專利名稱：一種基于遺傳算法的慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法
一種基于遺傳算法的慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于三維姿態(tài)跟蹤領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)于內(nèi)部包含三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器等慣性/地磁傳感器的姿態(tài)跟蹤單元的誤差參數(shù)補(bǔ)償?shù)臉?biāo)定方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMQ的發(fā)展，特別是微慣性技術(shù)的發(fā)展，載體的位姿獲取已經(jīng)從原來的平臺(tái)慣導(dǎo)發(fā)展到捷聯(lián)慣導(dǎo)和組合導(dǎo)航技術(shù)，其系統(tǒng)的體積、重量和成本大大降低，因此采用慣性/地磁技術(shù)進(jìn)行姿態(tài)的跟蹤檢測(cè)有著廣泛的前景。最近，蘋果公司的 iphone手機(jī)以及安卓手機(jī)都增加了 MEMS三軸微加速度傳感器，三軸地磁傳感器用于獲取手機(jī)姿態(tài)從而設(shè)計(jì)更自然的人機(jī)交互應(yīng)用。目前，國內(nèi)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出了相當(dāng)多的微慣性姿態(tài)測(cè)量裝置用于姿態(tài)測(cè)量跟蹤，本申請(qǐng)人在專利號(hào)為“ZL 200810114391. 4”的中國專利“基于ZigBee無線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置”中提供了一種可用于運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)測(cè)量的裝置， 該專利在本申請(qǐng)中引入作為參考。在該專利中，采用六軸微慣性傳感器(集成了三軸微陀螺儀傳感器和三軸微加速度傳感器)和三軸磁場(chǎng)傳感器來測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)。
MEMS傳感器雖然在微型化，低功耗方面有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在自身固有的缺點(diǎn)。首先是傳感器內(nèi)部存在固有的噪聲干擾；其次是現(xiàn)有的技術(shù)無法將三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器以及三軸地磁傳感器集成到單芯片上，從而產(chǎn)生了傳感器在安裝過程中的對(duì)準(zhǔn)誤差；最后MEMS傳感器的使用環(huán)境和溫度也會(huì)影響其內(nèi)部參數(shù)，因此 MEMS傳感器在使用之前需要進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。
針對(duì)三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器參數(shù)的標(biāo)定， 通常情況下，需要一個(gè)精密的三軸機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺(tái)來準(zhǔn)確的獲取各個(gè)方位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)臺(tái)準(zhǔn)確的方位數(shù)據(jù)與微慣性單元輸出的方位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來獲取微慣性單元內(nèi)部的三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器的標(biāo)定參數(shù)(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，這種傳統(tǒng)的方法不僅需要高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法，并且高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分容易引入磁場(chǎng)干擾。國內(nèi)方面，北京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)在微慣性傳感器標(biāo)定方面做出了很多工作。但是國內(nèi)的研究主要從事的是單個(gè)微慣性傳感器自身的標(biāo)定，并且傳感器標(biāo)定過程中需要多自由度高精密轉(zhuǎn)臺(tái)，從而使得傳感器能達(dá)到軍事應(yīng)用的水平。最近，中北大學(xué)提出了“一種微慣性測(cè)量組合現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法”(中國專利20100200418. 9,201010134734. 0)，該方法可以簡(jiǎn)單快速的對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。但是該方法沒有給出磁傳感器和陀螺儀傳感器的標(biāo)定方法；也沒有給出三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器之間的坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)的方法；而且該方法的采樣數(shù)據(jù)是隨機(jī)的。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于遺傳算法的慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法。具體是對(duì)集成了三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器組成的姿態(tài)跟蹤單元的一種快速、簡(jiǎn)潔的標(biāo)定方法。
本發(fā)明提出的一種慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法，具體包括如下步驟
步驟1 將待標(biāo)定的包含慣性/地磁傳感器的姿態(tài)跟蹤單元置于二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，啟動(dòng)所述姿態(tài)跟蹤單元；
步驟2 采集各傳感器在二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；
步驟3 分離采集得到各傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；
步驟4:基于分離得到各傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)跟蹤單元中的慣性/地磁傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于1)無需高精密的無磁轉(zhuǎn)臺(tái)以及復(fù)雜的標(biāo)定流程。標(biāo)定過程中只需要借助于一個(gè)能提供相對(duì)45°角的無磁兩自由度的轉(zhuǎn)臺(tái)。2)根據(jù)在任意靜止姿態(tài)下三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器模值不變特性，獲取加速度計(jì)和磁力計(jì)的零漂、比例因子和正交矩陣，該方法可在任意姿態(tài)下采集數(shù)據(jù)，故對(duì)標(biāo)定平臺(tái)無任何位置精度要求，只要平臺(tái)是無磁材料即可；幻利用加速度傳感器和磁力計(jì)傳感器數(shù)據(jù)的叉乘向量的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和對(duì)準(zhǔn)矩陣特性，獲得磁力計(jì)到加速度計(jì)對(duì)準(zhǔn)矩陣參數(shù)，加速度傳感器和磁力計(jì)傳感器的聯(lián)合標(biāo)定，充分運(yùn)用了這兩類傳感器在確定空間姿態(tài)的相關(guān)性；4)利用陀螺儀零漂與自身所受加速度的關(guān)聯(lián)性，求得陀螺儀的零漂因子，利用自身加速度數(shù)據(jù)來對(duì)自身的陀螺儀標(biāo)定，具有一定的互標(biāo)定優(yōu)點(diǎn)力)根據(jù)陀螺積分后確定的角度誤差模型與實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度建立目標(biāo)函數(shù)，求得陀螺儀的比例因子和正交矩陣；6)本發(fā)明中所有的標(biāo)定參數(shù)是通過遺傳算法求得的，采用遺傳算法能夠快速的找到能滿足標(biāo)定精度的各傳感器標(biāo)定參數(shù)。


圖1為本發(fā)明所提出的標(biāo)定方法所使用的姿態(tài)跟蹤單元的組成示意圖。
圖2為經(jīng)典三軸傳感器誤差模型。
圖3為本發(fā)明的二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)物圖。
圖5為本發(fā)明的基于遺傳算法的姿態(tài)跟蹤單元標(biāo)定方法流程圖。
圖6為三軸磁傳感器標(biāo)定前后的模值對(duì)比圖。
圖7為三軸加速度傳感器和三軸磁傳感器的對(duì)準(zhǔn)效果圖。
圖8為三軸微陀螺儀傳感器標(biāo)定前后的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1示出本發(fā)明進(jìn)行標(biāo)定的姿態(tài)跟蹤單元的組成。該姿態(tài)跟蹤單元集成了三軸加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸磁傳感器。三組傳感器所在的正交軸構(gòu)成了該單元的χ軸、Y軸和ζ軸的三軸坐標(biāo)系。
圖2示出經(jīng)典三軸傳感器誤差模型。三軸MEMS傳感器的輸出為向量yk，實(shí)際的傳感器輸入數(shù)據(jù)為uk，其中，k代表傳感器的類型，k = {a, m, g}，a、m、g分別代表三軸加速度傳感器、三軸地磁傳感器、三軸微陀螺儀傳感器。傳感器原始輸入數(shù)據(jù)Uk首先與傳感器的零漂因子bk相減，然后依次與比例因子&、正交矩陣Tk和Mk相乘，就得到了標(biāo)定后的輸出數(shù)據(jù)yk。這里將傳感器誤差分為兩類機(jī)械誤差和電量誤差，機(jī)械誤差指機(jī)械加工和傳感器組裝造成的誤差，主要指軸不正交帶來的正交誤差和傳感器坐標(biāo)系與外殼坐標(biāo)系不重合造成的對(duì)準(zhǔn)誤差；電量誤差是每個(gè)軸上的傳感器固有誤差，主要指零漂和比例因子誤差。在圖2 所示的模型中，如果令Sk、Tk、Mk和bk分別表示比例因子、正交矩陣、對(duì)準(zhǔn)矩陣和零漂因子， 那么輸出yk的表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟1 將待標(biāo)定的包含慣性/地磁傳感器的姿態(tài)跟蹤單元置于二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，啟動(dòng)所述姿態(tài)跟蹤單元；步驟2 采集各傳感器在二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；步驟3 分離采集得到各傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；步驟4 基于分離得到各傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)跟蹤單元中的慣性/地磁傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿態(tài)跟蹤單元包含三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)包括垂直轉(zhuǎn)臺(tái)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)、水平定位孔、垂直轉(zhuǎn)軸、垂直定位孔和水平轉(zhuǎn)軸。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2進(jìn)一步包括依次采集各傳感器在二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上的不同水平定位孔處和不同垂直定位孔處的靜態(tài)數(shù)據(jù)和相鄰兩個(gè)水平定位孔之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，通過設(shè)置閾值來分離各傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟4進(jìn)一步包括步驟41 基于分離得到三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，利用三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器在任意靜止姿態(tài)下的三軸數(shù)據(jù)模值恒定的原理和遺傳算法標(biāo)定三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的零漂、比例因子、正交參數(shù)，得到校正后的三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)；步驟42 基于步驟41校正后的三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)三軸地磁傳感器到三軸微加速度傳感器的坐標(biāo)系的對(duì)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行標(biāo)定，并得到經(jīng)過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定后的三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)；步驟43 基于步驟3分離得到三軸微陀螺儀傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)和步驟41中標(biāo)定后的三軸微加速度傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)三軸微陀螺儀傳感器的零漂進(jìn)行標(biāo)定；步驟44 基于步驟3分離得到三軸微陀螺儀傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供的旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)三軸陀螺儀傳感器的比例因子和正交矩陣進(jìn)行標(biāo)定。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟41進(jìn)一步包括利用三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器在任意靜止姿態(tài)下的三軸數(shù)據(jù)模值恒定的原理，建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以對(duì)三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的零漂、比例因子、正交參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟42進(jìn)一步包括利用三軸地磁傳感器和三軸微加速度傳感器的數(shù)據(jù)叉乘向量的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度與實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度相同的特性，建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以對(duì)三軸地磁傳感器到三軸微加速度傳感器的坐標(biāo)系的對(duì)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行標(biāo)定。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟43進(jìn)一步包括利用三軸微陀螺儀傳感器的零漂與自身所受加速度的關(guān)聯(lián)性建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以對(duì)三軸微陀螺儀傳感器的零漂進(jìn)行標(biāo)定。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟44進(jìn)一步包括根據(jù)三軸微陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)積分確定的相對(duì)角度與二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度之間的誤差模型，建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以對(duì)三軸陀螺儀傳感器的比例因子和正交矩陣進(jìn)行標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的慣性/地磁傳感器標(biāo)定方法。具體是對(duì)集成了三軸微加速度傳感器、三軸微陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器的姿態(tài)跟蹤單元進(jìn)行標(biāo)定的方法。包括1)用自行設(shè)計(jì)的二軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)來采集全姿態(tài)下的傳感器數(shù)據(jù)；2)利用三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器在靜止情況下輸出數(shù)據(jù)的模值恒定原理來標(biāo)定自身的零漂、比例因子和正交參數(shù)；3)利用三軸微加速度傳感器和三軸地磁傳感器數(shù)據(jù)叉乘向量的空間旋轉(zhuǎn)角度來標(biāo)定它們的對(duì)準(zhǔn)參數(shù)；4)基于標(biāo)定的三軸微加速度傳感器來標(biāo)定三軸微陀螺儀的零漂參數(shù)；5)基于三軸微陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺(tái)所提供的旋轉(zhuǎn)角度標(biāo)定其比例因子和正交參數(shù)。本發(fā)明提供了一種快速、簡(jiǎn)潔的標(biāo)定方法。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102506898SQ20111034344
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者弭鵬, 李文明, 杜清秀 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所