的數據采集流程，無需特殊操作并提供了真值數據(位置、姿態)的開源數據集，能夠達到很高的精度。

技術領域

本發明涉及的是一種室內慣性導航領域的技術，具體是一種基于高精度動作捕捉系統的慣性測量單元標定系統。

背景技術

目前的慣性測量單元(IMU)標定方案通常要求要借助一些額外的設備和動作，如高精度轉臺、六面法等。標定流程通常復雜，需要人為操作且標定時間長，一次標定需要至少半個小時到一個小時。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于高精度動作捕捉系統的慣性測量單元標定系統，首先采集來自動作捕捉系統的位置信息和姿態信息和來自慣性測量單元的加速度和角速度信息，然后對姿態因子進行優化并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信息，最后估計加速度計的零偏，在進一步優化后，輸出最終的標定結果。本發明在標定時無需特殊操作，進行正常的數據采集流程即可。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明包括：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并輸出優化后的慣性測量單元內參標定結果。

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并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并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。

所述的高精度動作數據采集模塊采樣頻率不低于100Hz。

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。

所述的姿態因子，其陀螺儀的零偏參數初值為零，動作捕捉系統的體坐標系與IMU之間的旋轉為單位四元數。