磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质，本发明专利技术方法包括控制磁传感器和角速度传感器执行多次转动，采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值；对当前的姿态变换矩阵进行正交化处理；通过获取每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量，并使用当前的姿态变换矩阵估计姿态变换矩阵计算误差，若计算误差小于设定值则输出当前的姿态变换矩阵，否则基于姿态变换矩阵计算误差更新当前的姿态变换矩阵，返回继续迭代。本发明专利技术能够实现精确的磁传感器和角速度传感器联合标定，且联合标定中数据采集与校准同步实现，实时性高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质


[0001]本专利技术涉及惯性测量、惯性导航
，具体涉及一种磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]载体的姿态测量技术在军用、民用等众多领域中被广泛应用。其中，基于微机电系统（Micro
‑
Electro
‑
MechanicalSystem, 简称MEMS）惯性/磁传感器组合，包括 MEMS 三轴加速度传感器、MEMS 三轴陀螺仪传感器和 MEMS 三轴磁力传感器，因低成本、小体积、低功耗的显著优点而备受青睐。MEMS惯性/磁传感器构成的航姿参考系统（Attitude andHeading Reference System, 简称AHRS），能够方便可靠地提供载体的姿态信息。将多个AHRS安装于人体，形成可穿戴的人体运动捕获系统，通过一个中心控制单元，将采集到的姿态数据无线发送至电脑端，由电脑进行复杂的数据计算处理后得到各个肢体在三维空间的方向角等方位信息，可以实时获取人体运动数据。
[0003]因存在固有的原始性数据测量误差，会直接影响 AHRS 对载体姿态的测量精度。为实现三维空间人体运动捕获系统的技术支撑，实现随时随地对人体任意肢体的运动捕获分析，满足更为广泛的应用领域中不同对象的定位或捕获需要，需要有效地提高MEMS 惯性/磁传感器的测量精度，对 MEMS 惯性/磁传感器进行误差校准，改善其性能。 AHRS的校准可具体分为自主校准方法和非自主校准方法两类。自主校准是指无需外部设备（如高精度转台等）辅助的校准方法，具体而言，就是无需外部的参考基准，仅仅依靠算法本身的特性和可利用的内部的姿态参考基准来实现对传感器的误差校准，该方法成本相对较低。而非自主校准则是需要借助外部设备辅助，通过外部提供的姿态参考基准来进行误差校准，该方法成本较高。在传感器误差校准的过程当中，首先需要根据器件的特性分析误差来源，建立误差模型，然后采集足够多有效的数据样本集合，最后通过合适的数学方法确定或者估计出误差模型里面的各项误差参数。
[0004]目前，国内外对于惯性传感器和磁传感器的校准多采用高精度转台等精密仪器的外部设备来提供参考基准的非自主校准方法。由于成本较高，这里不再赘述。自主校准方法，主要有椭球拟合法、点积不变法、极大值极小值法等。由于民用和商用其具有低成本的这个显著要求，所以对 MEMS 惯性/磁传感器进行误差校准的方法在达到校准效果的同时也要尽可能满足低成本的要求，这就要求寻找更简捷而有效的校准方法，同时对投入的设备成本也尽可能要低。
[0005]传感器的校准误差包括生产阶段的非正交误差、灵敏度误差和零偏误差，各传感器安装阶段的非对准误差和测试阶段的外界干扰产生的误差。现有的自主校准方法，大多只考虑了磁传感器的非正交误差、灵敏度误差和零偏误差和外部环境干扰因素，忽略了磁传感器和惯性传感器之间的非对准误差。此外，考虑非对准误差的公开技术，采用加速度计和磁传感器结合校准，受加速度计精度的影响，校准精度有限。因此，如何同时满足低成本、高精度、实时可靠的要求下实现载体姿态测量误差校准这一项关键技术，仍有待挖掘新的
方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种磁传感器和角速度传感器联合标定的方法、系统及介质，本专利技术能够实现精确的磁传感器和角速度传感器联合标定，且联合标定中数据采集与校准同步实现，实时性高。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，包括：S101，控制磁传感器和角速度传感器执行多次转动，获取每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量，并采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值；S102，对当前的姿态变换矩阵进行正交化处理；S103，基于当前的姿态变换矩阵，利用每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量，估计姿态变换矩阵计算误差；S104，判断姿态变换矩阵计算误差小于设定值是否成立，若成立则将当前的姿态变换矩阵输出，退出；否则基于姿态变换矩阵计算误差更新当前的姿态变换矩阵，跳转步骤S102继续迭代。
[0008]可选地，步骤S101中采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值包括：S201，分别根据每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量计算本次转动的磁矢量叉积以及参数矩阵；S202，根据每一次转动的磁矢量叉积以及参数矩阵，采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值。
[0009]可选地，步骤S201中磁矢量叉积以及参数矩阵的计算函数表达式为：，，上式中，表示任意第次转动的磁矢量叉积，、和分别为转动前姿态
的修正误差后的磁传感器测量值，、和分别为转动后姿态的修正误差后的磁传感器测量值；表示任意第次转动的参数矩阵，、和分别为转动前后的角增量的三轴分量。
[0010]可选地，步骤S202中采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的函数表达式为：，上式中，、、、、、、、、分别为姿态变换矩阵的九个参数，表示任意第次转动的参数矩阵，表示任意第次转动得的磁矢量叉积，且姿态变换矩阵的函数表达式为：。
[0011]可选地，步骤S103中使用当前的姿态变换矩阵估计姿态变换矩阵计算误差包括：S301，使用当前的姿态变换矩阵计算本次迭代的磁矢量叉积；，，，上式中，表示第次迭代的磁矢量叉积，、以及为转换到陀螺坐标系下的本次转动前姿态的修正误差后的磁传感器测量值的三轴分量，、以及为转换到陀螺坐标系下的本次转动后姿态的修正误差后的磁传感器测量值的三轴分量，为当前姿态变换矩阵的转置；、和为本次转动前姿态的修正误差后的磁传感器测量值的三轴分量，、和为本次转动后姿态的修正误差后的磁传感器测量值的三轴分量；并根据下式计算本次迭代的参数矩阵：
，上式中，表示第次迭代的参数矩阵，～为系数；且有：，，上式中，、、、、、、、、为当前的姿态变换矩阵的参数；S302，根据所有次迭代的磁矢量叉积和参数矩阵，采用最小二乘法估计根据下式估计姿态变换矩阵计算误差：，上式中，～分别为第1～n+1次迭代的磁矢量叉积，～分别为第1～n+1次迭代的参数矩阵，、和分别为姿态变换矩阵计算误差的三轴分量。
[0012]可选地，步骤S104中基于姿态变换矩阵计算误差更新当前的姿态变换矩阵是指将当前的姿态变换矩阵乘以一个基于姿态变换矩阵计算误差得到的变化量，且有：，上式中，、和分别为姿态变换矩阵计算误差的三轴分量，、和分别表示当前的姿态变换矩阵中的单位向量。
[0013]可选地，所述修正误差后的磁传感器测量值的计算函数表达式为：，上式中，为修正误差后的磁传感器测量值，分别为的三轴分量，为灵敏度系数矩阵，为磁传感器测量值，分别为的三轴分量，为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，其特征在于，包括：S101，控制磁传感器和角速度传感器执行多次转动，获取每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量，并采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值；S102，对当前的姿态变换矩阵进行正交化处理；S103，基于当前的姿态变换矩阵，利用每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量，估计姿态变换矩阵计算误差；S104，判断姿态变换矩阵计算误差小于设定值是否成立，若成立则将当前的姿态变换矩阵输出，退出；否则基于姿态变换矩阵计算误差更新当前的姿态变换矩阵，跳转步骤S102继续迭代。2.根据权利要求1所述的磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，其特征在于，步骤S101中采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值包括：S201，分别根据每一次转动前后两个姿态的修正误差后的磁传感器测量值以及角增量计算本次转动的磁矢量叉积以及参数矩阵；S202，根据每一次转动的磁矢量叉积以及参数矩阵，采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的初值。3.根据权利要求2所述的磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，其特征在于，步骤S201中磁矢量叉积以及参数矩阵的计算函数表达式为：，，上式中，表示任意第次转动的磁矢量叉积，、和分别为转动前姿态的修正误差后的磁传感器测量值，、和分别为转动后姿态的修正误差后的磁传感器测量值；表示任意第次转动的参数矩阵，、和分别为转动前后的角增量的三轴分量。
4.根据权利要求2所述的磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，其特征在于，步骤S202中采用最小二乘法估计磁传感器的磁敏感坐标系到角速度传感器的陀螺坐标系之间的姿态变换矩阵的函数表达式为：，上式中，、、、、、、、、分别为姿态变换矩阵的九个参数，表示任意第次转动的参数矩阵，表示任意第次转动得的磁矢量叉积，且姿态变换矩阵的函数表达式为：。5.根据权利要求1所述的磁传感器和角速度传感器联合标定的方法，其特征在于，步骤S103中使用当前的姿态变换矩阵估计姿态变换矩阵计算误差包括：S301，使用当前的姿态变换矩阵计算本次迭代的磁矢量叉积；，，，上式中，表示第次迭代的磁矢量叉积，、以及为转换到陀螺坐标系下的本次转动前姿态的修正误差后的磁传感器测量值的三轴分量，、以...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，王飞，卢广锋，王凡，王晓飞，
申请(专利权)人：湖南二零八先进科技有限公司，
类型：发明
国别省市：