一种基于因子图的IMU误差在线标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，涉及组合导航领域，本发明专利技术将IMU的标度因数误差、安装误差建模到了预积分模型中，并通过基于因子图模型的优化理论将IMU输出的导航信息与其它量测传感器所提供的导航信息相融合。在优化求解后可以得到IMU的误差系数。传统的IMU误差标定方法多为离线标定，并且IMU误差会由于载体运动带来的机械冲击或其它因素而发生变化，从而带来导航精度降低的问题。本发明专利技术能够有效解决因IMU误差发生变化而导致的导航系统精度降低的问题，且可用于多种基于惯性导航的组合导航系统中。

An on-line calibration method of IMU error based on factor graph

【技术实现步骤摘要】
一种基于因子图的IMU误差在线标定方法
本专利技术涉及组合导航领域，尤其涉及了一种基于因子图的IMU误差在线标定方法。
技术介绍
惯性导航系统由于其自主性强、连续性好、稳定性高的优点，以其为主的组合导航系统一直是导航
的研究热点。然而惯性导航系统其本质上属于航位推算系统，存在误差随时间积累的问题。影响导航精度的误差源有很多种，而惯性器件自身的误差如：零偏、标度因数误差、安装误差等对导航精度的影响非常大，需要进行精确的标定。为了得到IMU(Inertialmeasurementunit惯性测量单元)的各种误差系数，目前主要的方法有两种：方法1：利用实验室的高精度双轴转台进行离线标定，将IMU静置在高精度双轴转台上，并对转台施加不同的控制输入，同时采集一段时间的IMU数据，后续通过数据处理手段可得出IMU的各项误差。方法2：利用传统的惯性预积分方法进行在线标定，仅可得出IMU的零偏误差。然而方法1存在的缺点是IMU的各项误差由于随机启动不确定性与标定本身存在的误差使得离线标定结果与实际使用IMU时的误差存在偏差本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，其特征在于，包括：/nS1、采集惯性传感器中加速度计和陀螺仪的测量值，并采用所述测量值对IMU(Inertial measurement unit惯性测量单元)进行预积分传播；/nS2、利用所述测量值计算所述预积分误差传递方程；/nS3、采集并利用其他导航传感器，即视觉图像传感器、GPS接收机、激光雷达的测量值求解惯性预积分误差，并联合其它导航传感器提供的误差项优化求解载体导航信息与IMU误差，循环执行S1-S3。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，其特征在于，包括：
S1、采集惯性传感器中加速度计和陀螺仪的测量值，并采用所述测量值对IMU(Inertialmeasurementunit惯性测量单元)进行预积分传播；
S2、利用所述测量值计算所述预积分误差传递方程；
S3、采集并利用其他导航传感器，即视觉图像传感器、GPS接收机、激光雷达的测量值求解惯性预积分误差，并联合其它导航传感器提供的误差项优化求解载体导航信息与IMU误差，循环执行S1-S3。


2.根据权利要求1所述的一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，其特征在于，在所述S1中，所述预积分传播方法包括：
S11、利用所述测量值计算加速度计与陀螺仪的误差系数矩阵，加速度计与陀螺仪在t时刻的误差系数矩阵分别为：






其中，Ma1、Ma2、Ma3分别表示所述加速度计的X、Y、Z轴的误差系数，Mω1、Mω2、Mω3分别表示所述陀螺仪的X、Y、Z轴的误差系数，表示加速度计X轴与Y轴的安装误差，表示加速度计X轴与Z轴的安装误差，表示加速度计Y轴与Z轴的安装误差；表示陀螺仪X轴与Y轴的安装误差，表示陀螺仪X轴与Z轴的安装误差，表示陀螺仪Y轴与Z轴的安装误差；
所述误差系数矩阵对角线位置上的元素按如下矩阵进行计算：






其中Kax、Kay、Kaz分别表示加速度计的三个轴向的标度因数误差；Kωx、Kωy、Kωz分别表示陀螺仪的三个轴向的标度因数误差；
S12、针对两相邻的IMU采样时刻ti与ti+1，计算ti+1时刻惯性预积分的值，计算公式为：









其中，bk表示初始tk时刻的机体坐标系，分别表示相邻两惯性帧i与i+1的采样时刻ti与ti+1时所述加速度计的测量值，分别表示ti与ti+1时刻所述陀螺仪的测量值，δt表示惯性传感器的采样周期；分别表示ti+1时刻，载体的位置预积分值、速度预积分值与角度预积分值，分别表示ti时刻，载体的位置预积分值、速度预积分值与角度预积分值，为单位四元数；R(γ)表示将四元数转化为旋转矩阵，即表示将四元数所表示的ti时刻载体角度预积分值转化为旋转矩阵，即表示将四元数所表示的ti+1时刻载体角度预积分值转化为旋转矩阵；分别表示ti时刻加速度与陀螺仪的零偏，分别表示ti+1时刻加速度与陀螺仪的零偏，其导数为白噪声；分别表示在ti时刻加速度与陀螺仪的误差系数矩阵，分别表示在ti+1时刻加速度与陀螺仪的误差系数矩阵。


3.根据权利要求1所述的一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，其特征在于，所述S2包括：
S21、计算系统的误差状态转移矩阵Fi与噪声状态转移矩阵Gi：






其中，表示将四元数所表示的ti时刻载体角度预积分值转化为旋转矩阵，表示将四元数所表示的ti+1时刻载体角度预积分值转化为旋转矩阵，I为单位矩阵，δt表示惯性传感器的采样周期，所述误差状态转移矩阵Fi与噪声状态转移矩阵Gi中的部分未具体表示的元素fmn、gmn，其中m、n的取值为正整数，具体如下所示：






























其中，分别表示在ti时刻加速度与陀螺仪的误差系数矩阵，分别表示ti时刻加速度与陀螺仪的零偏，ai与ai+1分别表示ti时刻与ti+1时刻所述加速度计的输出值，ωi与ωi+1分别表示ti时刻与ti+1时刻所述陀螺仪的输出值；
S22、计算相邻两个IMU采样时刻ti与ti+1，系统的误差传递方程、雅可比矩阵与协方差，ti+1时刻的误差传递方程、雅可比矩阵与协方差分别为：
Ai+1＝FiAi+GiN



Pi+1＝FiPiFiT+GiQGiT
其中ti时刻的误差传递方程为Ai，ti时刻的雅可比矩阵为Jibk，ti时刻的协方差为Pi；






其中，N为噪声，表示ti时刻载体的位置预积分误差状态，表示ti时刻载体的角度预积分误差状态，表示ti时刻载体的速度预积分误差状态，分别表示ti时刻载体的加速度计、陀螺仪的零偏误差状态，分别表示ti时刻载体的误差系数矩阵的误差状态；表示ti时刻陀螺仪与加速度计的白噪声，表示ti+1时刻陀螺仪与加速度计的白噪声，表示加速度计零偏白噪声，表示陀螺仪零偏白噪声。


4.根据权利要求1所述的一种基于因子图的IMU误差在线标定方法，其特征在于，在所述S3中，载体导航信息与IMU误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳清，赖际舟，余晓华，吕品，杨子寒，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32