基于高斯牛頓的三軸加速度計自動校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種幾乎無成本的基于高斯牛頓的三 軸加速度計自動校準(zhǔn)方法,可以應(yīng)用在常規(guī)要求的具有加速度計的領(lǐng)域,比如說體感游戲、 虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人、無人機(jī)等需要分析系統(tǒng)運(yùn)動的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和廣泛運(yùn)用,傳感器朝著重量小,性能高價格低 的方向迅速發(fā)展。這也使得傳感器的運(yùn)用擴(kuò)展到更廣泛的領(lǐng)域。三軸加速度計可以測量運(yùn) 動物體的加速度,可以對物體的運(yùn)動進(jìn)行分析,得到物體的位置和方向。加速度計和陀螺儀 結(jié)合組成的慣性測量單元,是運(yùn)動系統(tǒng)最基本的傳感器。加速度計的輸出的準(zhǔn)確性在這些 運(yùn)動系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。加速度計校準(zhǔn)能夠提高加速度計的輸出精度,提高這些運(yùn)動系 統(tǒng)的性能。但是,目前常規(guī)的校準(zhǔn)都需要昂貴的校準(zhǔn)平臺和控制系統(tǒng)。因此,一個成本低的, 操作方便的校準(zhǔn)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 針對上述問題,本發(fā)明的目的在于提供一種基于高斯牛頓的三軸加速度計自動校 準(zhǔn)方法,其可以準(zhǔn)確有效方便的校準(zhǔn)加速度計,減少加速度計誤差帶來的影響,具有操作簡 單,不需要任何昂貴的校準(zhǔn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0005] -種基于高斯牛頓的三軸加速度計自動校準(zhǔn)方法,所述自動校準(zhǔn)方法只考慮三軸 加速度計的零漂誤差、比例誤差和非正交誤差,而不考慮溫度變化和隨機(jī)漂移帶來的誤差, 其包括以下步驟:
[0006] 步驟1、建立校準(zhǔn)模型:
[0007] V=KNA+B(1)
[0008] 式(1)中:V為三軸加速度計測量輸出值:
[0009] V=[VxVyVjT ⑵
[0010] K為比例誤差矩陣:
[0011] K=diag{Kx,Ky,Kz} (3)
[0012] N為非正交誤差矩陣:
【主權(quán)項】
1.基于高斯牛頓的三軸加速度計自動校準(zhǔn)方法,其特征在于,所述自動校準(zhǔn)方法只考 慮三軸加速度計的零漂誤差、比例誤差和非正交誤差,而不考慮溫度變化和隨機(jī)漂移帶來 的誤差,其包括以下步驟: 步驟1、建立校準(zhǔn)模型: V =KNA+B (1) 式(1)中:V為三軸加速度計測量輸出值: V = [VxVyVJT (2) K為比例誤差矩陣: K =diag{Kx,Ky,Kj (3) N為非正交誤差矩陣:
(4) A為加速度計理想輸出的值: A = [AxAyAJt (5) B為零漂誤差矩陣: B = [BxByBJt (6) 步驟2、在不考慮溫度變化的影響下,比例誤差矩陣K和非正交誤差矩陣N均為常矩陣, 把二者合并成一個矩陣,此時,式(1)可以改寫成: A =M(V-B) (7) 其中:
(8) 步驟3、當(dāng)三軸加速度計靜止時測量的是重力加速度常量g= 9. 8m/s2,所以在理想情 況下有: Ax2+Ay2+Az2=g2 (9) 在校準(zhǔn)過程中,把三軸加速度計靜止放置在n個不同朝向的位置進(jìn)行n次測量,采集三 軸加速度計的輸出數(shù)據(jù),定義第k次測量的誤差ek為: ek=Vxk2+Vyk2+Vzk2-g2 (1〇) 式(10)中:1 <k<n,n要大等于校準(zhǔn)參數(shù)個數(shù); 因此,n次測量的總體誤差函數(shù)為最小二乘形式:
Ml) 式(11)中,P為校準(zhǔn)參數(shù),P=[Pi ? ? ? P9]= [MxxMxyMxzMyyMyzMzzBxByBJt; 由式(11)可知,所述總體誤差函數(shù)為校準(zhǔn)參數(shù)的非線性方程,式(11)可以寫成: f(p) =e(p)Te(p) (12) 式(12)中,e(p) = [ejp)e2(p) ...en(p)]T; 步驟4、通過建立牛頓迭代方程采用牛頓迭代法求解式(12),牛頓迭代法具有二次收 斂的特性,只需要提供一個初始校準(zhǔn)參數(shù)值即可對式(12)進(jìn)行求解,式(12)通過式(13) 的牛頓迭代方程對解迭代:
(13) 式(13)中:pt為校準(zhǔn)參數(shù)組成的向量p在第t次的迭代值,V/V)為總體誤差函數(shù)的 梯度,為總體誤差函數(shù)的海森矩陣,《為阻尼系數(shù); 迭代的終止條件為:
(14) 式(14)中,e為閾值,所述閾值e= 1.5X10_6; 步驟5、通過雅克比矩陣對式(13)進(jìn)行簡化,所述雅克比矩陣為:
(15) 則總體誤差方程的梯度和海森矩陣采用雅克比矩陣表示為:
(16) C17) 將式(16)和式(17)代入式(13)進(jìn)行簡化,獲得簡化后的迭代方程,如式(18)所示:
(18) 步驟6、設(shè)置初始校準(zhǔn)參數(shù),并將該初始校準(zhǔn)參數(shù)代入簡化后的迭代方程,以(14)為條 件求解校準(zhǔn)參數(shù)P,其中,初始校準(zhǔn)參數(shù)Pci= [1 〇 〇 1 〇 1 〇 〇 〇] T。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高斯牛頓最優(yōu)迭代的三軸加速度計校準(zhǔn)方法,該算法考慮了三軸加速度計的零漂誤差,比例誤差和非正交誤差;其包括以下步驟:步驟1、建立校準(zhǔn)模型;步驟2、簡化校準(zhǔn)模型;步驟3、把三軸加速度計靜止放置在n個不同朝向的位置進(jìn)行n次測量,采集三軸加速度計的輸出數(shù)據(jù);步驟4、采用牛頓迭代法求解;步驟5、通過雅克比矩陣簡化牛頓迭代方程,即高斯-牛頓算法;步驟6、設(shè)置初始校準(zhǔn)參數(shù),獲取校準(zhǔn)參數(shù)以及三軸加速度計校準(zhǔn)后的輸出數(shù)據(jù)。本發(fā)明的校準(zhǔn)過程只需要采集幾組不同朝向靜止的加速度計數(shù)據(jù),具有操作簡便,不需要高昂的校準(zhǔn)設(shè)備和控制系統(tǒng),是一種可以普遍運(yùn)用的加速度計校準(zhǔn)方法。
【IPC分類】G01P21-00
【公開號】CN104614555
【申請?zhí)枴緾N201510033373
【發(fā)明人】張寶先, 曹永軍, 曾文武
【申請人】廣東省自動化研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月22日