CN106643717A - 一种九轴传感器的性能检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种九轴传感器的性能检测方法和装置，实现了对九轴传感器姿态测量精度的检测。其中，所述方法包括：将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系；将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系，并计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

Description

一种九轴传感器的性能检测方法及装置

技术领域

本发明涉及九轴传感器领域，尤其涉及一种九轴传感器性能检测方法及装置。

背景技术

九轴传感器包括用于检测角速度的三轴陀螺仪、用于检测加速度的三轴加速度传感器和用于检测地磁感应的三轴地磁传感器，每个设备上的三个轴都分别相互垂直。九轴传感器常用于人或物体姿态的检测，应用场景非常广泛，例如在VR(Virtual Reality，虚拟现实)中获取用户的姿态，在航天领域中获取飞行设备的姿态等等。九轴传感器最重要的性能就是姿态的测量精度，如何检测九轴传感器的姿态测量精度是目前需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种九轴传感器性能检测方法及装置，实现对九轴传感器姿态测量精确度的检测。

本发明提供了一种九轴传感器的性能检测方法，所述方法包括：

将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；

获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系，并计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

优选的，所述将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系包括：

获取安装在所述目标对象的九轴传感器分别输出的实际传感器数据；

将所述九轴传感器分别输出的实际传感器数据融合为四元数，所述四元数表达所述目标对象在所述世界坐标系中从原始姿态变换为预设姿态的姿态变换。

优选的，所述获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系包括：

获取所述目标对象在预设平面内的理想旋转角度，所述预设平面对应的坐标系为所述世界坐标系；

所述将所述实际姿态变换数据从机体坐标系映射到所述世界坐标系还包括：

将所述四元数转换为欧拉角，并将所述欧拉角投射到所述世界坐标系中的所述预设平面，得到实际旋转角度；

所述得到所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值包括：

计算所述实际旋转角度与所述理想旋转角度之间的差值。

本发明实施例还提供了一种九轴传感器的性能检测装置，所述装置包括：姿态变换单元、实际数据获取单元、投射单元和计算单元；

其中，所述姿态变换单元，用于将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；

所述实际数据获取单元，用于获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

所述投射单元，用于将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系；

所述计算单元，用于计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

优选的，所述投射单元，具体用于：

获取安装在所述目标对象的九轴传感器分别输出的实际传感器数据；将所述九轴传感器分别输出的实际传感器数据融合为四元数，所述四元数表达所述目标对象在所述世界坐标系中从原始姿态变换为预设姿态的姿态变换。

优选的，所述姿态变换单元，具体用于：

将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取所述目标对象在预设平面内的理想旋转角度，所述预设平面对应的坐标系为所述世界坐标系；

所述投射单元，还具体用于：

将所述四元数转换为欧拉角，并将所述欧拉角投射到所述世界坐标系中的所述预设平面，得到实际旋转角度；

所述计算单元，具体用于：

计算所述实际旋转角度与所述理想旋转角度之间的差值。

本发明通过将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，获取建立在世界坐标系中的理想姿态变换数据，以及根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到的实际姿态变换数据，并将建立在机体坐标系中的所述实际姿态变换数据投射到世界坐标系，得到所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现了对九轴传感器姿态测量精确度的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种九轴传感器的性能检测方法的流程图；

图2为本发明实施例一中机体坐标系的示意图；

图3为本发明实施例一中目标对象在世界坐标系中的预设平面旋转理想旋转角度的示意图；

图4为本发明实施例一中VR Gear中的九轴传感器在不同理想旋转角度下对应的差值柱状图；

图5为本发明实施例二提供的一种九轴传感器的性能检测装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参见图1，该图为本发明实施例一提供的一种九轴传感器的性能检测方法的流程图。

本实施例提供的九轴传感器的性能检测方法包括如下步骤：

步骤S101：将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系。

在本实施例中，涉及两个坐标系，其一为世界坐标系；其二为机体坐标系。

所谓世界坐标系(Global Coordinate System，又称地球表面惯性坐标系等)是系统的参考坐标系，在本实施例中，它是一个三维的坐标系，具有原点O以及X轴、Y轴和Z轴，其中，X轴的正方向通常指向正东方向，Y轴的正方向通常指向正北方向，Z轴的正方向通常指向天空的方向。世界坐标系用于确定目标对象相对于地面的运动状态。

参见图2，所谓机体坐标系(Body Coordinate System)，原定义为固定在飞行器或飞机上的遵循右手法则的三维正交坐标系，具有原点o以及x轴、y轴和z轴。其中，原点o位于飞行器或飞机的重心，x轴的正方向位于飞行器或飞机的参考平面内、且平行于轴线并指向机头前方，y轴的正方向垂直于所述参考平面并指向飞行器或飞机的右方，z轴的正方向位于所述参考平面、垂直于xoy平面，且指向飞行器或飞机的下方。在本实施例中，所述机体坐标系的应用对象不限于飞行器或飞机，可以是任意的目标对象。

在本实施例中，九轴传感器中包括的三轴陀螺仪、三轴加速度传感器以及三轴地磁传感器均建立在机体坐标系之上，但是机体坐标系是随着目标对象的姿态变换而变化的，为了测量九轴传感器的性能，我们需要目标对象的姿态变换从变化的机体坐标系投射到固定的世界坐标系。所述目标对象的姿态是指所述目标对象的空间状态。

那么，首先，我们预先设定所述目标对象在世界坐标系中的理想姿态变换数据，然后将所述目标对象从原始姿态变换为与理想姿态变换数据对应的预设姿态。姿态变换的方式有很多种，但在本发明中，不包括前进、后退、上升、下降等平移的姿态变换，而仅限于绕某个轴旋转，那么所述理想姿态变换数据为表达理想旋转角度的数据，例如欧拉角、四元数、方向余弦等。

假设所述理想姿态变换数据具体为目标对象在世界坐标系中的预设平面旋转理想旋转角度，举个例子，参见图3，假设所述目标对象为线段OA，所述线段OA位于世界坐标系的XOY平面，假设点A的原始坐标为(5,5,0)。那么当所述线段OA绕X轴旋转90度后，变为线段OA’，其中A’的坐标为(5，-5,0)。也就是说，线段OA表示所述目标对象的原始姿势，线段OA’表示所述目标对象的预设姿态，绕X轴旋转90度为理想姿态变换数据。

步骤S102：获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系。

如前文所述，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器。

所谓陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。也就是说，陀螺仪可以检测目标对象在机体坐标系的三轴方向上的角速度。

所谓加速度传感器是一种能够测量目标对象在机体坐标系三轴方向上的加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

所谓地磁传感器，又称罗盘，用于修正因陀螺仪零漂而产生的自旋，即修正陀螺仪在z轴方向的测量数据。

在姿态计算中，最重要的传感器为陀螺仪，加速度传感器和地磁传感器仅起到对陀螺仪的补偿作用。

在本实施例中，获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，也就是所述九轴传感器输出的数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系。

步骤S103：将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系，并计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

由于目标对象在姿态变换的过程中，所述目标对象的各个坐标相对于机体坐标系是没有发生变换的，所以相当于机体坐标系相对于世界坐标系在进行“姿势变换”，因而所述目标对象的实际姿态变换数据实际上为机体坐标系的姿势变换数据。机体坐标系的相对于世界坐标系的姿态变换可以看作是相对于世界坐标系的三个轴分别进行的旋转变换，在数学上，表达这样的旋转变换可以有三种方式：其一为方向余弦，其二为欧拉角，其三为四元数。本实施例中，将所述实际姿态变化数据从机体坐标系投射到世界坐标系，得到投射后的实际姿态变化数据，其实质上是计算所述机体坐标系或目标对象相对于世界坐标系的姿势变换数据，即所述机体坐标系或目标对象在所述世界坐标系中的旋转变换数据。如何将九轴传感器采集的实际姿态变化数据转换为方向余弦、欧拉角或四元数是本领域技术人员公知的内容，本文不再赘述。

在上文中提到，表达旋转变换可以有三种方式：其一为方向余弦，其二为欧拉角，其三为四元数。

方向余弦：在解析几何里，一个向量的三个方向余弦分别是这向量与三个坐标轴之间的角度的余弦。从刚体运动的角度，刚体当前的姿态是以前某一姿态的改变，这种改变称为刚体绕定点O的有限转动。如果认为参考基是刚体的前一个姿态，那么刚体当前的姿态相对于前一个姿态的方向余弦矩阵为Arb。方向余弦计算量、存储大，不适合嵌入式系统。

欧拉角：从所述机体坐标系到所述世界坐标系的变换，可以通过绕不同坐标轴的3次连续转动来实现：绕机体坐标系的z轴转动ψ角，ψ角称为偏航角，ψ∈(-180度，180度)或(0,360度)；绕参考坐标系的y轴转动θ角，θ角称为仰俯角，θ∈(-90度，90度)；绕参考坐标系的x轴转动Ф角，Ф角称为滚转角，Ф∈(-180度，180度)。ψ、θ和Ф角统称为欧拉角。

四元数：所谓四元数，即由四个元构成的数：

Q(q₀,q₁,q₂,q₃)＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k

其中，q₀、q₁、q₂和q₃是实数，i、j和k既是相互正交的单位向量，又是虚单位，因此四元素既可以看做是四维空间中的一个向量，又可以看做是一个超复数。

如上文所述，四元数可以用来表示机体坐标系的相对于世界坐标系的姿态变换，也就是说，四元数可以看做是目标对象从原始姿态绕某个旋转轴旋转某个角度变换为预设姿态，这个旋转轴对应的坐标系为世界坐标系。

具体的，四元数中的各个实数分别为：

q₀＝cos(a/2)；

q₁＝x*sin(a/2)；

q₂＝y*sin(a/2)；

q₃＝z*sin(a/2)；

其中a表示旋转角度，向量u＝(x,y,z)表示单位向量轴，也就是旋转轴。

在实际应用中，可以采用四元数来表达所述机体坐标系或目标对象相对于世界坐标系的姿势变换数据，即理想姿态变换数据和投射后的实际姿态变化数据均以四元数表达，二者相比，就可以得到九轴传感器进行姿态检测的准确度。

虽然四元数非常适合姿态运算，但是并不直观，可操作性不强。本实施例优选将所述理想姿态变换数据设定为将所述目标对象在世界坐标系的预设平面内按照理想旋转角度进行旋转的旋转角度，并将投射后的实际姿态变换数据从四元数转换为欧拉角，然后将欧拉角投射到所述预设平面内，得到实际旋转角度，通过计算实际旋转角度与理想旋转角度之间的差值，若二者之间的差值较大，则认为所述九轴传感器的姿态检测精度较低；若二者之间差距较小，则认为所述九轴传感器的姿态检测精度较高。

将四元数转换为欧拉角的公式如下：

参见表1，该表为对被测的VR Gear中的九轴传感器进行姿态检测准确度的检测结果表。其中，第一排数据表示将所述目标对象在世界坐标系的预设平面内的理想旋转角度，单位为度。第二至六排表示通过九轴传感器得到的实际姿态变化数据投射到所述世界坐标系后得到的四元数，转换为欧拉角，再映射到所述预设平面内的实际旋转角度。一个理想旋转角度对应2-4次实际旋转角度的检测结果。第七排为各个理想旋转角度分别对应的实际旋转角度的均值。第八排为理想旋转角度与实际旋转角度的均值之间的差值。参见图4，该图为VR Gear中的九轴传感器在不同理想旋转角度下对应的差值柱状图。

本实施例通过将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，获取建立在世界坐标系中的理想姿态变换数据，以及根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到的实际姿态变换数据，并将建立在机体坐标系中的所述实际姿态变换数据投射到世界坐标系，得到所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现了对九轴传感器姿态测量精确度的检测。

基于以上实施例提供的一种九轴传感器的性能检测方法，本发明实施例还提供了一种九轴传感器的性能检测装置，下面结合附图来详细说明其工作原理。

实施例二

参见图5，该图为本发明实施例二提供的一种九轴传感器的性能检测装置的结构框图。

本实施例提供的九轴传感器的性能检测装置包括：姿态变换单元101、实际数据获取单元102、投射单元103和计算单元104；

其中，所述姿态变换单元101，用于将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；

所述实际数据获取单元102，用于获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

所述投射单元103，用于将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系；

所述计算单元104，用于计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

本实施例通过将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，获取建立在世界坐标系中的理想姿态变换数据，以及根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到的实际姿态变换数据，并将建立在机体坐标系中的所述实际姿态变换数据投射到世界坐标系，得到所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现了对九轴传感器姿态测量精确度的检测。

可选的，所述投射单元103，具体用于：

获取安装在所述目标对象的九轴传感器分别输出的实际传感器数据；将所述九轴传感器分别输出的实际传感器数据融合为四元数，所述四元数表达所述目标对象在所述世界坐标系中从原始姿态变换为预设姿态的姿态变换。

可选的，所述姿态变换单元101，具体用于：

将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取所述目标对象在预设平面内的理想旋转角度，所述预设平面对应的坐标系为所述世界坐标系；

所述投射单元103，还具体用于：

将所述四元数转换为欧拉角，并将所述欧拉角投射到所述世界坐标系中的所述预设平面，得到实际旋转角度；

所述计算单元104，具体用于：

计算所述实际旋转角度与所述理想旋转角度之间的差值。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory,RAM)等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种九轴传感器的性能检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；

获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系，并计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系包括：

获取安装在所述目标对象的九轴传感器分别输出的实际传感器数据；

将所述九轴传感器分别输出的实际传感器数据融合为四元数，所述四元数表达所述目标对象在所述世界坐标系中从原始姿态变换为预设姿态的姿态变换。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系包括：

获取所述目标对象在预设平面内的理想旋转角度，所述预设平面对应的坐标系为所述世界坐标系；

所述将所述实际姿态变换数据从机体坐标系映射到所述世界坐标系还包括：

将所述四元数转换为欧拉角，并将所述欧拉角投射到所述世界坐标系中的所述预设平面，得到实际旋转角度；

所述得到所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值包括：

计算所述实际旋转角度与所述理想旋转角度之间的差值。

4.一种九轴传感器的性能检测装置，其特征在于，所述装置包括：姿态变换单元、实际数据获取单元、投射单元和计算单元；

其中，所述姿态变换单元，用于将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取理想姿态变换数据，所述理想姿态变换数据对应的坐标系为世界坐标系；

所述实际数据获取单元，用于获取根据安装在所述目标对象上的九轴传感器得到实际姿态变换数据，所述实际姿态变换数据对应的坐标系为机体坐标系，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器；

所述投射单元，用于将所述实际姿态变换数据从机体坐标系投射到所述世界坐标系；

所述计算单元，用于计算所述理想姿态变换数据与所述投射后的实际姿态变换数据之间的差值，实现对所述九轴传感器的性能检测。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述投射单元，具体用于：

获取安装在所述目标对象的九轴传感器分别输出的实际传感器数据；将所述九轴传感器分别输出的实际传感器数据融合为四元数，所述四元数表达所述目标对象在所述世界坐标系中从原始姿态变换为预设姿态的姿态变换。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述姿态变换单元，具体用于：

将目标对象从原始姿态变换为预设姿态，并获取所述目标对象在预设平面内的理想旋转角度，所述预设平面对应的坐标系为所述世界坐标系；

所述投射单元，还具体用于：

将所述四元数转换为欧拉角，并将所述欧拉角投射到所述世界坐标系中的所述预设平面，得到实际旋转角度；

所述计算单元，具体用于：

计算所述实际旋转角度与所述理想旋转角度之间的差值。