一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法
【專利摘要】一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)無奇異誤差估計(jì)方法，本發(fā)明涉及一種無需專門設(shè)備、在現(xiàn)場(chǎng)或者外場(chǎng)環(huán)境無奇異估計(jì)三維加速度計(jì)誤差的方法。該方法首先確定外場(chǎng)估計(jì)三維加速度計(jì)誤差所需采集的全部姿態(tài)信息；其次，建立加速度計(jì)誤差模型，明確需要估計(jì)的未知參數(shù)；第三，將三維加速度計(jì)誤差模型未知參數(shù)估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為橢球幾何模型參數(shù)的擬合問題；第四，在三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)估計(jì)中采用一種避免奇異點(diǎn)的橢球擬合算法；第五，在三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)估計(jì)中采用修正橢球模型解決了標(biāo)度因子和安裝誤差矩陣不唯一問題。本發(fā)明適用于以低成本、小體積、參數(shù)穩(wěn)定性較低的加速度計(jì)作為傳感器的小型無人機(jī)、機(jī)器人、手持終端等系統(tǒng)。
【專利說明】一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，是一種簡(jiǎn)便易行、無需專門設(shè)備的慣性傳感器組合外場(chǎng)誤差估計(jì)方法，同時(shí)估計(jì)三維測(cè)量加速度計(jì)的零偏、標(biāo)度因子和三維安裝誤差。估計(jì)過程中設(shè)定約束條件避免因奇異而無法估計(jì)三維測(cè)量加速度計(jì)誤差模型參數(shù)，采用修正橢球模型，避免所估計(jì)模型參數(shù)不唯一的問題。本發(fā)明適用于采用低成本、小體積、參數(shù)穩(wěn)定性較低的加速度計(jì)作為傳感器的小型無人機(jī)、機(jī)器人、手持終端等系統(tǒng)中，提高其實(shí)際使用精度，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。
【背景技術(shù)】
[0002]三維測(cè)量加速度計(jì)經(jīng)常作為一種重要傳感器用于小型無人機(jī)、機(jī)器人、手持終端等多種系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、低成本、低功耗，傳感器也必須具備低成本、小體積、低功耗等特征，其性能往往偏低，主要體現(xiàn)為誤差模型參數(shù)不穩(wěn)定。為了提高三維測(cè)量加速度計(jì)的實(shí)際使用精度，迫切需要一種現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)誤差并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。為了提高操作的便捷性、降低對(duì)系統(tǒng)資源的耗費(fèi)，估計(jì)補(bǔ)償算法應(yīng)該具有在線運(yùn)行、占用系統(tǒng)資源少的特點(diǎn)。目前尚無現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)三維測(cè)量加速度計(jì)誤差模型參數(shù)的有效途徑。
[0003]傳統(tǒng)的加速度計(jì)誤差模型估計(jì)需要借助分度頭等專門儀器設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，即提前離線確定誤差模型的各個(gè)參數(shù)，并在使用前進(jìn)行固定的補(bǔ)償。一旦加速度計(jì)誤差模型參數(shù)因?yàn)槭褂脮r(shí)間、環(huán)境溫度、壓力等發(fā)生變化，固定補(bǔ)償必然導(dǎo)致較大誤差殘留，嚴(yán)重影響使用精度，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償。這一點(diǎn)對(duì)小體積、低成本傳感器尤其重要。
[0004]三維測(cè)量磁羅盤在使用中常常受到周圍磁環(huán)境的干擾，因此該領(lǐng)域較早使用了現(xiàn)場(chǎng)誤差估計(jì)技術(shù):轉(zhuǎn)動(dòng)三維測(cè)量磁羅盤并采集各個(gè)姿態(tài)下地磁場(chǎng)在三維磁傳感器上的分量。不同之處在于磁羅盤可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)連續(xù)采集，本發(fā)明方法需要三維測(cè)量加速度計(jì)在各個(gè)姿態(tài)下保持靜止，去除轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)。另一個(gè)區(qū)別在于目前的三維測(cè)量磁羅盤現(xiàn)場(chǎng)誤差模型參數(shù)估計(jì)方法未能考慮避免估計(jì)奇異值的出現(xiàn)，常常導(dǎo)致估計(jì)失敗。少數(shù)方法僅考慮了二維測(cè)量情況的去奇異條件。為此，本發(fā)明針對(duì)三維測(cè)量加速度計(jì)提出了一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于以三維測(cè)量加速度計(jì)作為傳感器的小型無人機(jī)、機(jī)器人、手持終端等系統(tǒng)的外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟:
[0007](I)確定外場(chǎng)估計(jì)三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)所需采集的全部姿態(tài)；
[0008](2)建立加速度計(jì)誤差模型和被估計(jì)參數(shù)；[0009](3)將三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為橢球幾何模型參數(shù)擬合問題，建立加速度計(jì)誤差模型參數(shù)與橢球幾何模型參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0010](4)確定避免奇異的參數(shù)估計(jì)約束條件；
[0011](5)建立約束條件下的最小二乘參數(shù)估計(jì)算法；
[0012](6)在三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)估計(jì)中采用修正橢球模型，避免所估計(jì)模型參數(shù)不唯一的問題；
[0013](7)利用加速度計(jì)誤差模型參數(shù)與橢球幾何模型參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，解算三維正交加速度計(jì)誤差模型參數(shù)。
[0014]本發(fā)明的原理是:加速度計(jì)在靜止情況下能夠測(cè)量到重力加速度的投影分量，三維測(cè)量加速度計(jì)三個(gè)測(cè)量值的平方和在靜止情況下應(yīng)該等于重力加速度的平方。但三個(gè)測(cè)量值的具體數(shù)值會(huì)因?yàn)樽藨B(tài)不同而輸出重力加速度不同的投影分量，換言之，三維測(cè)量加速度計(jì)三個(gè)測(cè)量值體現(xiàn)了三維測(cè)量加速度計(jì)當(dāng)前的姿態(tài)信息，因此三維測(cè)量加速度計(jì)的誤差對(duì)姿態(tài)測(cè)量精度影響很大，必須加以估計(jì)和補(bǔ)償。
[0015]傳統(tǒng)的加速度計(jì)誤差模型估計(jì)需要借助分度頭等專門儀器設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，即提前離線確定誤差模型的各個(gè)參數(shù)，并在使用前進(jìn)行固定的補(bǔ)償。一旦加速度計(jì)誤差模型參數(shù)因?yàn)槭褂脮r(shí)間、環(huán)境溫度、壓力等發(fā)生變化，固定補(bǔ)償必然導(dǎo)致較大誤差殘留，嚴(yán)重影響使用精度，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償。三維測(cè)量加速度計(jì)的誤差包括零偏、標(biāo)度因子和三軸相互之間的非正交誤差。vax，Vay, Vaz表示三維加速度計(jì)的輸出測(cè)量值，Bax,Bay, Baz表示三維測(cè)量加速度計(jì)的零偏，Kax, Kay, Kaz表示三維測(cè)量加速度計(jì)的標(biāo)度因子，Eaxy,Eaxz, Eayx, Eayz, Eazx, Eazy表示三維測(cè)量加速度計(jì)三軸相互之間的非正交誤差，Ax, Ay, Az表示三軸真實(shí)輸入加速度值。具體模型如下:
【權(quán)利要求】
1.一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟: (1)確定外場(chǎng)估計(jì)三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)所需的全部姿態(tài)； (2)建立加速度計(jì)誤差模型和被估計(jì)參數(shù)； (3)將三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為橢球幾何模型參數(shù)擬合問題，建立加速度計(jì)誤差模型參數(shù)與橢球幾何模型參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系； (4)確定避免奇異的參數(shù)估計(jì)約束條件； (5)修正橢球模型； (6)建立約束條件下修正橢球模型的最小二乘估計(jì)算法； (7)解算三維正交加速度計(jì)誤差模型參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:外場(chǎng)估計(jì)三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)所需采集姿態(tài)集的確定原則是保證每個(gè)加速度計(jì)在鉛垂平面內(nèi)遍歷重力加速度最大、最小、零值位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:所采用的誤差模型可以在外場(chǎng)同時(shí)估計(jì)出三維測(cè)量加速度計(jì)的零偏、標(biāo)度因子和三維安裝誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:外場(chǎng)估計(jì)三維加速度計(jì)誤差所需采集的全部姿態(tài)信息均為翻轉(zhuǎn)完成后的靜態(tài)姿態(tài)數(shù)據(jù)，去除任何翻轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:翻轉(zhuǎn)過程中無需任何專用設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:建立三維加速度計(jì)誤差模型與橢球幾何模型的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)橢球幾何模型參數(shù)計(jì)算全部三維加速度計(jì)誤差模型參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:采用拉格朗日乘子法將避免奇異的約束條件與常規(guī)最小二乘算法結(jié)合，將有約束的三維測(cè)量加速度計(jì)誤差估計(jì)最小二乘算法轉(zhuǎn)化為無約束的最小二乘算法。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外場(chǎng)環(huán)境三維測(cè)量加速度計(jì)誤差無奇異估計(jì)方法，其特征在于:采用修正橢球模型，避免所估計(jì)模型參數(shù)不唯一的問題。
【文檔編號(hào)】G01P21/00GK103995152SQ201410197202
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】盛蔚, 孫丁圣, 蔣勇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)