使用场景捕获数据校准惯性测量单元（IMU）的组件的方法和系统技术方案

本文提供了一种用于经由校准目标的图像校准惯性测量单元(IMU)的方法和系统。该方法可包括：经由IMU测量参数；捕获包含至少一个校准目标的场景的多个校准图像，其中，校准图像取自不同的位置和/或方位，其中，每个校准图像与至少一个其他校准图像共享共同校准目标；基于该至少一个共同校准目标，针对校准图像的捕获的每个位置，计算感测设备相对于校准目标的位置和方位；并且通过将基于计算的相对位置和方位的两个校准图像之间的相对运动与由IMU在对应于至少两个校准图像的时间范围内获取的参数的测量进行比较来校准IMU。

Method and System for Calibrating Inertial Measurement Unit (IMU) Components Using Scene Capture Data

This paper presents a method and system for image calibration of inertial measurement unit (IMU) via calibrated target. The method may include: measuring parameters via IMU; capturing a plurality of calibration images of a scene containing at least one calibration target, in which the calibration image is taken from different positions and/or directions, where each calibration image shares a common calibration target with at least one other calibration image; and based on the at least one common calibration target, for each position captured by the calibration image, The position and azimuth of the arithmetic sensing device relative to the calibration target; and the IMU is calibrated by comparing the relative motion between the two calibration images based on the calculated relative position and azimuth with the measurement of the parameters obtained by the IMU in the time range corresponding to at least two calibration images.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用场景捕获数据校准惯性测量单元（IMU）的组件的方法和系统
本专利技术一般涉及校准惯性测量单元(IMU)的领域，并且更具体地，涉及使用场景捕获数据校准惯性测量单元。
技术介绍
在阐述本专利技术的背景之前，阐述将在下文中使用的某些术语的定义可以是有帮助的。本文中使用的术语“惯性测量单元”或“IMU”是允许测量各种物理量并从中推断设备运动的硬件设备。它用于各种场景：车辆和个人导航；智能手机，用于游戏(测量设备的倾斜或运动)、步数计数器、导航、安全(即，当感测到设备处于自由落体状态时关闭设备)等事情；诸如智能眼镜的平视显示器(HUD)，以补偿用户的运动并投影正确的视角；和各种控制器(例如，WiiTM遥控器、XboxTM控制器)，以确定用户的运动并将其转换成运动。IMU中至少有三个主要组件，其中至少有一个必须存在才可获得信息：本文中使用的术语“加速度计”是测量施加在设备上的总力(包括重力)并推断总加速度的设备。因为它测量重力，当设备静止时，设备的输出是g(重力)。当设备处于加速状态时，设备的输出是总加速度(重力加身体加速度)的矢量。加速度计可以是1轴、2轴或3轴配置。实际上，该设备测量总加速度矢量(因为它具有方向和大小)对设备具有的轴数的投影。最常见的是2轴和3轴。加速度计可以用于测量设备的俯仰和滚转(即，相对于地平线的角度)。当设备静止时，重力在其轴上的投影完全由其俯仰和滚转确定，并且因此通过测量这些投影，可反向计算俯仰和滚转。加速度计还可以用于测量设备的位移。通过去除已知大小和重力的方向(假设我们即使在运动中也能准确地知道俯仰和滚转-陀螺仪或外部源可以用于此)，我们剩下的是实际的身体加速度。通过对加速度积分，我们得到物体速度，并且根据对速度的积分，我们得到物体位移。实际上，由于采样率有限，测量中的噪声以及不知道高精度的重力，位移仅是近似的，并且估计的质量随时间恶化。本文中使用的术语“回转仪”或“陀螺仪”是测量设备围绕其具有的每个轴(1、2或3)的旋转速率的设备。这允许估计设备的当前角度(如果角度在先前的时间点已知)，并且随时间对旋转的速率(速度)积分。当测量角度时，陀螺仪和加速度计之间存在差异：加速度计可以仅测量俯仰和滚转，陀螺仪测量全部三个；加速度计测量绝对角度，而陀螺仪仅测量变化。这意味着，加速度计的精度与时间无关(它仅取决于设备是否静止以及测量的精度)，而如果仅依靠陀螺仪，则精度会随着时间的推移而恶化。陀螺仪直接测量角度的变化，加速度计通过测量外部已知的固定量(重力)来测量。本文中使用的术语“磁力计”是测量环境中的总磁场的设备。与加速度计类似，磁力计测量磁场在其轴(1、2或3轴)上的投影。与加速度计使用重力来测量俯仰和滚转类似，磁力计使用磁场来测量方位角，因为假设磁场通常与重力正交。注意，方位角是相对于局部磁场的，并且不一定接近“实际”方位角(指向地球的磁场的，或指向北极的一个)。使用磁力计允许测量围绕两个轴的旋转，这两个轴垂直于磁场方向。如果已知磁场相对于重力的方位(在这种情况下，计算与重力垂直的组件)，则可以恢复方位角。根据磁力计读数计算方位角类似于根据加速度计计算俯仰和滚转。使用磁力计测量方位角的一个问题是假设磁场是恒定的。通常，该设备连接到附加的电设备，这些电设备产生它们自己的磁场，这些磁场在时间上不是恒定的。因此，方位角估计容易出错。附加组件可以是：温度计、压力传感器、气压传感器等。为了从IMU获得高精度的运动估计，重要的是具有两种类型的精度：A.实际测量精度-即加速度计、陀螺仪和磁力计的输出是准确的。B.制造精度-由于制造过程，组件不理想。一些示例：·每个组件的轴不完全正交(90度)·各个组件的轴未完全对齐(例如，加速度计的x轴与陀螺仪的x轴不完全平行)。·偏置-设备的“0”不是测量量的“0”(即，如果B是偏置，当真实测量值为0时设备将输出B，并且当真实测量值为B时将输出0)。这是每个组件，每个轴。偏置具有恒定的组件，以及可以随时间变化的组件。·漂移-偏置随时间的变化率。与偏置类似，漂移也有一个恒定的组件，以及可以随时间变化的组件。·缩放-恒定因子，用于转换测量值和表示它的电信号强度。测量精度可能随时间而变化，这意味着这些误差不能被平均。此外，制造上的不准确性是系统性的-这意味着它们很快就会累积。没有外部信息来源，无法估计这些不准确性。本文中使用的术语“校准”是称之为估计制造上的不准确性的过程。校准的结果是知道所有这些参数-轴配置(每个组件的轴配置和组件之间的轴配置)、偏置、漂移等。校准还可以包括对测量不准确性(例如，平均值和标准偏差)进行建模。为了进行校准过程，需要一种获得设备的方位(和位置)的方法，其独立于设备自身的传感器。此外，为了获得高精度，该设备的许多不同的方位组合需要该外部信息(即，仅一个方位是不够的)。各种IMU之间的价格差异有时是由于投入校准过程的工作量的不同。有时，通过将IMU附接到旋转台来执行校准，旋转台能够非常精确地测量其自身的角度，因此提供关于校准过程所需的角度的外部信息。在校准过程中，确定所有制造不准确性，以及IMU和旋转台之间的相对方位。然而，前述校准设备是昂贵的，不是移动的，并且不总是可用的。因此，有一种使用其他装置的针对IMU的校准方法将是有利的。
技术实现思路
为了克服当前可获得的用于校准IMU的方法的缺点，本文建议通过将IMU刚性地连接到具有测量其自身角度的能力的感测设备来校准IMU。这种感测设备可以是相机、深度传感器等。该校准方法可以利用已经具有集成在一起的IMU和捕获设备的容易获得的设备(诸如智能手机、汽车导航系统和平视显示器(HMD))来实现。本专利技术的一些实施例提供了一种能够经由至少一个校准目标的图像校准惯性测量单元(IMU)的方法和系统。该系统可以包括被配置成测量惯性参数的惯性测量单元(IMU)；耦接到IMU的感测设备，其中感测设备被配置为捕获场景的多个图像，其中，图像取自不同的位置和/或方位，并且每个图像包含与另一图像的至少一个共同校准目标；以及计算机处理器，被配置为：分析所捕获的图像，并基于至少一个共同校准目标，针对每对捕获的图像计算该感测设备相对于该校准目标的位置变化和方位变化；并且基于至少一对图像之间的至少一个相对运动来校准IMU，并将其与IMU在与获取至少一对图像时相同的时间段内的位置上获取的该惯性参数的测量进行比较。根据本专利技术的方法可以以不同的架构实现上述系统。根据本专利技术的实施例的方法的步骤可以包括：经由IMU测量参数；捕获包含至少一个校准目标的场景的多个校准图像，其中校准图像取自不同的位置和/或方位，其中每个校准图像与至少一个其他校准图像共享共同校准目标；基于至少一个共同校准目标，针对捕获校准图像的每个位置，计算感测设备相对于校准目标的位置和方位；并通过将基于所计算的相对位置和方位的两个校准图像之间的相对运动与IMU在对应于至少两个校准图像的时间范围内获取的参数的测量进行比较来校准IMU。附图说明在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求保护被视为本专利技术的主题。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下详细描述，可以最好地理解本专利技术的组织和操作方法以及其目的、特征和优点，其中：图1是示出根据本专利技术实施例的系统的非限制性示例性架构的框图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：惯性测量单元(IMU)，被配置为测量参数；耦接到所述IMU的感测设备，其中，所述感测设备被配置为捕获包含至少一个校准目标的场景的多个校准图像，其中，所述校准图像取自不同的位置和/或方位，其中，所述校准图像中的每一个与至少一个其他校准图像共享至少一个共同校准目标；和计算机处理器，被配置为：基于所述至少一个共同校准目标，针对捕获所述校准图像的每个位置，计算所述感测设备相对于所述校准目标的位置和/或方位；并且通过将基于计算的相对位置或方位的至少一个元素的至少两个校准图像之间的相对运动与所述IMU在对应于所述至少两个校准图像的时间范围内获取的所述参数的测量进行比较来校准所述IMU的至少一个组件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.01 US 15/224,7071.一种系统，包括：惯性测量单元(IMU)，被配置为测量参数；耦接到所述IMU的感测设备，其中，所述感测设备被配置为捕获包含至少一个校准目标的场景的多个校准图像，其中，所述校准图像取自不同的位置和/或方位，其中，所述校准图像中的每一个与至少一个其他校准图像共享至少一个共同校准目标；和计算机处理器，被配置为：基于所述至少一个共同校准目标，针对捕获所述校准图像的每个位置，计算所述感测设备相对于所述校准目标的位置和/或方位；并且通过将基于计算的相对位置或方位的至少一个元素的至少两个校准图像之间的相对运动与所述IMU在对应于所述至少两个校准图像的时间范围内获取的所述参数的测量进行比较来校准所述IMU的至少一个组件。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述校准目标包括不位于公共线上的至少三个地标。3.根据权利要求1所述的系统，还包括：数据库，所述数据库被配置为存储地标的场景内的近端位置，并且其中，所述计算机处理器被配置为使用来自所述数据库的所述近端位置来确定捕获所述图像的相对位置。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参数包括以下中的至少一个：速度、方位、旋转速度、加速度、重力、磁场和总力。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为计算所述感测设备和所述IMU的轴的相对校准。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为计算所述目标在空间中的方位，所述方位包括：相对于地平线的俯仰和滚转。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为基于至少一对图像之间的至少一个相对运动来校准所述感测设备。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感测设备是2D相机。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感测设备是非光学图像捕获设备。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述校准目标包括棋盘图案。11.根据权利要求1所述的系统，还包括：温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述IMU的温度，其中，所述计算机处理器还被配置为获得多个温度水平的校准参数，并且通过寻找最接近的校准工作点并基于所述校准工作点进行工作；以及对至少一些温度校准点进行插值并将校准基于插值曲线中的至少一个来校准所述IMU的所述至少一个组件。12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为基于所述位置、传感器输出和所述校准参数来计算所述图像中的地标的预期位置。13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为测量相对于实际检测位置的位置估计中的误差。14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机处理器还被配置为顺序地修改所述校准参数，以减小误差向量的大小，直到不能进一步减少为止。15.一种方法，包括：经由惯性测量单元(IMU)测量参数；捕获包含至少一个校准目标的场景的多个校准图像，其中，所述校准图像取自不同位置和/或方位，其中，所述校准图像中的每一个与至少一个其他校准图像共享至少一个共同校准目标；基于所述至少一个共同校准目标，针对捕获所述校准图像的每个位置，计算感测设备相对于所述校准目标的位置和/或方位；并且通过将基于计算的相对位置或方位的至少一个元素的至少两个校准图像之间的相对运动与所述IMU在对应于所述至少两个校准图像的时间范围内获取的所述参数的测量进行比较来校准所述IMU的至少一个组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛坦·普洛特，莫蒂·库什尼尔，
申请(专利权)人：无限增强现实以色列有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL