[发明专利]一种基于MIMU的便携脊柱测量仪及方法

权利要求书

1.一种基于MIMU的便携脊柱测量仪的姿态解算方法，其特征在于，

所述便携脊柱测量仪包括手持智能终端，所述手持智能终端实现脊柱姿态测量功能，主要包括MIMU数据采集单元和数据预处理和姿态解算单元，所述MIMU数据采集单元利用三轴加速度计、三轴陀螺仪和温度计采集测量仪在脊柱上移动时的加速度、角速度和温度数据，并传输给所述数据预处理和姿态解算单元；所述数据预处理和姿态解算单元先进行温度漂移补偿，再采用时间序列分析和强跟踪卡尔曼滤波的处理算法，估计角速度和加速度零点偏差，进行数据零点偏差补偿，然后根据补偿后的加速度和角速度数据进行脊柱姿态解算；

所述姿态解算方法包括：

1)坐标系转换及姿态描述：

坐标系定义如下：

基准坐标系n-系——OX_nY_nZ_n：根据脊柱测量需求，采用地理坐标系作为基准坐标系；

测量坐标系b-系——OX_bY_bZ_b：测量坐标系沿测量仪的三个坐标轴建立；其中，取测量仪的重心为b-系的原点，OX_b轴和OY_b轴在同一平面内且互相垂直，OZ_b轴与测量仪轴线方向一致，且垂直于OX_b轴和OY_b轴构成的平面；三轴加速度计和三轴陀螺仪固联于测量仪坐标系，并沿测量仪的三个轴向正交安装；

n-系到b-系的坐标变换矩阵为

基于上述坐标系描述，定义测量仪测量的侧弯角、后凸角和侧弯角，侧弯角ψ定义为地磁北向沿逆时针方向与OZ_b轴在地平面的投影之间的夹角，ψ的取值范围为90°～90°；后凸角θ定义为OX_b轴与地平面之间的夹角，θ的取值范围为-90°～+90°；侧凸角γ定义为OY_b轴与地平面之间的夹角，γ的取值范围为90°～±90°；

在b-系中，测量仪稳定时沿三个轴向安装的加速度计只受到重力加速度的影响，此时加速度计实际测量值为重力加速度；在n-系中，重力矢量的方向始终朝下，而在其它轴向上的分量为零；重力加速度信号从b-系到n-系的转换关系为：

其中，为b-系到m-系的姿态变换矩阵，g₀为重力加速度，a_xc,a_yc,a_zc为重力加速度在b-系中三个轴向上的计算分量；

将式(1)代入式(2)得

对(3)求解，采用测量仪中的加速度计数据计算后凸角θ_a和侧凸角γ_a为

其中，a_x,a_y,a_z为加速度计输出数据；

当后凸角或侧凸角的大角度测量时，a_z→0，导致γ_a角度大范围波动，当θ_a＞85度时，在计算γ_a时补偿一个a_y项，

2)姿态矩阵也可用四元数表示为

初始四元数计算：采用θ_a、γ_a、0初始化四元数

更新四元数：通过陀螺仪测量的三轴的加速度数据g_x,g_y,g_z计算四元数

利用陀螺仪数据获得的四元数计算后凸角θ_g、侧凸角γ_g和侧弯角ψ_g：

采用加速度计输出的数据a_x,a_y,a_z解算的后凸角和侧凸角，由于a_x,a_y,a_z可能包含外界加速度，即不全是重力加速度，所以利用加速度计实际输出的数据得需要调节，设计自动调节参数即k＞1时，说明利用加速度计输出的数据解算的后凸角和侧弯角有一定的误差，和k有关，k越大，误差越大，此时利用加速度解算的角度要小一些；当k≈1时，完全利用加速度解算的数据，即

3)计算姿态矩阵下的重力加速度，即把重力加速度投影到姿态矩阵下，即得如果姿态矩阵准确，则计算的重力加速度和三个轴向上输出的重力加速度是一样的，但实际上存在误差，设侧弯角误差Δψ，该误差正比于向量和向量的叉乘中的a_x*a_yc-a_y*a_xc项，设比例系数为p，则Δψ＝p(a_x*a_yc-a_y*a_xc)，利用Δψ进行补偿ψ_g，考虑加速度波动的影响，即k的影响，即侧弯角补偿后的后凸角、侧凸角和侧弯角为