一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法技术

本发明专利技术涉及一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，属于传感器融合技术领域，包括以下步骤:S1、作业人员穿戴头戴式设备；S2、将光流测距模块1和光流测距模块2所测的数据滤波后得到偏航角角度；S3、对头戴式设备的平移以及复杂运动导致的光流数据变化建立约束方程进行抑制；S4、将步骤S2得到的偏航角角度经步骤S3抑制后与IMU测得的偏航角角度进行融合输出；S5、光流绝对静止时数据不改变，对IMU静止时的磁场变化导致的偏航角数据漂移加以抑制。本发明专利技术提高了数据的精确性。本发明专利技术提高了数据的精确性。本发明专利技术提高了数据的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法


[0001]本专利技术涉及一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，属于传感器融合


技术介绍

[0002]工程机械遥操作技术中，随动云台的远程姿态控制需要作业人员穿戴VR头戴式设备采集头部姿态。当作业人员处于某种狭域环境下，头戴式设备的IMU模块易受到环境因素影响，特别地，外界设备的磁场干扰会导致Z轴的偏航角漂移严重，进而导致传输到现场的数据存在误差。专利201810003966.9提出了一种确定姿态的方法，通过IMU与最近一次设备的姿态确定第一姿态,接下来IMU磁力计的第一磁力向量从存储的姿态映射表中查找第二姿态,基于第一姿态和第二姿态,确定设备当前的姿态，该方法对周围环境磁场的要求比较宽松,但是只是通过IMU获取姿态角，对设备可靠性要求很高。专利202010276652.3提出了一种采用光流测量三维角运动的方法，利用指向不共面的三个及以上的光流传感器，得到对应的x轴、y轴和z轴上对应的角增量比例式，最终得到对应的三维角增量，该方法没有考虑到设备的平移和复杂旋转带来的光流数据变化影响，适用场景较为单一。本专利提出一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，以抑制磁干扰导致的Z轴偏航角偏差，进而提高头部随动控制精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，以克服磁场干扰导致的偏航角数据漂移，提高数据的精确性。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，包括以下步骤:
[0006]S1、作业人员穿戴头戴式设备，所述头戴式设备上安装有光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3，所述光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3均包括光流模块和激光测距模块；
[0007]S2、将所述光流测距模块1和光流测距模块2所测的数据滤波后得到偏航角角度；
[0008]S3、对头戴式设备的平移以及复杂运动导致的光流数据变化建立约束方程进行抑制；
[0009]S4、将步骤S2得到的偏航角角度经步骤S3抑制后与IMU测得的偏航角角度进行融合输出；
[0010]S5、光流绝对静止时数据不改变，对IMU静止时的磁场变化导致的偏航角数据漂移加以抑制。
[0011]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述头戴式设备包括外部头盔、嵌入外部头盔内部的主控芯片、外部头盔顶部的9轴IMU模块、光照强度传感器和三个光流测距模块，所述三个光流测距模块分别安装在外部头盔的右、前、上侧，两两正交且中心共面，分别为光
流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3。
[0012]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2的具体步骤为：
[0013]根据ΔT
s
时间内光流测距模块1和光流测距模块2的X轴方向镜头内像素变化量得到X轴方向角速度变化量δω1和δω2，取二者均值，并对角速度积分得到角度变化量δθ
i
，对角度变化量累积再进行坐标转换，把光流模块得到自身坐标系下的角度转换到地理坐标系下，得到Yaw
OF
：
[0014][0015]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3的具体操作步骤为：
[0016]假设光流模块的坐标系与设备机体坐标系对齐，光流模块的视场角为θ，视场平面对应的像素总数为N
P
，那么光流模块经过采样时间ΔT
s
得到的X轴和Y轴方向上像素个数变化量(dx,dy)与角速度(w
x
,w
y
)的关系为：
[0017][0018]得到
[0019][0020]其中，N
P
会随着光流模块到物体距离L的改变而发生变化，由三角形相似原理得到二者的关系为：
[0021][0022]其中，N
x
为摄像头固定视野内像素个数，f为镜头焦距，由具体传感器的参数而定；代入得到：
[0023][0024]而光流模块像素变化与线速度的关系与采样时间ΔT
s
的关系为：
[0025]k
v
＝ΔT
s
[0026]从而得到光流模块的特定系数K
w
K
v
，建立头戴式设备全对称坐标系，把设备旋转某个角度方向的速度分解为v
x
和v
y
，根据右手定则得到整体的约束方程：
[0027][0028]式中dx1、dy1、dx2、dy2、dx3、dy3分别为光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3经过采样时间ΔT
s
得到的X轴和Y轴方向上各自像素个数变化量，X轴和Y轴角速度可由IMU数据获得，且误差较小可信度高，故求解方程得到三轴线速度与Z轴角速度，判断出光流数据变化是否由平移导致，进而加以约束。
[0029]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4的具体步骤为：
[0030]①
当IMU中的磁力计测得外界磁场强度不超过设定的阈值K
mag
且磁场强度变化小时，采用光流模块输出的偏航角；当光照强度传感器测得光照强度超过设定的下限值K
of
且光照强度变化小，采用IMU输出的偏航角；
[0031]②
当IMU与光流输出的偏航角均可信，此时把数据融合以降低误差，利用卡尔曼滤波原理融合，建立方程：
[0032]Z
k
＝Z1+K
k
(Z2‑
Z1)
[0033]令Z1为IMU测得的角度数据，Z2为光流模块测得的角度数据，目的是求K
k
使得估计值的标准最少，具体为求出估计值方差的最小值，对K
k
求导，然后令它为0，求得极值，得到卡尔曼增益，然后计算估计值，最后更新—下估计值的方差，循环迭代。
[0034]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S5的具体步骤为：
[0035]Yaw＝K
OF
*Z1+Z2[0036]当设备运动时，光流数据变化，K
OF
为1，输出的偏航角为IMU与光流模块融合输出的结果，此时姿态角角度会随着设备的动作不断变化；
[0037]当设备停止运动时,此时光流数据不变化，K
OF
为0，从而可用光流输出的数据判断设备是否动作，进而消去因磁场干扰导致IMU输出的偏航角角度的漂移。
[0038]由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术效果有：
[0039]本专利技术利用两个光流模块采集数据的均值输出Z轴偏航角角速度，对角速度积分并且滤波后获得偏航角角度，与IMU输出的偏航角根据不同的现场环境进行分时复用或者融合输出，同时针对设备的平移以及复杂运动导致的光流数据误差，建立了约束方程进行抑制，最后提出利用光流绝对静止时数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，其特征在于：包括以下步骤:S1、作业人员穿戴头戴式设备，所述头戴式设备上安装有光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3，所述光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3均包括光流模块和激光测距模块；S2、将所述光流测距模块1和光流测距模块2所测的数据滤波后得到偏航角角度；S3、对头戴式设备的平移以及复杂运动导致的光流数据变化建立约束方程进行抑制；S4、将步骤S2得到的偏航角角度经步骤S3抑制后与IMU测得的偏航角角度进行融合输出；S5、光流绝对静止时数据不改变，对IMU静止时的磁场变化导致的偏航角数据漂移加以抑制。2.根据权利要求1所述的一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，其特征在于：所述头戴式设备包括外部头盔、嵌入外部头盔内部的主控芯片、外部头盔顶部的9轴IMU模块、光照强度传感器和三个光流测距模块，所述三个光流测距模块分别安装在外部头盔的右、前、上侧，两两正交且中心共面，分别为光流测距模块1、光流测距模块2和光流测距模块3。3.根据权利要求1所述的一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤为：根据ΔT
s
时间内光流测距模块1和光流测距模块2的X轴方向镜头内像素变化量得到X轴方向角速度变化量δω1和δω2，取二者均值，并对角速度积分得到角度变化量δθ
i
，对角度变化量累积再进行坐标转换，把光流模块得到自身坐标系下的角度转换到地理坐标系下，得到Yaw
OF
：4.根据权利要求1所述的一种头戴式设备的抗磁干扰相对偏航角自检测方法，其特征在于：所述步骤S3的具体操作步骤为：假设光流模块的坐标系与设备机体坐标系对齐，光流模块的视场角为θ，视场平面对应的像素总数为N
P
，那么光流模块经过采样时间ΔT
s
得到的X轴和Y轴方向上像素个数变化量(dx,dy)与角速度(w
x
,w
y
)的关系为：得到其中，N
P
会随着光流模块到物体距离L的改变而发生变化，由三角形相似原理得到二者的关系为：
其中，N
x
为摄像头固定视野内像素个数，f为镜头焦距，由具体传感器的参数而定；代入得到：而光流模块像素变化与线速度的关系与采样时间ΔT
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广磊，秦庆旭，丁伟利，华长春，穆殿瑞，贺龙，王志越，唐玉聪，任岚森，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：