基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统技术方案

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。本发明专利技术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。

Inertial Measurement Unit Calibration System Based on High Precision Motion Capture System

An inertial measurement unit calibration system based on high precision motion capture system includes data acquisition module, attitude factor module, speed factor module and position factor module. Data acquisition module collects position information and attitude information from motion capture system, acceleration and angular velocity information from inertial measurement unit, and phase of attitude factor module and data acquisition module. The attitude factors are optimized to calculate the gyroscope bias parameters of the inertial measurement unit and the relative rotation between multiple coordinate systems; the velocity factor module is connected with the data acquisition module and the attitude factor module respectively, and the zero bias parameters of the accelerometer are estimated according to the gyroscope bias parameters, the relative rotation between coordinate systems, the position information and the attitude information; and the position factor module is separately used to estimate the accelerometer bias parameters. Connected with the data acquisition module and the speed factor module, and calculated the speed factor module according to the position information and attitude information. The parameters are further optimized and the calibration results are output. The method uses a high-precision motion capture system for calibration, which can be conveniently used in the existing data acquisition process without special operation and provides an open source data set of truth data (position and attitude), and achieves high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术在标定时无需特殊操作，进行正常的数据采集流程即可。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：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。所述的速度因子模块包括：速度变化计算单元、加速度积分单元和速度残差优化单元，其中：速度变化计算单元与数据获取模块相连用以使用高精度动作捕捉系统输出的两个时刻的位置信息，计算物体的速度变化量；加速度积分单元与数据获取模块相连并对IMU输出的加速度信息进行积分，输出IMU物体的速度变化量；速度残差优化单元分别与速度变化计算单元、加速度积分单元和姿态因子模块相连并对速度变化计算单元、加速度积分单元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加速度计的零偏、动作捕获系统的体坐标系与IMU之间的平移参数，以及动作捕获系统的参考系与惯性系之间的旋转参数。所述的位置因子模块包括：位置变化计算单元、位置积分单元和位置残差优化单元，其中：位置变化计算单元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位置信息，计算物体的位置变化量；位置积分单元与数据获取模块相连并对IMU输出的加速度信息进行二重积分，输出IMU物体的位置变化量；位置残差优化单元分别与位置变化计算单元、位置积分单元和速度因子模块相连并对位置变化计算单元、位置积分单元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、加速度计的零偏参数，动作捕捉系统的体坐标系与IMU之间的旋转和平移，以及动作捕获系统的参考系与惯性系之间的旋转参数。所述的位置因子模块进行进一步的优化是指：使用姿态因子模块、速度因子模块，已经可以估计出所有的待估计参数，在这个结果的基础上，添加相对位置的约束项，通过最小化位置残差，进一步地提高参数估计的精度。技术效果与现有技术相比，本专利技术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。本专利技术具有多段、全局式的优化方法，能够达到很高的精度。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术数据获取模块的结构示意图；图3为本专利技术姿态因子模块的结构示意图；图4为本专利技术速度因子模块的结构示意图；图5为本专利技术位置因子模块的结构示意图；图中：数据获取模块1、姿态因子模块2、速度因子模块3、位置因子模块4、输出模块5、高精度动作数据采集模块6、三轴加速度计7、三轴陀螺仪8、时间同步模块9、姿态变化计算模块10、角速度积分模块11、姿态残差优化模块12、速度变化计算单元13、加速度积分单元14、速度残差优化单元15、位置变化计算单元16、位置积分单元17、位置残差优化单元18。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及的一种基于高精度动作捕捉系统的惯性单元标定系统，包括：数据获取模块1、姿态因子模块2、速度因子模块3、位置因子模块4和输出模块5，其中：数据获取模块1用以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2与数据获取模块1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3分别与数据获取模块1和姿态因子模块2相连并对姿态因子模块2输出的陀螺仪零偏参数和坐标系间的相对旋转和数据获取模块1输出的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4分别与数据获取模块1和速度因子模块3相连，采用数据获取模块3输出的位置信息和姿态信息，对速度因子模块3计算得到的参数进行进一步的优化；输出模块5与位置因子模块4相连并接收标定结果并显示在设备上。所述的数据获取模块1包括：高精度动作数据采集模块6、三轴加速度计7、三轴陀螺仪8和时间同步模块9，其中：高精度动作数据采集模块6与时间同步模块9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7和三轴陀螺仪8分别与时间同步模块9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9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。所述的高精度动数据采集模块6采用ROS系统进行通信用于采集Vicon光学动作捕捉系统的数据；三轴加速度计7与三轴陀螺仪8使用了载体为一架F330四旋翼无人机的继承芯片MPU6050。所述的高精度动作数据采集模块6的标记球均匀贴放在载体上，采样频率不低于100Hz。所述的姿态因子模块2包括：姿态变化计算模块10、角速度积分模块11和姿态残差优化模块12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于高精度动作捕捉系统的惯性测量单元标定系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，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。3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，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。4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的IMU输出的角速度信息包含通过最小化残差获取准确的参数零偏参数的信息，具体通过以下步骤得到：1)使用陀螺仪测量得到的角速度计算的相对姿态变化量：2)根据Vicon直接测量出k和k+1时刻姿态：3)采用Levenberg-Marquardt方法最小化姿态残差估计陀螺仪的零偏参数和传感器之间的相对旋转：其中：代表由a坐标系到b坐标系的操作，可以是旋转、平移等，具体的代表由k时刻IMU的体坐标系到世界系w的旋转，q代表旋转采用了四元数的形式，代表k时刻和k+1时刻之间的IMU坐标系的相对姿态变化量，通过角速度积分得到，为IMU的角速度测量值，下标m代表其为测量值，t代表测量值是时变的，为陀螺仪的零偏参数，下标g代表陀螺仪，t表示零偏是时变的，为通过Vicon测量值得到的到k时刻的IMU的姿态信息，并且隐含了两个传感器的相关旋转信息，其中，为Vicon的测量值，为Vicon标记球和IMU安装坐标系的相对旋转；所述的残差计算是指：即IMU计算得到的旋转与Vicon测量得到的旋转之间的差值，通过四元数的乘法来表述。5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的速度因子模块包括：速度变化计算单元、加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹丹平，王兆圣，郁文贤，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31