一种姿态测量系统的精度校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种姿态测量系统的精度校准方法。
【背景技术】
[0002] 姿态测量系统是一种可以测量物体空间姿态（俯仰角、横滚角、航向角）的一系 列设备，在工业上的许多领域有着广泛的应用，近年来，随着硬件成本的不断下降，各种类 型的姿态测量系统开始走进千家万户的日常生活之中，以手机为例，目前大部分智能手机 都内置了加速度计、陀螺仪和电子罗盘，构成了一个简易的低成本姿态测量系统。然而，目 前大部分姿态测量系统中，由于成本的限制，系统内置传感器的精度和稳定性都不高，从而 导致了整个姿态测量系统的测量结果不理想。在不改变系统硬件的情况下对传感器进行校 准，无疑是提升整个系统测量精度的一种极为实用的方式。因此，研究低成本姿态测量系统 的校准方法具有极强的现实应用价值。
[0003] 传感器的校准与标定一直是传感器技术领域内的一个重要课题，对于姿态测量系 统的校准方案，国内外学者也有大量的相关研究。孙伟、付心如等研究了利用速率转台进行 MEMS惯导的多位置标定方法；马斌良等学者提出了一种在有角度基准条件下基于傅里叶 变换的电子罗盘校准方案；秦伟等学者研究了基于神经网络和UKF(无迹卡尔曼滤波）的姿 态测量系统在线标定技术。
[0004] 目前的研究大多数集中在利用转台等校准器械对姿态测量系统进行校准。然而， 校准专用器械价格昂贵，且其中大部分器械操作复杂，导致生产成本较高；另一方面，在实 际应用中，随着周围环境的变化和传感器本身的老化，系统内传感器的特性会不断变化，仅 仅依靠出厂前的校准在实际应用中难以起到很好的效果。另外，目前一部分关于非器械校 准的研究中，其校准方案要么太过简易，对实际测量精度的提升帮助不大；要么过于复杂， 对使用人员的相关技能有着较高的要求。
【发明内容】
[0005] 鉴于目前姿态校准存在的上述不足，本发明提供一种姿态测量系统的精度校准 方法，校准结果可靠、精度高、校准耗时少。
[0006] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0007] -种姿态测量系统的精度校准方法，所述姿态测量系统的精度校准方法包括如下 步骤：
[0008] 通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零偏、刻度系数与轴间不正交角 进行校准；
[0009] 利用计算出的椭球参数对加速度计原始数据进行补偿；
[0010] 根据补偿后的加速度计数据通过椭球拟合模型对电子罗盘进行准；
[0011] 利用计算出的椭球参数对电子罗盘原始数据进行补偿；
[0012] 根据补偿后的加速度计数据与电子罗盘数据对姿态进行解算。
[0013] 依照本发明的一个方面，所述通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零 偏、刻度系数与轴间不正交角进行校准步骤执行前执行以下步骤：对加速度计进行水平校 准，消除加速度计原始零偏。
[0014] 依照本发明的一个方面，所述对加速度计进行水平校准，消除加速度计原始零偏 步骤执行后执行以下步骤：采集加速度计在一段时间内的三轴数据，其中，三轴数据标记为 [八)!0為0為0]1'，零偏标记为8=[八 )!0為0為0]1'-[008]1'。。
[0015] 依照本发明的一个方面，所述通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零 偏、刻度系数与轴间不正交角进行校准步骤包括以下步骤：
[0016] 设定拟合椭球参数向量，标记为a =[abcdefklmn]T;
[0017] 设定校准过程迭代次数为^将加速度采集的第一个值以^^^^拓展为⑴维 列向量D1，并计算矩阵S1，其中，D1标记为 1]T，SI = D1TD1 ;
[0018] 若加速度计三轴数据的采集次数未达到η次，则用新采集的加速度计数据DK对矩 阵S进行更新，其中，Sk= S k
[0019] 计算出矩阵S后，同时引入椭球限制矩阵C并将矩阵S分块，其中，
[0027] 通过以下公式求得椭球拟合向量：
[0028] C! %τ) α 1= λ a i
[0029] α 2= -S4 %τα 1;
[0030] 计算出<^后，通过上述公式计算出α 2，则椭球拟合向量的所有参数全部被计算 出，其中，α = [α 1 α 2] = [abcdefklm η]τ;
[0031] 再根据实际的物理对应关系，三轴的刻度系数kx，ky，k z、轴间不正交角 sxy，δ?ζ，δχζ及残余零偏bx,b y,bz可以通过以下公式计算得出：
[0035] 依照本发明的一个方面，所述通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零 偏、刻度系数与轴间不正交角进行校准步骤执行后执行以下步骤：当采集到新的加速度计 数据后，可以用椭球参数对新采集到的数据进行修正。
[0036] 依照本发明的一个方面，所述根据补偿后的加速度计数据通过椭球拟合模型对电 子罗盘进行准步骤包括如下步骤：
[0037] 设定拟合椭球参数向量，标记为a =[abcdefklmn]T;
[0038] 采集电子罗盘在一段时间内的三轴数据，并对采集的数据进行运算防溢处理，其 中，三轴数据标记为[Hx。Ηγ。Ηζο]τ;
[0039] 设定校准过程迭代次数为n，将加速度采集的第一个值[HX1 HY1 HZ1]T拓展为10维 列向量D1，并计算矩阵S1，其中，D1 标记为Dl= [Hxl2 Hyl2 Hzl2 HxlHyl HxlHzl HylHzl Hxl Hyl Ηζι 1]T，SI = D1TD1 ;
[0040] 若电子罗盘三轴数据的采集次数未达到n次，则用新采集的电子罗盘数据DK对矩 阵S进行更新，其中，Sk= S k
[0041] 计算出矩阵S后，同时引入椭球限制矩阵C并将矩阵S分块，其中，
[0049] 通过以下公式求得椭球拟合向量：
[0052] 计算出α肩，通过上述公式计算出α 2，则椭球拟合向量的所有参数全部被计算 出，其中，α = [α 1 α 2] = [abcdefklm η]τ;
[0053] 再根据实际的物理对应关系，三轴的刻度系数kx, ky, kz、轴间不正交角 Sxy，δχζ及残余零偏bx,by,b z可以通过以下公式计算得出：
[0057] 依照本发明的一个方面，所述根据补偿后的加速度计数据通过椭球拟合模型对电 子罗盘进行准步骤执行后执行以下步骤：当采集到新的电子罗盘数据后，可以用椭球参数 对新采集到的数据进行修正。
[0058] 依照本发明的一个方面，所述根据补偿后的加速度计数据与电子罗盘数据对姿态 进行解算步骤执行后执行以下步骤：电子罗盘在测量过程中利用测量数据对椭球参数进行 更新，提高椭球参数的准确性。
[0059] 依照本发明的一个方面，所述电子罗盘在测量过程中利用测量数据对椭球参数进 行更新，提高椭球参数的准确性步骤执行前执行以下步骤：通过统计规则的方式剔除采集 的电子罗盘数据中出现跳变的计算点。
[0060] 本发明实施的优点：通过采用了椭球拟合的方式对姿态测量系统中的电子罗盘和 加速度进行校准，可有效地避免传感器偶然输出异常、跳数等问题，使得校准结果的可靠性 得到了有效的保证；对椭球拟合算法进行了递推化处理，使得姿态测量系统内部CPU在处 理数据时不需要存储传感器采集的过往所有点的数据，而仅需要存储之前递推得到的矩阵 和当次的测量结果即可，这使得在相同的硬件环境下，该椭球拟合方法可以处理更多的数 值，从而提高椭球拟合的精度。相对应的，采用传统拟合算法时，CPU为了确保运算过程中内 存栈不会溢出，只能根据少量的样本点做拟合运算，因而拟合精度有限；对椭球拟合算法中 大规模的矩阵运算进行了改进，优化了其中的计算流程，使得椭球拟合的计算量减少90% 以上，以Matlab程序为例，按照传统算法，运算一次拟合算法耗时563ms ;相对地，采用改 进后的算法耗时仅为14ms ;采用了利用测量数据进行校准的策略，提高了校准时的容错能 力，从而降低了初始校准时的要求，减少了使用人员的操作复杂程度。
【附图说明】
[0061] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用 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发明的一些实施例，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他的 附图。
[0062] 图1为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例1的方法流程 图；
[0063] 图2为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例2的方法流程 图；
[0064] 图3为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例3的方法流程 图；
[0065]图4为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例4的方法流程 图；
[0066]图5为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例5的方法流程 图；
[0067]图6为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例6的方法流程 图；
[0068]图7为本发明所述的一种姿态测量系统的精度校准方法的实施例7的方法流程 图。
【具体实施方式】
[0069] 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。
[0070] 实施例1 :
[0071] 如图1所示，一种姿态测量系统的精度校准方法，所述姿态测量系统的精度校准 方法包括如下步骤：
[0072] 步骤S1 :通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零偏、刻度系数与轴间 不正交角进行校准；
[0073] 所述步骤S1 :通过椭球拟合模型对姿态测量系统的加速度计的零偏、刻度系数与 轴间不正交角进行校准步骤包括以下步骤：
[0074] 设定拟合椭球参数向量，标记为a =[abcdefklmn]T;
[0075] 设定校准过程迭代次数为^将加速度采集的第一个值以^^^^拓展为⑴维 列向量D1，并计算矩阵S1，其中，D1 标记为Dl= [Axl2 Ayl2 Azl2 AxlAyl AxlAzl AylAzl Axl Ayl Azl1]T，SI = D1TD1 ;
[0076] 若加速度计三轴数据的采集次数未达到n次，则用新采集的加速度计数据DK对矩 阵S进行更新，其中，Sk= S k
[0077] 计算出矩阵S后，同时引入椭球限制矩阵C并将矩阵S分块，其中，
[0078]
[0080] 将矩阵S分块：
[0085] 通过以下公式求得椭球拟合向量：
[0088] 计算出α肩，通过上述公式计算出α 2，则椭球拟合向量的所有参数全部被计算 出，其中，α = [α 1 α 2] = [abcdefklm η]τ;
[0089] 再根据实际的物理对应关系，三轴的刻度系数kx, ky, kz、轴间不正交角 S