CN105371846A - 载体姿态检测方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种载体姿态检测方法及其系统，通过获取测量平台的重力加速度测量值以及瞬时角速度测量值，根据所述瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度，根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。因此，得到的实际重力加速度排除了外力加速度的干扰，得到较准确的载体姿态信息，从而提高检测载体姿态的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及载体姿态领域，特别是一种载体姿态检测方法及其系统。
背景技术
近几年，基于加速度传感器、陀螺仪传感器的载体姿态的应用越来越广泛，比如用于航模四轴飞行器、手持电子稳定器、漂移赛车、手机平板电脑、以及空中鼠标等等。
加速度传感器主要是用来测量其所受到的加速度，然而，在动态测量时，因存在不感测的合外力，因此测量的加速度不够准确。陀螺仪传感器主要是用来测量绕各个轴转动的瞬时旋转角速度，而在静态测量时，因存在零点漂移，因此测量的瞬时旋转角速度不够准确。
通常情况下，传感器位于载体中心位置的检查装置，如图1所示，加速度传感器、陀螺仪传感器安装在靠近载体中心位置且载体平台绕自身旋转的速度很小，所以在以载体为中心进行旋转时，传感器受到的旋转切向加速度(即Y轴方向的加速度)和向心加速度(即X轴方向的加速度)受到干扰很小，对姿态感测的影响可以忽略。但是随着载体姿态的广泛应用，需要将传感器放置在载体非中心位置，如图2所示，且载体平台会以随机的角速度旋转，载体的旋转角速度不变时，传感器位置离载体中心越远，受到切向力(即Y轴方向的外力)和向心力(即X轴方向的外力)就越大，在这些外力作用下产生较大的载体加速度，使得传感器计算出载体上的姿态出现较大的偏差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的传感器检测载体姿态不够准确的问题，本发明提供一种载体姿态检测方法及其系统，能够提高检测载体姿态的准确度。
本发明实施例提供一种载体姿态检测方法，包括:
获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
本发明另一实施例提供一种载体姿态检测系统，包括:
第一获取模块，用于获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
第二获取模块，用于获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
矢量计算模块，用于将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
姿态计算模块，用于根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
从上述本发明的载体姿态检测方法及其系统的实施例可知，通过获取测量平台的重力加速度测量值以及瞬时角速度测量值，根据所述瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度，根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。因此，得到的实际重力加速度排除了外力加速度的干扰，得到较准确的载体姿态信息，从而提高检测载体姿态的准确度。
附图说明
图1为传感器位于载体中心位置的载体姿态检测装置的结构示意图；
图2为传感器位于非载体中心位置的载体姿态检测装置的结构示意图；
图3为一个实施例的载体姿态检测方法的流程示意图；
图4为另一个实施例的载体姿态检测方法的流程示意图；
图5为一个实施例的载体姿态检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
请参阅图3中一个实施例的载体姿态检测方法的流程示意图，主要包括步骤S302至步骤S308，详细说明如下：
S302，获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
本步骤中，所述测量平台包括三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪传感器。其中，三轴加速度传感器主要用于测量载体的三维加速度，三轴陀螺仪传感器主要用于测量载体的三维角速度。
所述获取测量平台的重力加速度测量值，可通过三轴加速度传感器直接获取测量平台加速度的重力加速度分量；所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，即该测量轴与载体运动的半径重合，从而保证该测量轴的加速度矢量运算更加准确；测量平台的另一测量轴垂直于载体，使得后续步骤中根据该测量轴的瞬时角速度，更容易得到载体的瞬时旋转速度。
因此，该步骤保证了载体姿态检测过程中数据获取的准确度和效率。
S304，获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
所述获取测量平台的瞬时角速度测量值，可通过三轴陀螺仪传感器直接获取测量平台的瞬时角速度测量值；通过三轴加速度传感器获得测量平台的三维加速度分量，包括重力加速度、向心加速度以及切向加速度，由于测量平台安装于载体中，测量平台跟随载体的运动而运动，此时三轴加速度传感器的向心加速度分量以及切向加速度分量受到载体运动的影响，而测量的向心加速度测量值等于测量平台的向心加速度与运动载体中测量平台位置处的向心加速度的矢量和，测量的切向加速度测量值等于测量平台的切向加速度与运动载体中测量平台位置处的切向加速度的矢量和，而三轴加速度传感器的重力加速度分量不受载体运动的影响。因此，所述外力加速度为载体中测量平台位置处的向心加速度与切向加速度的矢量和。
请参阅图4中另一个实施例的载体姿态检测方法的流程示意图。
进步一地，所述根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，包括：
S402，根据所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出该测量轴在设定时间内的角速度变化量，由所述角速度变化量得出该测量轴的角加速度；
S404，获取所述测量平台与载体中心点的距离，根据所述距离以及所述角加速度得出当前该测量轴的旋转加速度；
S406，根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度。
根据测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出角速度变化量，从而得到该测量轴的角加速度，根据测量平台与载体中心点的距离、所述角加速度以及加速度计算模型得出当前该测量轴的旋转加速度，再根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的外力加速度，从而得到准确的外力加速度数据，提高载体姿态检测的准确度。
具体地，所述外力加速度可由三轴陀螺仪传感器测量值计算得到，假设三轴陀螺仪传感器的采样周期为T，也即当经过T秒时，三轴陀螺仪传感器更新一次当前测量值，在T秒内，可以知道当前的某测量轴的角速度变化量Δω，进而知道当前该测量轴的角加速度ωa＝Δω/T，获取三轴陀螺仪传感器与载体中心点的距离R，根据加速度计算模型Fa＝R*ωa，得出当前该测量轴的旋转加速度Fa，因此，根据当前各测量轴的旋转加速度Fa得出测量平台的外力加速度。
S306，将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
本步骤中，将S302步骤中获取的所述重力加速度测量值与S304步骤中得到的所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度，亦即载体的所述实际重力加速度不受由于载体运动而产生的向心加速度与切向加速度的影响，所述实际重力加速度更接近真实值，因此，之后的载体检测步骤中，根据所述实际重力加速度计算得到的载体姿态角信息更加准确。
S308，根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
该步骤中，根据从三轴陀螺仪传感器的瞬时角速度测量值得出的载体的角度变化、以及S306步骤中得到的实际重力加速度，对三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器进行数据融合，计算得到较准确的载体姿态信息，
进步一地，所述根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，包括：
对所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值进行角速度积分，得到该测量轴在所述设定时间内的角度变化；
根据各测量轴的角度变化得出载体的角度变化。
本实施例通过对瞬时角速度测量值进行角速度积分，最终得到的载体的角度变化准确度更高。
进步一地，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，包括：
根据所述角度变化、实际重力加速度以及预设的四元数三维转动模型计算得到四元数参数；
根据所述四元数参数以及预设的四元数姿态解算模型计算得到载体姿态信息。
根据所述角度变化、排除了外力加速度干扰的实际重力加速度、四元数三维转动模型以及四元数姿态解算模型得到载体姿态信息，因此，得到较准确的载体姿态信息，进一步提高检测载体姿态的准确度。
其中，所述四元数三维转动模型以及四元数姿态解算模型涉及到大量的三角函数运算，采用查表法计算所述三角函数，大大节省数据融合的计算量，节省计算时间；另外，模型计算过程中会遇到浮点计算，使用Q格式计算方法，将浮点数转为定点数数运算，提高运算效率。
在其中一个实施例中，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，之前包括：
获取前次记录的载体姿态信息对应的实际重力加速度，根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零；
所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，具体为，根据所述角度变化和修正后的实际重力加速度计算载体姿态信息。
本实施例中，通过根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，提高计算载体姿态信息之前参数的准确度，使得后续计算得到的载体姿态信息更加准确；修正使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零，尤其是，本次向心加速度的实际重力加速度分量与前次向心加速度的实际重力加速度分量误差为零、以及本次切向加速度的实际重力加速度分量与前次切向加速度的实际重力加速度分量误差为零，因此，该实施例消除了测量平台的零漂问题，进一步提高载体姿态检测的准确度。
在其中一个实施例中，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，之后包括：
用本次计算出的载体姿态信息更新所述前次记录的载体姿态信息。
本实施例用本次计算出的载体姿态信息更新前次记录的载体姿态信息，提高了根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正的效果，进一步提高消除测量平台零漂问题的准确度。
在其中一个实施例中，所述将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，之前包括：
获取所述重力加速度测量值与所述外力加速度的相位差，若所述相位差大于预设值，则通过一阶低通滤波器调整所述重力加速度测量值的相位，使其与所述外力加速度的相位一致。
本实施例通过一阶低通滤波器调整重力加速度测量值的相位，使其与外力加速度的相位一致，从而保证后续通过重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得到载体的实际重力加速度更接近真实值。
综上所述，上述几个实施例通过获取测量平台的重力加速度测量值以及瞬时角速度测量值，根据所述瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度，根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。因此，得到的实际重力加速度排除了外力加速度的干扰，得到较准确的载体姿态信息，从而提高检测载体姿态的准确度。
本发明还提供一种载体姿态检测系统，如图5所示，包括:
第一获取模块500，用于获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
第二获取模块501，用于获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
矢量计算模块502，用于将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
姿态计算模块503，用于根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
本实施例中，所述第一获取模块500获取测量平台的重力加速度测量值，所述第二获取模块501获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据所述瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，所述矢量计算模块502将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度，姿态计算模块503根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。因此，得到的实际重力加速度排除了外力加速度的干扰，得到较准确的载体姿态信息，从而提高检测载体姿态的准确度。
在其中一个实施例中，所述第二获取模块501包括：
外力加速度计算子模块，用于根据所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出该测量轴在设定时间内的角速度变化量，由所述角速度变化量得出该测量轴的角加速度；获取所述测量平台与载体中心点的距离，根据所述距离以及所述角加速度得出当前该测量轴的旋转加速度；根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度。
所述外力加速度计算子模块根据测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出角速度变化量，从而得到该测量轴的角加速度，根据测量平台与载体中心点的距离、所述角加速度以及加速度计算模型得出当前该测量轴的旋转加速度，再根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的外力加速度，从而得到准确的外力加速度数据，提高载体姿态检测的准确度。
在其中一个实施例中，所述姿态计算模块503包括：
角度变化计算子模块，用于对所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值进行角速度积分，得到该测量轴在所述设定时间内的角度变化；根据各测量轴的角度变化得出载体的角度变化。
所述角度变化计算子模块通过对瞬时角速度测量值进行角速度积分，最终得到的载体的角度变化准确度更高。
在其中一个实施例中，所述姿态计算模块503还包括：
姿态计算子模块，用于根据所述角度变化、实际重力加速度以及预设的四元数三维转动模型计算得到四元数参数；根据所述四元数参数以及预设的四元数姿态解算模型计算得到载体姿态信息。
在其中一个实施例中，所述姿态计算模块503还包括：
修正子模块，用于在根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息之前，获取前次记录的载体姿态信息对应的实际重力加速度，根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零；所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，具体为，根据所述角度变化和修正后的实际重力加速度计算载体姿态信息。
所述修正子模块通过根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，提高计算载体姿态信息之前参数的准确度，使得后续计算得到的载体姿态信息更加准确；修正使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零，尤其是，本次向心加速度的实际重力加速度分量与前次向心加速度的实际重力加速度分量误差为零、以及本次切向加速度的实际重力加速度分量与前次切向加速度的实际重力加速度分量误差为零，因此，该实施例消除了测量平台的零漂问题，进一步提高载体姿态检测的准确度。
在其中一个实施例中，所述姿态计算模块503还包括：
更新子模块，用于在根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息之后，用本次计算出的载体姿态信息更新所述前次记录的载体姿态信息。
所述更新子模块用本次计算出的载体姿态信息更新前次记录的载体姿态信息，提高了根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正的效果，进一步提高消除测量平台零漂问题的准确度。
在其中一个实施例中，所述矢量计算模块502包括：
相位调整子模块，用于在将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算之前，获取所述重力加速度测量值与所述外力加速度的相位差，若所述相位差大于预设值，则通过一阶低通滤波器调整所述重力加速度测量值的相位，使其与所述外力加速度的相位一致。
所述相位调整子模块通过一阶低通滤波器调整重力加速度测量值的相位，使其与外力加速度的相位一致，从而保证后续通过重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得到载体的实际重力加速度更接近真实值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.载体姿态检测方法，其特征在于，包括:
获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
2.根据权利要求1所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度，包括：
根据所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出该测量轴在设定时间内的角速度变化量，由所述角速度变化量得出该测量轴的角加速度；
获取所述测量平台与载体中心点的距离，根据所述距离以及所述角加速度得出当前该测量轴的旋转加速度；
根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度。
3.根据权利要求1所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，包括：
对所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值进行角速度积分，得到该测量轴在所述设定时间内的角度变化；
根据各测量轴的角度变化得出载体的角度变化。
4.根据权利要求1所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，包括：
根据所述角度变化、实际重力加速度以及预设的四元数三维转动模型计算得到四元数参数；
根据所述四元数参数以及预设的四元数姿态解算模型计算得到载体姿态信息。
5.根据权利要求1所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，之前包括：
获取前次记录的载体姿态信息对应的实际重力加速度，根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零；
所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，具体为，根据所述角度变化和修正后的实际重力加速度计算载体姿态信息。
6.根据权利要求5所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，之后包括：
用本次计算出的载体姿态信息更新所述前次记录的载体姿态信息。
7.根据权利要求1所述的载体姿态检测方法，其特征在于，所述将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，之前包括：
获取所述重力加速度测量值与所述外力加速度的相位差，若所述相位差大于预设值，则通过一阶低通滤波器调整所述重力加速度测量值的相位，使其与所述外力加速度的相位一致。
8.载体姿态检测系统，其特征在于，包括:
第一获取模块，用于获取测量平台的重力加速度测量值，所述测量平台安装在载体中，且测量平台的一测量轴指向载体中心点，另一测量轴垂直于载体；
第二获取模块，用于获取测量平台的瞬时角速度测量值，根据瞬时角速度测量值得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度；
矢量计算模块，用于将所述重力加速度测量值与所述外力加速度进行矢量减运算，得出载体的实际重力加速度；
姿态计算模块，用于根据所述瞬时角速度测量值得出载体的角度变化，根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息。
9.根据权利要求8所述的载体姿态检测系统，其特征在于，所述第二获取模块包括：
外力加速度计算子模块，用于根据所述测量平台某测量轴的瞬时角速度测量值得出该测量轴在设定时间内的角速度变化量，由所述角速度变化量得出该测量轴的角加速度；获取所述测量平台与载体中心点的距离，根据所述距离以及所述角加速度得出当前该测量轴的旋转加速度；根据当前各测量轴的旋转加速度得出测量平台的除重力加速度之外的外力加速度。
10.根据权利要求8所述的载体姿态检测系统，其特征在于，所述姿态计算模块还包括：
修正子模块，用于在根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息之前，获取前次记录的载体姿态信息对应的实际重力加速度，根据前次的实际重力加速度对本次的实际重力加速度进行修正，使得本次的实际重力加速度与前次的实际重力加速度误差为零；所述根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息，具体为，根据所述角度变化和修正后的实际重力加速度计算载体姿态信息。
更新子模块，用于在根据所述角度变化和实际重力加速度计算载体姿态信息之后，用本次计算出的载体姿态信息更新所述前次记录的载体姿态信息。
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