CN101006346A - 一种校准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系的方法和装置，该方法包括：根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；根据所述测量到的输出值，获取该第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。本发明可以迅速、方便和快捷地校准传感器系统中两个以上的运动传感器之间的旋转关系，降低传感器系统的生产工艺要求，减少对精密角度测量仪的依赖。

Description

一种校准的方法和装置

发明领域

本发明涉及一种校准传感器系统的方法和装置，特别是一种校准运动传感器系统的方法和装置。

背景技术

生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。作为信息感知、捕获和探测的窗口，功能各异的传感器在信号探测与信息处理系统中起着极为重要的作用。传感器是能感受(或响应)规定的测量值并按照一定规律将测量值转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由对测量值直接响应的敏感元件和产生信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。

传感器中的运动传感器有自己的坐标系，能将物体的运动信号转换成可检测的电信号，如加速度传感器和陀螺仪传感器。加速度传感器和陀螺仪传感器是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量和运动跟踪常用的测试仪器，特别适合地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量和运动跟踪。

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。加速度传感器的测量输出值是反映加速度的电压值。例如，日本东京Hitachi金属有限公司生产的三维压电电阻加速度传感器，该IC芯片形式的加速度传感器具有检测三个轴向(X、Y和Z轴)加速度的能力。该传感器高度灵敏且抗冲压，同时它是非常小且薄的半导体型三维加速度传感器。更多有关该加速度传感器的信息可以在以下的网站上获得： http://www.hitachimetals.co.jp/e/prod/prod06/p06_10.htm，这些信息通过引用结合在本文中。

陀螺仪传感器是用来将角速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。同样的，陀螺仪传感器的测量输出值是反映角速度的电信号。

为了获得准确的运动轨迹，传感器系统中通常需要使用两个以上的运动传感器，如在三维手写识别系统、惯性测量系统(Inertialmeasurement Unit)、机械臂运动测量系统、航空制导系统以及家电遥控器等系统中，需要两个三维运动传感器感知传感器系统在三维空间中的运动。如果传感器系统中的两个以上运动传感器是同一类型的运动传感器，例如，都是加速度传感器或者陀螺仪传感器，那么有必要校准这两个以上运动传感器的坐标系之间的位置关系，使系统中两个以上的运动传感器的输出值转化到同一个坐标系中，以通过测量这些运动传感器的输出值来跟踪该传感器系统的运动轨迹。

传感器系统中两个运动传感器之间的位置关系包括它们之间的位移关系和旋转关系。两个运动传感器之间的位移关系是由系统电路板的设计构造决定的，通过测量等方式比较容易确定。两个运动传感器之间的旋转关系是指为了使一个传感器的坐标系与另一个传感器的坐标系达到设计要求的旋转角度，如平行，将其中一个传感器的坐标系旋转至另一个传感器坐标系所需的一个特定的角度。现有的确定运动传感器之间的旋转关系的方法有两种：第一种是近似法，即在电路板设计和生产时以近似的方式实现。如在电路板设计时两个以上的传感器平行放置，并在生产时近可能用严格的生产工艺实现两个以上的传感器的坐标系平行没有旋转。这种方法对生产工艺要求非常高。第二种方法是测量法，使用角度测量仪对两个以上的加速度传感器之间的角度进行测量。为了得到准确的测量结果，对角度测量仪的测量精度要求非常高。

因此，需要一种迅速、方便和快捷地校准传感器系统中两个以上的运动传感器之间的旋转关系的方法和装置，降低传感器系统的生产工艺要求，减少对精密角度测量仪的依赖。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系的方法，包括步骤：根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；根据所述测量到的输出值，获取该第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

然而，由于存在系统误差和观测误差，对所述传感器系统进行特定次数的测量，使测量次数大于最少测量次数可以减少系统误差和观测误差对校准的影响，获得更为精确的校准结果。根据本发明的一个实施例，测量次数大于最少测量次数时获取该第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系如下：获得第一运动传感器和第二运动传感器的输出值在一个参考坐标系内的残差，并根据一个优化策略对该残差进行处理来以获取该旋转关系。

本发明的另一个目的是提供一种校准装置，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系，该装置包括：一个确定装置，用于根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；一个测量装置，用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；一个获取装置，用于根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

本发明的另一个目的是提供一种计算机程序产品，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系，该计算机程序包括：代码用于根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；代码用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；代码用于根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

本发明的另一个目的是提供一种运动跟踪系统，用于获得该系统日运动轨迹，至少包括一个第一运动传感器和一个第二运动传感器，还包括一个本发明所述的校准装置，用于校准所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间旋转关系，和一个运动跟踪装置，用于根据所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间旋转关系获得所述第一运动传感器和第二运动传感器的运动轨迹。

通过参考以下结合附图的说明以及权利要求书中的内容，并且随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将变得更加清楚和易于理解。

附图说明

借助示例性的实施例和所附示意图，本发明及其相关的优点将得到进一步阐述，在附图中：

图1示出了按照本发明的一个校准传感器系统中两个运动传感器的旋转关系的方法的流程图；

图2示出了按照本发明的一个校准传感器系统中两个运动传感器的旋转关系的装置的示意图；

图3示出了按照本发明的一个运动跟踪系统示意图。

各附图中相应的特征由相同的标号表示。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的一个校准传感器系统中两个运动传感器的旋转关系的方法的流程图。

在本实施例中，传感器系统中的两个运动传感器都是具有三维坐标系的加速度传感器。假设其中一个加速度传感器为第一传感器，另一个加速度传感器为第二传感器。

首先，确定传感器系统中的两个运动传感器的输出值的特定测量次数(S110)。根据几何学基本原理，如果第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系都是一维坐标系，最少测量一组传感器输出值就能获得两个传感器之间的旋转关系。如果第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系都是二维坐标系，最少测量一组传感器输出值就能获得两个传感器之间的旋转关系。当第一传感器的坐标系和所述第二传感器的坐标系是三维坐标系时，最少测量三组传感器输出值就能获得两个传感器之间的旋转关系。本实施例中，第一传感器的坐标系和所述第二传感器的坐标系是三维坐标系，最小测量次数为3。为了减少系统误差和观测误差，特定测量次数大于3。

其次，测量第一传感器的加速度和第二传感器的加速度(S120)。测量时，使传感器系统的加速度保持不变，即在传感器系统静止或者平行移动时分别测量第一传感器和第二传感器的加速度。让传感器系统平行移动并进行测量比较困难，相比较而言，静止的测量条件比较容易实现，

再次，获得这次测量中第一传感器和第二传感器的加速度在一个参考坐标系内的残差(S130)。在传感器系统静止或平行移动的情况下，第一传感器的加速度和第二传感器的加速度在同一个坐标系内的差值等于零，获取所述坐标系之间旋转关系可以通过计算第一传感器的加速度和第二传感器的加速度在一个参考坐标系内的残差来实现。参考坐标系可以是第一传感器的坐标系，也可以是第二传感器的坐标系，还可以是世界坐标系。在本实施例中，以第一传感器的坐标系为参考坐标系获取两个传感器的加速度的残差。假设a_0，i、a_1，i分别表示第一传感器和第二传感器第i次测量的加速度，则第I次测量第一传感器的加速度和第二传感器的加速度在第一传感器的坐标系内的残差为a_0，i-Ra_1，i。

然后，判断测量次数是否达到特定测量次数(S140)。如果测量次数小于特定的测量次数，则继续测量第一传感器和第二传感器的加速度。每次测量时，使传感器系统处于不同的姿态。如果在传感器系统静止时测量，开始新的一次测量时变换传感器系统的姿态；如果在传感器系统平行移动时测量，每次测量时相对世界坐标系来说，传感器系统的姿态都是不同的。

如果测量次数达到确定的测量次数，则在残差的平方的总和为最小的法则下获取第一传感器和第二传感器坐标系之间的旋转关系(S150)。

假设R为第一传感器和第二传感器系之间旋转关系参数，该参数可以用一个正交参数矩阵来描述。虽然R是一个具有九个变量的3*3的矩阵，但由于R是一个正交参数矩阵，因此，R是一个仅有三个自由度的矩阵。

根据欧拉定理，任何旋转都可以用三个旋转角度来表示，称为欧拉角。第一传感器和第二传感器之间旋转关系也可以用一个欧拉角来表示。根据X轴法则，旋转可以用这样的三个欧拉角(φ，θ，ψ)来表示：第一个旋转角φ是绕着Z轴的旋转角度；第二个旋转角θ∈[0，π]是绕着X轴的旋转角度；第三个旋转角ψ是再一次绕着Z轴的旋转角度。R可以表示为R＝BCD。B、C和D各自为一个旋转矩阵。

由此，B、C和D可以用欧拉角表示为：

$D\≡\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}& 0\\ -\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$C\≡\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

$B\≡\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

用搜索的方法可以找到合适的欧拉角(φ，θ，ψ)，使得两个传感器加速度在第一传感器的坐标系中的残差的平方和最小值。即 $\underset{R}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|a_{0,i}-{\mathrm{Ra}}_{1,i}\left|\right|}^2$ 。获得该欧拉角就可以将第二传感器的坐标系转化到第一传感器的坐标系，也可以将第一传感器的坐标系转化到第二传感器的坐标系，还可以将第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系转化到世界坐标系。总之，获得该欧拉角就可以将第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系转化到同一坐标系中。

上述实施例中，如果第一传感器的坐标系和所述第二传感器的坐标系都是二维坐标系，两个传感器之间的旋转关系也可以用正交参数矩阵R来描述。虽然R是一个具有四个变量的2*2的矩阵，但由于R是一个正交参数矩阵，R是一个仅有一个自由度的矩阵。R可以表示为 $R=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 。测量次数大于1时，根据两个传感器加速度在第一传感器的坐标系中的残差的平方的总和为最小时可以获得更为优化的R的值。

上述实施例中，如果第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系都是一维坐标系，传感器的测量值是它的加速度在坐标系方向上的投影，在同一个加速度之下，两个传感器的测量值成一定的(固定的)比例。假设R为第一传感器的测量值和所述第二传感器的测量值之间比例系数，R为一个实数。假设A₀为测量到的第一传感器的加速度，A₁为测量到的第二传感器的加速度。用矩阵的形式表示如下：

$A_0=\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{0,1}}\\ a_{\mathrm{0,2}}\\ \·\·\·\\ a_{0,n}\end{array}\right],A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{1,1}}\\ a_{\mathrm{1,2}}\\ \·\·\·\\ a_{1,n}\end{array}\right]$ ，其中a_0，i，a_1，i表示两个传感器第i次测量的输出值。

两个传感器加速度在第一传感器的坐标系中的残差的平方的总和为最小的法则下，获取两个传感器之间的旋转关系，即 $\underset{R}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|a_{0,i}-{\mathrm{Ra}}_{1,i}\left|\right|}^2.$

令        E＝A₀-RA₁        (1)，

则问题转化为

由(2)可得，  $\frac{\∂E^{T}E}{\∂R}=0---\left(3\right),$

则 $R=\frac{A_1^T{A}_0}{A_1^T{A}_1}.$

上述实施例中，如果第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系维数不一致，则以两个坐标系维数中小的坐标系维数确定最少测量次数。由于两个传感器的坐标系维数不一致会导致运动检测系统制造成本大大增加，因此，在实际应用中，第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系维数在大多数情况下是一样的。

上述实施例中，如果存在多个运动传感器(运动传感器的数量在三个以上)，则可以以其中一个运动传感器坐标系为基准，使用上述方法分别校准其他各个的运动传感器和这个基准的运动传感器的坐标系之间的旋转关系。这样，多个运动传感器的坐标系的之间的旋转关系就确定了。

图2示出了按照本发明的一个校准传感器系统中两个运动传感器的旋转关系的装置的示意图。本实施例中两个运动传感器都是三维的加速度传感器。该校准装置200包括：一个确定装置210，用于根据所述第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系维数确定最少测量次数；一个测量装置220，用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的加速度，所述特定次数不小于所述最少测量次数；一个获取装置230，用于根据所述测量到的加速度，获取第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

本实施例中，第一传感器的坐标系和第二传感器的坐标系都是三维的，确定装置210确定的最少测量次数为3次。

测量装置220用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的加速度，该加速度是三维的。所述特定次数不小于所述最少测量次数3次，即特定次数等于3次或者大于3次。

当特定测量次数等于3次时，获取装置230根据测量装置220测量到的三组传感器的加速度直接获得第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。如前所述，第一传感器和第二传感器系之间旋转关系可以用三个自由度的正交矩阵来表示，即可以用欧拉角(φ，θ，ψ)来表示。根据测量到的三组第一传感器的加速度和第二传感器的加速度就可以计算出该欧拉角，获得第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系，第一运动传感器的坐标系和和第二运动传感器的坐标系转化到同一坐标系中。

当特定测量次数大于3次时，获取装置230包括一个残差获得装置232和一个优化处理装置234。残差获得装置232用于获得第一传感器的加速度和第二传感器的加速度在一个参考坐标系内的残差。优化处理装置234用于根据一个优化策略对所述残差进行处理，以获取该旋转关系。所述的策略可以是：第一运动传感器和第二运动传感器输出值的残差的平方的总和为最小；第一运动传感器和第二运动传感器输出值的残差的绝对值之和最小；或者第一运动传感器和第二运动传感器输出值的残差的加权和最小。

本发明还可以通过适当编程的计算机来实现，该计算机配备的一个计算机程序能够一种计算机程序产品，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系，该计算机程序包括：代码用于根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；代码用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；代码用于根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。这种计算机程序产品可以存储在一个存储载体上。

这部分程序代码可以提供给处理器，形成一种机器，使得在该处理器上执行的代码产生了实现上述功能的装置。

图3示出了按照本发明的一个运动跟踪系统示意图。运动跟踪系统300，包括两个运动传感器，第一运动传感器310，第二运动传感器311。该系统还包括：一个校准装置200，一个运动跟踪装置400，用于根据所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间旋转关系获得该运动跟踪系统300的运动轨迹。

校准装置200，用于校准所述第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。校准装置200接收第一运动传感器310和第二运动传感器320的输出值，获得这两个月的传感器的旋转关系，并将所获得的旋转关系发送给运动跟踪装置400。

运动跟踪装置400，用于根据所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间旋转关系获得所述第一运动传感器和第二运动传感器的运动轨迹。当校准装置200完成校准后，运动跟踪装置400接收第一运动传感器310和第二运动传感器320的输出值，并根据所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间旋转关系将第一运动传感器和第二运动传感器的输出值转化到同一个坐标系中进行运动跟踪。

应当注意到，上述实施例只是说明性的，而不是限制本发明，本领域中的普通技术人员能够在不偏离所附权利要求书范围的前提下，设计出许多可替代的实施方式。在权利要求书中，括号中的标号不应被解释成限制该权利要求。词“包括”不排除权利要求中没有列出的部件或步骤。在部件前面的词“一个”不排除多个这样的部件的存在。

本发明可以通过包括几个特定部件的硬件来实现，以及通过适当编程的计算机来实现。

Claims (12)

1.一种校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系的方法，包括步骤：

a.根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；

b.对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；

c.根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

2.如权利要求1所述的校准方法，其中所述第一运动传感器的坐标系的维数是一维、二维或者三维中的一种，所述第二运动传感器的坐标系的维数是一维、二维或者三维中的一种。

3.如权利要求1所述的校准方法，其中所述第一运动传感器和所述第二运动传感器是加速度运动传感器。

4.如权利要求1所述的校准方法，其中所述第一运动传感器和所述第二运动传感器是陀螺仪运动传感器。

5.如权利要求1所述的校准方法，其中步骤(b)中每次测量时所述传感器系统的姿态是不同的。

6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的校准方法，其中所述特定次数大于所述最少测量次数，其中步骤(c)包括：

获得所述输出值在一个参考坐标系内的残差；

根据一个优化策略对所述残差进行处理，以获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间的旋转关系。

7.如权利要求6所述的校准方法，其中所述优化策略为所述残差的平方的总和为最小。

8.一种校准装置，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系，包括：

a.一个确定装置，用于根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；

b.一个测量装置，用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；

c.一个获取装置，用于根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

9.如权利要求8中所述的校准装置，其中所述获取装置包括：

一个残差获得装置，用于获得所述输出值在一个参考坐标系内的残差；

一个优化处理装置，用于根据一个优化策略对所述残差进行处理，以获取所述旋转关系。

10.一种计算机程序产品，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间旋转关系，该计算机程序包括：

a.代码用于根据所述第一运动传感器的坐标系的维数和第二运动传感器的坐标系的维数确定一个最少测量次数；

b.代码用于对所述传感器系统进行特定次数的测量，以获得每次测量时所述第一运动传感器和所述第二运动传感器的输出值，所述特定次数不小于所述最少测量次数；

c.代码用于根据所述测量到的输出值，获取所述的第一运动传感器和第二运动传感器之间旋转关系。

11.一种包含了如权利要求10所述的计算机程序产品的存储载体。

12.一种运动跟踪系统，至少包括一个第一运动传感器和一个第二运动传感器，还包括：

一个如权利要求8所述的校准装置，用于校准一个传感器系统中一个第一运动传感器和一个第二运动传感器之间的旋转关系；

一个运动跟踪装置，用于根据所述第一运动传感器的坐标系和所述第二运动传感器的坐标系之间的旋转关系获得传感器系统运动轨迹。

Images