专利名称：一种基于遗传算法的惯性/地磁传感器标定方法
一种基于遗传算法的惯性/地磁传感器标定方法技术领域
本发明属于三维姿态跟踪领域，尤其涉及一种针对于内部包含三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器等惯性/地磁传感器的姿态跟踪单元的误差参数补偿的标定方法。
背景技术：
随着微电子机械系统(MEMQ的发展，特别是微惯性技术的发展，载体的位姿获取已经从原来的平台惯导发展到捷联惯导和组合导航技术，其系统的体积、重量和成本大大降低，因此采用惯性/地磁技术进行姿态的跟踪检测有着广泛的前景。最近，苹果公司的 iphone手机以及安卓手机都增加了 MEMS三轴微加速度传感器，三轴地磁传感器用于获取手机姿态从而设计更自然的人机交互应用。目前，国内外已经设计出了相当多的微惯性姿态测量装置用于姿态测量跟踪，本申请人在专利号为“ZL 200810114391. 4”的中国专利“基于ZigBee无线单片机的微惯性测量装置”中提供了一种可用于运动载体姿态测量的装置， 该专利在本申请中引入作为参考。在该专利中，采用六轴微惯性传感器(集成了三轴微陀螺仪传感器和三轴微加速度传感器)和三轴磁场传感器来测量运动载体的姿态。
MEMS传感器虽然在微型化，低功耗方面有着无可比拟的优点，但是也存在自身固有的缺点。首先是传感器内部存在固有的噪声干扰；其次是现有的技术无法将三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器以及三轴地磁传感器集成到单芯片上，从而产生了传感器在安装过程中的对准误差；最后MEMS传感器的使用环境和温度也会影响其内部参数，因此 MEMS传感器在使用之前需要进行参数标定。
针对三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器参数的标定， 通常情况下，需要一个精密的三轴机械旋转台来准确的获取各个方位的姿态数据，通过转台准确的方位数据与微惯性单元输出的方位数据进行比较，来获取微惯性单元内部的三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器的标定参数(S. Bonnet， C.Bassompierre, C. Godin, S.Lesecq, A. Barraud “Calibration methods for inertial and magnetic sensors，，，Sensors and Actuators A :Physical，Vol 156，Issue 2, 2009, PP. 302-311)。但是，这种传统的方法不仅需要高精度的转台，还需要设计一个复杂的数据处理方法，并且高精度转台的电机驱动部分容易引入磁场干扰。国内方面，北京航空航天大学、中北大学在微惯性传感器标定方面做出了很多工作。但是国内的研究主要从事的是单个微惯性传感器自身的标定，并且传感器标定过程中需要多自由度高精密转台，从而使得传感器能达到军事应用的水平。最近，中北大学提出了“一种微惯性测量组合现场快速标定方法”(中国专利20100200418. 9,201010134734. 0)，该方法可以简单快速的对加速度传感器进行标定。但是该方法没有给出磁传感器和陀螺仪传感器的标定方法；也没有给出三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器之间的坐标系对准的方法；而且该方法的采样数据是随机的。发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于遗传算法的惯性/地磁传感器标定方法。具体是对集成了三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器组成的姿态跟踪单元的一种快速、简洁的标定方法。
本发明提出的一种惯性/地磁传感器标定方法，具体包括如下步骤
步骤1 将待标定的包含惯性/地磁传感器的姿态跟踪单元置于二轴无磁转台的水平转台上，启动所述姿态跟踪单元；
步骤2 采集各传感器在二轴无磁转台上的静态数据和动态数据；
步骤3 分离采集得到各传感器的静态数据和动态数据；
步骤4:基于分离得到各传感器的静态数据和动态数据，对姿态跟踪单元中的惯性/地磁传感器进行标定。
本发明方法的优点在于1)无需高精密的无磁转台以及复杂的标定流程。标定过程中只需要借助于一个能提供相对45°角的无磁两自由度的转台。2)根据在任意静止姿态下三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器模值不变特性，获取加速度计和磁力计的零漂、比例因子和正交矩阵，该方法可在任意姿态下采集数据，故对标定平台无任何位置精度要求，只要平台是无磁材料即可；幻利用加速度传感器和磁力计传感器数据的叉乘向量的相对旋转角度和对准矩阵特性，获得磁力计到加速度计对准矩阵参数，加速度传感器和磁力计传感器的联合标定，充分运用了这两类传感器在确定空间姿态的相关性；4)利用陀螺仪零漂与自身所受加速度的关联性，求得陀螺仪的零漂因子，利用自身加速度数据来对自身的陀螺仪标定，具有一定的互标定优点力)根据陀螺积分后确定的角度误差模型与实际旋转角度建立目标函数，求得陀螺仪的比例因子和正交矩阵；6)本发明中所有的标定参数是通过遗传算法求得的，采用遗传算法能够快速的找到能满足标定精度的各传感器标定参数。
图1为本发明所提出的标定方法所使用的姿态跟踪单元的组成示意图。
图2为经典三轴传感器误差模型。
图3为本发明的二轴无磁转台的结构示意图。
图4为本发明的二轴无磁转台的实物图。
图5为本发明的基于遗传算法的姿态跟踪单元标定方法流程图。
图6为三轴磁传感器标定前后的模值对比图。
图7为三轴加速度传感器和三轴磁传感器的对准效果图。
图8为三轴微陀螺仪传感器标定前后的旋转角度对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出本发明进行标定的姿态跟踪单元的组成。该姿态跟踪单元集成了三轴加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴磁传感器。三组传感器所在的正交轴构成了该单元的χ轴、Y轴和ζ轴的三轴坐标系。
图2示出经典三轴传感器误差模型。三轴MEMS传感器的输出为向量yk，实际的传感器输入数据为uk，其中，k代表传感器的类型，k = {a, m, g}，a、m、g分别代表三轴加速度传感器、三轴地磁传感器、三轴微陀螺仪传感器。传感器原始输入数据Uk首先与传感器的零漂因子bk相减，然后依次与比例因子&、正交矩阵Tk和Mk相乘，就得到了标定后的输出数据yk。这里将传感器误差分为两类机械误差和电量误差，机械误差指机械加工和传感器组装造成的误差，主要指轴不正交带来的正交误差和传感器坐标系与外壳坐标系不重合造成的对准误差；电量误差是每个轴上的传感器固有误差，主要指零漂和比例因子误差。在图2 所示的模型中，如果令Sk、Tk、Mk和bk分别表示比例因子、正交矩阵、对准矩阵和零漂因子， 那么输出yk的表达式为
权利要求
1.一种惯性/地磁传感器标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1 将待标定的包含惯性/地磁传感器的姿态跟踪单元置于二轴无磁转台的水平转台上，启动所述姿态跟踪单元；步骤2 采集各传感器在二轴无磁转台上的静态数据和动态数据；步骤3 分离采集得到各传感器的静态数据和动态数据；步骤4 基于分离得到各传感器的静态数据和动态数据，对姿态跟踪单元中的惯性/地磁传感器进行标定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态跟踪单元包含三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二轴无磁转台包括垂直转台、水平转台、水平定位孔、垂直转轴、垂直定位孔和水平转轴。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括依次采集各传感器在二轴无磁转台上的不同水平定位孔处和不同垂直定位孔处的静态数据和相邻两个水平定位孔之间的动态数据。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，通过设置阈值来分离各传感器的静态数据和动态数据。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括步骤41 基于分离得到三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器的静态数据，利用三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器在任意静止姿态下的三轴数据模值恒定的原理和遗传算法标定三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的零漂、比例因子、正交参数，得到校正后的三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的静态数据；步骤42 基于步骤41校正后的三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的静态数据，对三轴地磁传感器到三轴微加速度传感器的坐标系的对准矩阵进行标定，并得到经过对准标定后的三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的静态数据；步骤43 基于步骤3分离得到三轴微陀螺仪传感器的静态数据和步骤41中标定后的三轴微加速度传感器的静态数据，对三轴微陀螺仪传感器的零漂进行标定；步骤44 基于步骤3分离得到三轴微陀螺仪传感器的动态数据和二轴无磁转台提供的旋转角度，对三轴陀螺仪传感器的比例因子和正交矩阵进行标定。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤41进一步包括利用三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器在任意静止姿态下的三轴数据模值恒定的原理，建立目标函数，采用遗传算法对所述目标函数进行数据拟合，以对三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的零漂、比例因子、正交参数进行标定。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤42进一步包括利用三轴地磁传感器和三轴微加速度传感器的数据叉乘向量的相对旋转角度与实际的旋转角度相同的特性，建立目标函数，采用遗传算法对所述目标函数进行数据拟合，以对三轴地磁传感器到三轴微加速度传感器的坐标系的对准矩阵进行标定。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤43进一步包括利用三轴微陀螺仪传感器的零漂与自身所受加速度的关联性建立目标函数，采用遗传算法对所述目标函数进行数据拟合，以对三轴微陀螺仪传感器的零漂进行标定。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤44进一步包括根据三轴微陀螺仪传感器数据积分确定的相对角度与二轴无磁转台的实际旋转角度之间的误差模型，建立目标函数，采用遗传算法对所述目标函数进行求解，以对三轴陀螺仪传感器的比例因子和正交矩阵进行标定。
全文摘要
本发明公开了一种基于遗传算法的惯性/地磁传感器标定方法。具体是对集成了三轴微加速度传感器、三轴微陀螺仪传感器和三轴地磁传感器的姿态跟踪单元进行标定的方法。包括1)用自行设计的二轴无磁转台来采集全姿态下的传感器数据；2)利用三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器在静止情况下输出数据的模值恒定原理来标定自身的零漂、比例因子和正交参数；3)利用三轴微加速度传感器和三轴地磁传感器数据叉乘向量的空间旋转角度来标定它们的对准参数；4)基于标定的三轴微加速度传感器来标定三轴微陀螺仪的零漂参数；5)基于三轴微陀螺仪传感器数据和转台所提供的旋转角度标定其比例因子和正交参数。本发明提供了一种快速、简洁的标定方法。
文档编号G01C25/00GK102506898SQ20111034344
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者弭鹏, 李文明, 杜清秀 申请人:中国科学院自动化研究所