CN104596517A - 基于多平移信息的 vps/imu 组合导航数据的空间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，具体包括如下步骤，1、设置VPS系统中世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并以左手和右手坐标系规则建立世界坐标系v和当地地理坐标系n；2、对实验体进行至少四次平移，分别测量实验体在v系和n系下的位移，建立对应平移次数的投影等式方程；3、对由投影等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在v系和n系下投影的等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值；4、由变换矩阵的值得到变换矩阵不能满足单位正交化的条件；5、将单位正交后的矩阵代入投影等式方程，得到平移矢量；由平移矢量得到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

Description

基于多平移信息的 VPS/IMU 组合导航数据的空间同步方法

技术领域

本发明涉及多导航传感器空间同步技术，具体为基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法。

背景技术

随着技术的发展，不同导航设备之间的组合导航不断完善，使得组合导航结果精度更高，鲁棒性更好，因此多导航传感器之间的组合得到广泛的实际应用，尤其在地面机器人的导航，航天器交会对接近程操作等领域。

IMU是一种利用加速度计和陀螺仪测得载体的加速度和角速度，通过导航解算求得载体即时位姿信息的导航设备，是一种自主式的导航设备。IMU在工作时既不向外发射、也不接受外界任何电磁波信号。因此，它具有自主、隐蔽、实时及不受地域、时间和气候条件限制的特点，能够方便的提供载体的六自由度信息，因此得到广泛的应用。但由于陀螺仪和加速度计本身存在漂移，长时间使用IMU会得到与真实值偏差较大的结果。所以IMU在短期内精度较高，长期精度较低，可以使用一种与IMU特性互补的传感器对其长期漂移进行校正。CCD相机因其具有测量范围广、精度高，设备体积小、质量轻、功耗低等优点，并且误差不会随着时间的推移而递增，所以成为与IMU进行组合导航的理想传感器。

但是，IMU一般使用的是当地地理坐标系，与CCD相机设置的世界坐标系并不统一，在实际应用时，需要通过坐标变换得到当地地理坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵和平移矢量。理论上设置两个坐标系重合可以简化计算过程。但在工程实际应用中，两者往往并不能够设置为重合，而且现有技术中采用的直接测量两者之间的旋转角和平移距离得到的结果并不精确，而且非常的复杂，无法满足组合导航数据的空间同步中对其转换精度和转换速度的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过对实验模型多次平移运动对世界坐标系与当地地理坐标系进行空间同步的，基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，对实验体进行至少四次平移运动，在每次的平移矢量均不平行的前提下，通过数据拟合得到世界坐标系和当地地理系的变换矩阵和平移矢量，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

优选的，本发明具体包括如下步骤，

步骤1，设置VPS系统中CCD相机的世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并以左手坐标系规则建立世界坐标系v，以右手坐标系规则建立当地地理坐标系n；

步骤2，对实验体进行至少四次平移运动，分别测量实验体在v系和n系下的位移，建立对应平移次数的投影等式方程；

步骤3，对由步骤2得到的等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在v系和n系下投影的等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值；

步骤4，由变换矩阵的值得到变换矩阵不能满足单位正交化的条件，在进行坐标变换前应对做单位正交化处理；

步骤5，将单位正交后的矩阵代入投影等式方程，得到平移矢量；由平移矢量得到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

进一步，步骤2中，所述的投影等式方程如下，

$r^v=C_n^v{r}^n+r_{o_v{o}_n}^v;$

其中，r^v为实验体在v系中的投影坐标，rⁿ为试验体在n系中的投影坐标，为变换矩阵，为平移矢量。

进一步，进行四次平移后，得到的变换矩阵如下，

$C_v^n={\left[\begin{array}{c}{(r_1^n-r_2^n)}^T\\ {(r_3^n-r_4^n)}^T\\ {((r_1^n-r_2^n)\×(r_3^n-r_4^n))}^T\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{(r_1^v-r_2^v)}^T\\ {(r_3^v-r_4^v)}^T\\ {((r_1^v-r_2^v)\×(r_3^v-r_4^v))}^T\end{array}\right],$

其中，r₁、r₂、r₃、r₄分别为四次平移对应的平移矢量，v和n的角标分别表示对应矢量在v系和n系中的投影。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明首先定义世界坐标系和当地地理坐标系，得到实验模型在两个坐标系中的位移，然后经过多次平移运动得到多个等式方程，通过一系列的公式推导得到变换矩阵和平移矢量的最终结果；能够在对CCD相机设置的世界坐标系和惯性导航系统设置的当地地理坐标系之间的转换关系中，直接测量两坐标系三轴间角度和原点距离不精确的情况下，通过多次简单的平移运动，得到相关数据后，通过数据拟合方法得到两者之间精确的坐标系转换关系，方便简单，快速准确。

附图说明

图1为本发明实例中所述的实验体四次平移的轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，具体如下。

VPS能够在一定范围内精确测量出实验体的位置，其输出的位置信息是在定义的VPS世界坐标系下的投影，该坐标系记为v系，而IMU输出的信息是在当地地理系下的，即东北天坐标系n，该坐标系记为n系。v系与n系的原点之间存在一个平移矢量，坐标轴的指向也存在一定的夹角关系。

某个位置矢量在v系的投影与在n系的投影存在投影等式方程，其关系如下：

$r^v=C_n^v{r}^n+r_{o_v{o}_n}^v---\left(1\right)$

本发明的方法要求四个位移矢量线性无关，并且它们的差矢量也线性无关，因此简单设计平移轨迹如图1所示，实验模型在O点初始对准结束后从O点按照ABCD的顺序运动到D点，并记录四点的位置数据r₁、r₂、r₃、r₄。

对实验体按照图1设计的轨迹进行四次平移运动，得到四个等式方程，通过对方程进行数学推导可得变换矩阵为

$C_v^n={\left[\begin{array}{c}{(r_1^n-r_2^n)}^T\\ {(r_3^n-r_4^n)}^T\\ {((r_1^n-r_2^n)\×(r_3^n-r_4^n))}^T\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{(r_1^v-r_2^v)}^T\\ {(r_3^v-r_4^v)}^T\\ {((r_1^v-r_2^v)\×(r_3^v-r_4^v))}^T\end{array}\right]---\left(2\right)$

根据公式(2)求得的变换矩阵一般不能满足单位正交化的条件，在进行坐标变换前应对做单位正交化处理。

最后将单位正交后的矩阵代入投影等式方程中，得到平移矢量。因此得到变换矩阵和平移矢量完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

Claims (4)

1.基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，其特征在于，对实验体进行至少四次平移运动，在每次的平移矢量均不平行的前提下，通过数据拟合得到世界坐标系和当地地理系的变换矩阵和平移矢量，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

2.根据权利要求1所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，其特征在于，具体包括如下步骤，

步骤1，设置VPS系统中CCD相机的世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并以左手坐标系规则建立世界坐标系v，以右手坐标系规则建立当地地理坐标系n；

步骤2，对实验体进行至少四次平移运动，分别测量实验体在v系和n系下的位移，建立对应平移次数的投影等式方程；

步骤3，对由步骤2得到的等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在v系和n系下投影的等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值；

步骤4，由变换矩阵的值得到变换矩阵不能满足单位正交化的条件，在进行坐标变换前对做单位正交化处理；

步骤5，将单位正交后的矩阵代入投影等式方程，得到平移矢量由平移矢量得到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。

3.根据权利要求2所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，其特征在于，步骤2中，所述的投影等式方程如下，

$r^v=C_n^v{r}^n+r_{o_v{o}_n}^v;$

其中，r^v为实验体在v系中的投影坐标，rⁿ为试验体在n系中的投影坐标，为变换矩阵，为平移矢量。

4.根据权利要求2所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，其特征在于，进行四次平移后，得到的变换矩阵如下，

$C_v^n={\left[\begin{array}{c}{(r_1^n-r_2^n)}^T\\ {(r_3^n-r_4^n)}^T\\ {((r_1^n-r_2^n)\×(r_3^n-r_4^n))}^T\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{(r_1^v-r_2^v)}^T\\ {(r_3^v-r_4^v)}^T\\ {((r_1^v-r_2^v)\×(r_3^v-r_4^v))}^T\end{array}\right],$

其中，r₁、r₂、r₃、r₄分别为四次平移对应的平移矢量，v和n的角标分别表示对应矢量在v系和n系中的投影。