[发明专利]基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统

说明书

一种基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统，包括：数据获取模块、姿态因子模块、速度因子模块和位置因子模块，数据获取模块采集来自动作捕捉系统的位置信息和姿态信息，来自惯性测量单元的加速度和角速度信息；姿态因子模块与数据获取模块相连并优化姿态因子，计算惯性测量单元的陀螺仪零偏参数和多个坐标系之间的相对旋转；速度因子模块分别与数据获取模块和姿态因子模块相连并根据陀螺仪零偏参数、坐标系间的相对旋转、位置信息和姿态信息对加速度计的零偏参数进行估计；位置因子模块分别与数据获取模块和速度因子模块相连并根据位置信息和姿态信息对速度因子模块计算得到的…参数进行进一步的优化并输出优化后的标定结果。本发明使用高精度动作捕捉系统进行标定，能够方便的用于现有的数据采集流程，无需特殊操作并提供了真值数据(位置、姿态)的开源数据集，能够达到很高的精度。

技术领域

本发明涉及的是一种室内惯性导航领域的技术，具体是一种基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统。

背景技术

目前的惯性测量单元(IMU)标定方案通常要求要借助一些额外的设备和动作，如高精度转台、六面法等。标定流程通常复杂，需要人为操作且标定时间长，一次标定需要至少半个小时到一个小时。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统，首先采集来自动作捕捉系统的位置信息和姿态信息和来自惯性测量单元的加速度和角速度信息，然后对姿态因子进行优化并计算惯性测量单元的陀螺仪零偏参数和多个坐标系之间的相对旋转信息，最后估计加速度计的零偏，在进一步优化后，输出最终的标定结果。本发明在标定时无需特殊操作，进行正常的数据采集流程即可。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：数据获取模块、姿态因子模块、速度因子模块和位置因子模块，其中：数据获取模块采集来自动作捕捉系统的位置信息和姿态信息，来自惯性测量单元的加速度和角速度信息；姿态因子模块与数据获取模块相连并最小化相对姿态的误差函数，采用因子图的描述方法，即姿态因子计算惯性测量单元的陀螺仪零偏参数和多个坐标系之间的相对旋转实现标定；速度因子模块分别与数据获取模块和姿态因子模块相连并根据陀螺仪零偏参数、多传感器安装时对应坐标系间的相对旋转、位置信息和姿态信息对加速度计的零偏参数进行估计；位置因子模块分别与数据获取模块和速度因子模块相连并根据位置信息和姿态信息对速度因子模块计算得到的IMU的零偏参数、多传感器之间的旋转、平移参数进行进一步的优化并输出优化后的惯性测量单元内参标定结果。

所述的数据获取模块包括：高精度动作数据采集模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪和时间同步模块，其中：高精度动作数据采集模块与时间同步模块相连并采集并传输贴有标记球的物体的位置与姿态信息；三轴加速度计和三轴陀螺仪分别与时间同步模块相连并测量并传输载体运动过程中的加速度和各种转动的角速度；时间同步模块接收动作捕捉数据、加速度、角速度信息并进行时间同步和输出。

所述的高精度动作数据采集模块采样频率不低于100Hz。

所述的姿态因子模块包括：姿态变化计算模块、角速度积分模块和姿态残差优化模块，其中：姿态变化计算模块与数据获取模块相连并使用高精度动作捕捉系统输出的两个时刻的姿态信息，计算物体的姿态变化量；角速度积分模块与数据获取模块相连并对IMU输出的角速度信息进行积分，输出IMU物体的姿态变化量；姿态残差优化模块分别与姿态变化计算模块和角速度积分模块相连并对姿态变化计算模块、角速度积分模块的结果进行残差计算，并通过高斯牛顿优化器迭代优化相关参数。

所述的相关参数包括：陀螺仪的零偏、动作捕捉系统的体坐标系与IMU之间的旋转参数。

所述的姿态因子，其陀螺仪的零偏参数初值为零，动作捕捉系统的体坐标系与IMU之间的旋转为单位四元数。