一种陀螺仪漂移校正方法及装置与流程

本发明涉及九轴传感器领域，尤其涉及一种陀螺仪漂移校正方法及装置。

背景技术：

九轴传感器包括用于检测角速度的三轴陀螺仪、用于检测加速度的三轴加速度传感器和用于检测地磁感应的三轴地磁传感器，每个设备上的三个轴都分别相互垂直。九轴传感器常用于人或物体姿态的检测，应用场景非常广泛，例如在VR(Virtual Reality，虚拟现实)中获取用户的姿态，在航天领域中获取飞行设备的姿态等等。

在所述三轴陀螺仪检测到角速度后，通过将角速度对时间进行积分就可以得到三个轴分别对应的旋转角度。然而，由于各种原因，所述三轴陀螺仪上往往被作用有人们所不希望的各种干扰力矩，在这些很小干扰力矩的作用下，陀螺仪的陀螺会产生进动，从而使角动量向量慢慢偏离原来的方向，我们把这种现象称为零点漂移。假设陀螺仪固定不动，理想的角速度值是0dps(degree per second，角度/秒)，但是存在零点漂移，例如有一个偏置0.1dps加在上面，于是测量出来是0.1dps，积分一秒之后，得到的角度是0.1度，积分1分钟之后是6度，积分半小时之后就是180度，积分时间越久，漂移程度越大。

正是因为陀螺存在零点漂移现象，在积分之后，漂移现象会更加严重，影响九轴传感器的精度。以安装在VR中的三轴陀螺仪为例，漂移现象会体现在VR画面中，虽然用户的头部没有移动，VR画面却会发生漂移，因而导致用户体验较差。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种陀螺仪漂移校正方法及装置，实现了对三轴陀螺仪漂移现象的校正。

本发明实施例提供了一种陀螺仪漂移校正方法，所述方法包括：

获取目标对象从原始姿态变换为预设姿态时，根据安装在所述目标对象上的陀螺仪和加速度传感器分别得到各自的姿态变换角度数据，其中，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据包括所述目标对象的待校准俯仰角和待校准滚转角，根据所述加速度传感器得到的姿态变换角度数据包括参考俯仰角和参考滚转角；

利用所述参考俯仰角和所述参考滚转角分别校准所述待校准俯仰角和待校准滚转角，得到校准后俯仰角和校准后滚转角，实现对陀螺仪漂移现象的校正。

可选的，所述利用所述参考俯仰角和参考滚转角分别校准所述待校准俯仰角和待校准滚转角，得到校准后俯仰角和校准后滚转角，实现对陀螺仪漂移现象的校正包括：

将所述参考俯仰角与所述待校准俯仰角加权求和得到所述校准后俯仰角；

将所述参考滚转角与所述待校准滚转角加权求和得到所述校准后滚转角。

可选的，所述方法还包括：

获取所述加速度传感器检测得到的所述目标对象的加速度参数；

判断所述加速度参数是否在第一预设范围内，若是，则调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重高于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重高于所述待校准滚转角的权重。

可选的，若所述加速度参数在第二预设范围内，则所述方法还包括：

调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重低于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重低于所述待校准滚转角的权重。

可选的，所述加速度参数包括：

根据预设时间段内的采样加速度值得到的加速度方差。

可选的，所述方法还包括：

预先确定所述目标对象从原始姿态变换为预设姿态的理想加速度矢量；

所述加速度参数包括：

根据所述加速度传感器得到的实际加速度矢量与所述理想加速矢量之间的差值。

可选的，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据还包括所述目标对象的待校准航向角，所述方法还包括：

根据安装在所述目标对象上的地磁传感器得到姿态变换角度数据，所述根据所述地磁传感器得到的姿态变换角度数据包括参考航向角；

利用所述参考航向角校正所述待校准航向角，得到校准后航向角。

可选的，所述利用所述参考航向角校正所述待校准航向角，得到校准后航向角包括：

将所述参考航向角与所述待校准航向角加权求和得到所述校准后航向角。

本发明实施例还提供了一种陀螺仪漂移校正装置，所述装置包括：姿态变换角度数据获取单元和校正单元；

其中，所述姿态变换角度数据获取单元，用于获取目标对象从原始姿态变换为预设姿态时，根据安装在所述目标对象上的陀螺仪和加速度传感器分别得到各自的姿态变换角度数据，其中，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据包括所述目标对象的待校准俯仰角和待校准滚转角，根据所述加速度传感器得到的姿态变换角度数据包括参考俯仰角和参考滚转角；

所述校正单元，用于利用所述参考俯仰角和所述参考滚转角分别校准所述待校准俯仰角和待校准滚转角，得到校准后俯仰角和校准后滚转角，实现对陀螺仪漂移现象的校正。

可选的，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据还包括所述目标对象的待校准航向角；

所述姿态变换角度数据获取单元，还用于根据安装在所述目标对象上的地磁传感器得到姿态变换角度数据，所述根据所述地磁传感器得到的姿态变换角度数据包括参考航向角；

所述校正单元，还用于利用所述参考航向角校正所述待校准航向角，得到校准后航向角。

本发明通过根据加速度传感器得到的参考俯仰角和参考滚转角来校准根据陀螺仪得到的待校准俯仰角和待校准滚转角，在一定程度上实现了对陀螺仪漂移现象的校正。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种陀螺仪漂移校正方法的流程图；

图2为本发明实施例一中机体坐标系的示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种陀螺仪漂移校正装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参见图1，该图为本发明实施例一提供的一种陀螺仪漂移校正方法的流程图。

本实施例提供的陀螺仪漂移校正方法包括如下步骤：

步骤S101：获取目标对象从原始姿态变换为预设姿态时，根据安装在所述目标对象上的陀螺仪和加速度传感器分别得到各自的姿态变换角度数据。

如前文所述，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器。

所谓陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。也就是说，陀螺仪可以检测目标对象在机体坐标系的三轴方向上的角速度。

所谓加速度传感器是一种能够测量目标对象在机体坐标系三轴方向上的加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

所谓地磁传感器，又称罗盘，用于测量地球的磁场，进而推导出航向角。

在本实施例中，涉及两个坐标系，其一为世界坐标系；其二为机体坐标系。

所谓世界坐标系(Global Coordinate System，又称地球表面惯性坐标系等)是系统的参考坐标系，在本实施例中，它是一个三维的坐标系，具有原点O以及X轴、Y轴和Z轴，其中，X轴的正方向通常指向正东方向，Y轴的正方向通常指向正北方向，Z轴的正方向通常指向天空的方向。世界坐标系用于确定目标对象相对于地面的运动状态。

参见图2，所谓机体坐标系(Body Coordinate System)，原定义为固定在飞行器或飞机上的遵循右手法则的三维正交坐标系，具有原点o以及x轴、y轴和z轴。其中，原点o位于飞行器或飞机的重心，x轴的正方向位于飞行器或飞机的参考平面内、且平行于轴线并指向机头前方，y轴的正方向垂直于所述参考平面并指向飞行器或飞机的右方，z轴的正方向位于所述参考平面、垂直于xoy平面，且指向飞行器或飞机的下方。在本实施例中，所述机体坐标系的应用对象不限于飞行器或飞机，可以是任意的目标对象。

在本实施例中，九轴传感器中包括的三轴陀螺仪、三轴加速度传感器以及三轴地磁传感器均建立在机体坐标系之上，但是机体坐标系是随着目标对象的姿态变换而变化的，为了实现对陀螺仪漂移现象的校正，我们需要目标对象的姿态变换从变化的机体坐标系投射到固定的世界坐标系。所述目标对象的姿态是指所述目标对象的空间状态。

由于目标对象在姿态变换的过程中，所述目标对象的各个坐标相对于机体坐标系是没有发生变换的，所以相当于机体坐标系相对于世界坐标系在进行“姿势变换”，因而所述目标对象的姿态变换数据实际上为机体坐标系的姿势变换数据。机体坐标系的相对于世界坐标系的姿态变换可以看作是相对于世界坐标系的三个轴分别进行的旋转变换，在数学上，表达这样的旋转变换可以有三种方式：其一为方向余弦，其二为欧拉角，其三为四元数。在本实施例中，采用欧拉角表示机体坐标系的相对于世界坐标系的姿态变换，即姿态变化角度数据。

所谓欧拉角包括偏航角(Yaw)、俯仰角(Pitch)和滚转角(Roll)。从所述机体坐标系到所述世界坐标系的变换，可以通过绕不同坐标轴的3次连续转动来实现：绕机体坐标系的z轴转动ψ角，ψ角称为偏航角，ψ∈(-180度，180度)或(0,360度)；绕世界坐标系的y轴转动θ角，θ角称为俯仰角，θ∈(-90度，90度)；绕世界坐标系的x轴转动Ф角，Ф角称为滚转角，Ф∈(-180度，180度)。

在九轴传感器中，根据陀螺仪采集得到的角动量数据可以得到所述欧拉角中的三个角，根据加速度传感器得到的加速度矢量得以得到俯仰角和滚转角，根据地磁传感器得到的矢量数据可以得到航向角。

在本实施例中，根据安装在所述目标对象的九轴传感器之一的陀螺仪，得到的姿态变换角度数据包括所述目标对象的待校准俯仰角和待校准滚转角，根据九轴传感器之二的加速度传感器得到的姿态变换角度数据包括参考俯仰角和参考滚转角。

步骤S102：利用所述参考俯仰角和参考滚转角分别校准所述待校准俯仰角和待校准滚转角，得到校准后俯仰角和校准后滚转角，实现对陀螺仪漂移现象的校正。

由于陀螺仪的漂移现象导致在目标对象从动态变到静态时，得到的所述待校准俯仰角和待校准滚转角并不准确，静态性能较差。但是加速度传感器的静态特性较佳，因此可以利用加速度传感器得到的参考俯仰角来校正所述待校准俯仰角，利用加速度传感器得到的参考滚转角来校正所述待校准滚转角，从而可以在一定程度上抑制陀螺仪漂移现象，提高陀螺仪的检测精度。

在实际应用中，可以将所述参考俯仰角与所述待校准俯仰角加权求和得到所述校准后俯仰角，将所述参考滚转角与所述待校准滚转角加权求和得到所述校准后滚转角。即，上述校准方法可以通过如下公式表示：

θ＝aα+bβ

其中，θ表示校准后俯仰角或校准后滚转角，α表示参考俯仰角或参考滚转角，β表示待校准俯仰角或待校准滚转角。

因为陀螺仪的动态性能较好，静态性能较差，而加速度传感器则恰恰相反，所以可以当目标对象的运动速度较高时，提高待校准俯仰角和待校准滚转角的权重；当目标对象的运动速度较低时，降低待校准俯仰角和待校准滚转角的权重。

具体的，首先获取所述加速度传感器检测得到的所述目标对象的加速度参数，然后判断所述加速度参数是否在第一预设范围内，若是，则调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重高于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重高于所述待校准滚转角的权重。

相反，若所述加速度参数在第二预设范围内，则调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重低于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重低于所述待校准滚转角的权重。所述第二预设范围应当与所述第一预设范围不存在交集。

所述加速度参数可以是根据预设时间段内的采样加速度值得到的加速度方差，所述加速度值为加速度矢量的长度。在实际应用中，所述加速度传感器周期性的获取采样加速度值，例如每一毫秒获取一次，通过采样加速度值可以计算得到加速度方差。若所述加速度参数为加速度方差，则所述第一预设范围应当与加速度方差匹配，且所述第一预设范围应当为表示所述目标对象处于速度较低的一个范围，所述第二预设范围应当为表示所述目标对象处于速度较高的一个范围。当所述目标对象超出于第二预设范围，即速度更高时，可以认为根据加速度传感器得到的参考俯仰角和参考滚转角失去了校准的能力。

所述加速度参数还可以是根据所述加速度传感器得到的实际加速度矢量与所述理想加速矢量之间的差值。所述理想加速度矢量是预先设定的一个值，即可以通过做实验，使所述目标对象按照所述预设的理想加速度矢量(既规定了大小又规定了方向)从原始姿态变换为预设姿态，然后通过所述加速度传感器得到所述目标对象的实际加速度矢量，并计算所述实际加速度矢量与理想加速度矢量之间的差值。所述第一预设范围应当为与所述差值匹配的数值较低的一个范围，所述第二预设范围应当为数值较高的一个范围。也就是说，当该差值较小时，说明加速度传感器的准确度较高，此时可以提高参考俯仰角和参考滚转角的权重；当该差值较大时，说明加速度传感器检测的准确度较低，此时应当降低参考俯仰角和参考滚转角的权重；当该差值更大时，说明加速度传感器的精度太低而不适用于校准。

本实施例通过根据加速度传感器得到的参考俯仰角和参考滚转角来校准根据陀螺仪得到的待校准俯仰角和待校准滚转角，在一定程度上实现了对陀螺仪漂移现象的校正。

此外，如上文所述，九轴传感器还包括地磁传感器，本实施例还可以通过根据地磁传感器得到的参考航向角来校准根据所述陀螺仪得到的所述目标对象的待校准航向角，以克服所述陀螺仪关于航向角的漂移现象。具体的，首先根据安装在所述目标对象上的地磁传感器得到姿态变换角度数据，所述根据所述地磁传感器得到的姿态变换角度数据包括参考航向角，然后利用所述参考航向角校正所述待校准航向角，得到校准后航向角。

同对所述参考俯仰角和参考滚转角的校正方法类似，在实际应用中，可以将所述参考航向角与所述待校准航向角加权求和得到所述校准后航向角。

当然可以理解的是，本实施例提供的通过加权求和的校正方式并不构成对本发明的限定，本领域技术人员可以根据具体的应用场景自行设计。

基于以上实施例提供的一种陀螺仪漂移校正方法，本发明实施例还提供了一种陀螺仪漂移校正装置，下面结合附图来详细说明其工作原理。

实施例二

参见图3，该图为本发明实施例二提供的一种陀螺仪漂移校正装置的结构框图。

本实施例提供的陀螺仪漂移校正装置包括：姿态变换角度数据获取单元101和校正单元102；

其中，所述姿态变换角度数据获取单元101，用于获取目标对象从原始姿态变换为预设姿态时，根据安装在所述目标对象上的陀螺仪和加速度传感器分别得到各自的姿态变换角度数据，其中，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据包括所述目标对象的待校准俯仰角和待校准滚转角，根据所述加速度传感器得到的姿态变换角度数据包括参考俯仰角和参考滚转角；

所述校正单元102，用于利用所述参考俯仰角和所述参考滚转角分别校准所述待校准俯仰角和待校准滚转角，得到校准后俯仰角和校准后滚转角，实现对陀螺仪漂移现象的校正。

本实施例通过根据加速度传感器得到的参考俯仰角和参考滚转角来校准根据陀螺仪得到的待校准俯仰角和待校准滚转角，在一定程度上实现了对陀螺仪漂移现象的校正。

可选的，根据所述陀螺仪得到的姿态变换角度数据还包括所述目标对象的待校准航向角；

所述姿态变换角度数据获取单元101，还用于根据安装在所述目标对象上的地磁传感器得到姿态变换角度数据，所述根据所述地磁传感器得到的姿态变换角度数据包括参考航向角；

所述校正单元102，还用于利用所述参考航向角校正所述待校准航向角，得到校准后航向角。

本实施例还可以通过根据地磁传感器得到的参考航向角来校准根据陀螺仪得到的待校准航向角，实现了对陀螺仪漂移现象的校正。

可选的，所述校正单元102，具体用于：

将所述参考俯仰角与所述待校准俯仰角加权求和得到所述校准后俯仰角；

将所述参考滚转角与所述待校准滚转角加权求和得到所述校准后滚转角。

可选的，所述装置还包括：加速度参数获取单元、第一判断单元和第一权重调整单元；

其中，所述加速度参数获取单元，用于获取所述加速度传感器检测得到的所述目标对象的加速度参数；

所述第一判断单元，用于判断所述加速度参数是否在第一预设范围内，若是，则激活所述第一权重调整单元；

所述第一权重调整单元，用于调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重高于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重高于所述待校准滚转角的权重。

可选的，所述装置还包括第二判断单元和第二权重调整单元；

所述第二判断单元，用于判断所述加速度参数是否在第二预设范围内，则激活所述第二权重调整单元；

所述第二权重调整单元，用于调整所述参考俯仰角的权重和所述待校准俯仰角的权重，使得所述参考俯仰角的权重低于所述待校准俯仰角的权重，并且调整所述参考滚转角的权重和所述待校准滚转角的权重，使得所述参考滚转角的权重低于所述待校准滚转角的权重。

可选的，所述加速度参数包括：

根据预设时间段内的采样加速度值得到的加速度方差。

可选的，所述装置还包括：

矢量确定单元，用于预先确定所述目标对象从原始姿态变换为预设姿态的理想加速度矢量；

所述加速度参数包括：

根据所述加速度传感器得到的实际加速度矢量与所述理想加速矢量之间的差值。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。