CN106767929B - 一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，具体公开了一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法。本修正方法主要用于消除惯性传感器放置在被测对象上时摆放位置错误造成坐标轴偏移而带来的采样误差。本方法使用简单、便捷，不需外加其他设备，成本低廉，可以高精度的修正惯性传感器的坐标轴偏移。

Description

一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法。

背景技术

惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器，惯性传感器包括加速度计和角速度传感器(陀螺仪)以及它们的单、双、三轴组合。现在市面上的惯性传感器大多集成了三轴加速度计以及三轴陀螺仪，通常体积较小，廉价，使用方便，因此被广泛运用于数据测量，特别是航空航天领域以及可穿戴设备领域。通过惯性传感器，可以测量物体的加速度、角速度以及姿态。

但是由于惯性传感器小巧，在制作、焊接的过程中往往会出现坐标轴偏移的情况，在安放在被测对象上时，也往往会由于被测对象表面不平整等因素安放偏离理想位置，因此修正惯性传感器坐标轴对于提高测量精度有着重要意义。目前，现有的矫正传感器坐标轴的方法往往需要外加设备，而且大多数是针对于传感器本身的坐标偏移(即实际坐标系与标注坐标系之间的偏差)进行修正，而往往忽略了传感器安放在被测对象上时因安放不规范而形成的与被测对象的坐标轴之间的偏差。因此，提出一种不需要外加设备的、便捷的、针对安放偏差而修正的方法尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中惯性传感器坐标系偏离被测对象坐标系带来的误差，通过对传感器测量数据的一系列修正，转移传感器的坐标系使其中各坐标轴的方向与被测对象的各坐标轴方向一致，从而使传感器能够正确测量被测对象各坐标轴方向上的数据。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

惯性传感器是指内部含有三轴加速度计、三轴陀螺仪的传感器；

坐标系包括X、Y、Z三个坐标轴，三轴在立体几何空间内互相垂直；

被测对象的坐标系，是指用户想要进行测量的数据的坐标系，通常由使用被测对象的用户进行定义；

X-Y平面是指由X轴和Y轴构成的平面，X-Z平面、Y-Z平面定义类同。

被测对象在X-Y平面内正向旋转是指在此平面内绕其Z轴的正方向旋转，具体方向可由右手螺旋定则判断。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：

一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法，其特征在于，包括以下步骤：在将惯性传感器安放在被测对象上后，首先使被测对象在其X-Y平面内正向旋转，通过传感器测得的各个轴的角速度计算惯性传感器的X、Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，并通过坐标变换将传感器X、Y轴修正至被测对象的X-Y平面内，传感器Z轴修正至被测对象的Z轴方向；其次使被测对象X轴垂直于水平面，利用传感器测得的Y轴加速度计算惯性传感器X轴偏移被测对象X轴的角度，并通过坐标变换将传感器X轴修正至被测对象X轴方向，传感器Y轴修正至被测对象的Y轴方向。

作为一种优选方式，在将惯性传感器安放在被测对象上后，令该被测对象在其X-Y平面内正向旋转，并由此确定该惯性传感器的X、Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度：

式中：为该传感器X轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，为该传感器Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的X轴角速度的平均值，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Y轴角速度的平均值，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Z轴角速度的平均值；

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器X轴修正至被测对象的X-Y平面内，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_x、a_y、a_z为该传感器测量的X、Y、Z轴加速度，a_x1、a_y1、a_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x、ω_y、ω_z为该传感器测量的X、Y、Z轴角速度，ω_x1、ω_y1、ω_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

作为一种优选方式，在将传感器X轴修正至被测对象的X-Y平面内后，传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器Y轴修正至被测对象的X-Y平面内，并同时将传感器Z轴修正至被测对象Z轴方向，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_x2、a_y2、a_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x2、ω_y2、ω_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

作为一种优选方式，还需使被测对象X轴沿着与重力加速度相反的方向放置，利用传感器测得的Y轴加速度计算传感器X轴偏移被测对象X轴的角度：

式中：为传感器X轴偏移被测对象X轴的角度，a_ysz为在被测对象该状态下传感器测得的经过两次修正后的Y轴加速度，g为重力加速度；

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器X轴修正至被测对象的X轴方向，并同时将传感器Y轴修正至被测对象的Y轴方向，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_xc、a_yc、a_zc为传感器的测量数据经该修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_xc、ω_yc、ω_zc为传感器的数据经该修正后得到的X、Y、Z轴角速度；

在后续使用该传感器测量该被测对象运动数据的过程中，a_xc、a_yc、a_zc即分别为该被测对象X、Y、Z轴加速度，ω_xc、ω_yc、ω_zc即为该被测对象X、Y、Z轴角速度。

上述各优选方式中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明相对于现有技术而言，其有益效果是：

1)不需要外加设备，简单便捷，易于推广。

2)可以用于修正传感器安放在被测对象上时因安放不规范而形成的测量误差。

附图说明

图1本发明中被测对象坐标系示意图；

图2本发明中第一次修正坐标系示意图；

图3本发明中第二次修正坐标系示意图；

图4本发明中第三次修正坐标系示意图；

上述图1、2、3、4中：X_S、Y_S、Z_S为被测对象的X、Y、Z坐标轴；x、y、z为传感器实际X、Y、Z坐标轴；x₁、y₁、z₁为经过第一次修正后的传感器坐标轴；x₂、y₂、z₂为经过第二次修正后的传感器坐标轴；x_c、y_c、z_c为最终修正完成的传感器坐标轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

以使用惯性传感器测量人行走时小腿的加速度、角速度为例，本发明具体实施过程如下：

(1)定义被测对象坐标系：

本实施例中，被测对象是小腿，用户定义该小腿坐标系如图1所示。定义该小腿Z轴垂直于矢状面(垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面，人在行走时，小腿主要运动都发生在矢状面内)，定义该小腿X轴为在矢状面内沿着小腿向上的方向，并定义Y轴为垂直于X轴、Z轴构成的平面的方向(即在矢状面内垂直于小腿的方向)。将传感器按照小腿坐标系大致放置小腿上后，肯定会存在一些微小的偏移，因此进行修正。

(2)将传感器X轴修正至被测对象的X-Y平面内：

基于前文定义的小腿坐标系，该小腿的X-Y平面即为矢状面，因而人在行走时，小腿主要运动都发生在X-Y平面内。

检测人体一段行走过程，可以假定该过程小腿仅在X-Y平面内运动，这样小腿仅在其Z轴方向上有角速度，由此可以确定该传感器的X、Y轴实际方向偏离小腿X-Y平面的角度：

式中：为该传感器X轴实际方向偏离该小腿的X-Y平面的角度，为该传感器Y轴实际方向偏离该小腿的X-Y平面的角度，为人体行走过程中，该小腿在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的X轴角速度的平均值，为人体行走过程中，该小腿在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Y轴角速度的平均值，为人体行走过程中，该小腿在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Z轴角速度的平均值。上述各平均值可通过行走过程中，多个待测时段的数据取平均后得到。

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据以坐标变换的形式进行修正，该修正过程可以理解为变换传感器的空间坐标系从而将X轴放置在小腿的X-Y平面内，即以传感器Y轴为旋转轴，通过坐标系在传感器X-Z平面内的旋转将其X轴修正到小腿的X-Y平面内(该过程如图2所示，其中x、y、z为传感器实际坐标轴，x₁、y₁、z₁为经过该修正后的x、y、z坐标轴，另外由于y轴没有被转移，y₁轴与y轴相同)。传感器测量的数据在此过程中对应的修正公式为：

式中：a_x、a_y、a_z为该传感器测量的X、Y、Z轴加速度，a_x1、a_y1、a_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x、ω_y、ω_z为该传感器测量的X、Y、Z轴角速度，ω_x1、ω_y1、ω_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

(3)将传感器Y轴修正至被测对象的X-Y平面内：

在将传感器X轴修正至该小腿的X-Y平面内后，传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器Y轴修正至该小腿的X-Y平面内，具体为在上次修正的基础上，以传感器X轴为旋转轴，通过坐标系在Y-Z平面内的旋转将传感器Y轴修正到矢状面内，使得修正后的传感器X轴、Y轴均在小腿的X-Y平面内(该过程如图3所示，其中x₂、y₂、z₂为经过该修正后的x、y、z坐标轴，另外由于x₁轴没有被转移，x₂轴与x₁轴相同)，因为X、Y、Z三轴存在空间关系(即互相垂直)，所以修正后的传感器Z轴与小腿的X-Y平面垂直，即沿着小腿的Z轴方向。传感器测量的数据在该修正过程中的修正公式为：

式中：a_x2、a_y2、a_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x2、ω_y2、ω_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

(4)将传感器X轴修正至被测对象的X轴方向：

虽然修正过的传感器X、Y轴被转移至被测对象的X-Y平面内，Z轴被转移至垂直于被测对象的X-Y平面的位置，但是在被测对象的X-Y平面内传感器X、Y轴还存在偏移，因此还需要一次修正。需监测人体静止并垂直的站立在水平地面上时的状态，即让该小腿X轴沿着与重力加速度相反的方向放置，利用传感器测得的Y轴加速度计算传感器X轴偏移小腿X轴的角度，即经之前的修正后的传感器X轴与重力加速度相反方向的夹角：

式中：为传感器X轴偏移该小腿X轴的角度，a_ys2为在该小腿该状态下传感器测得的经过之前两次修正后的Y轴加速度，g为重力加速度；

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，具体过程为：以修正后的Z轴为旋转轴，通过坐标系在X-Y平面内的旋转，修正传感器X轴使之沿着小腿X轴的方向，同时由于X、Y轴的空间关系，Y轴将沿着小腿Y轴的方向(该过程如图4所示，其中x_c、y_c、z_c为经过该修正后的x、y、z坐标轴，另外由于z₂轴没有被转移，z_c轴与z₂轴相同)。传感器测量的数据在此修正过程中的修正公式为：

式中：a_xc、a_yc、a_zc为传感器的测量数据经该修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_xc、ω_yc、ω_zc为传感器的数据经该修正后得到的X、Y、Z轴角速度；

在后续使用该传感器测量该被测对象运动数据的过程中，a_xc、a_yc、a_zc即分别为该被测对象X、Y、Z轴加速度，ω_xc、ω_yc、ω_zc即分别为该被测对象X、Y、Z轴角速度。

以上所述的实施例只是本发明的一些较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，当传感器的部分放置角度能够达到准确性要求时，可以仅使用其中的一次或两次修正，或是改变修正顺序、改变旋转的平面等等。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法，其特征在于，包括以下步骤：在将惯性传感器安放在被测对象上后，所述的被测对象为小腿，该小腿Z轴垂直于矢状面，该小腿X轴为在矢状面内沿着小腿向上的方向，Y轴为垂直于X轴、Z轴构成的平面的方向；首先使被测对象在其X-Y平面内正向旋转，通过传感器测得的各个轴的角速度计算惯性传感器的X、Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，并通过坐标变换将传感器X、Y轴修正至被测对象的X-Y平面内，传感器Z轴修正至被测对象的Z轴方向；然后使被测对象X轴沿着与重力加速度相反的方向放置，利用传感器测得的Y轴加速度计算惯性传感器X轴偏移被测对象X轴的角度，并通过坐标变换将传感器X轴修正至被测对象X轴方向，传感器Y轴修正至被测对象的Y轴方向。

2.如权利要求1所述的一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法，其特征在于，在将惯性传感器安放在被测对象上后，令该被测对象在其X-Y平面内正向旋转，并由此确定该惯性传感器的X、Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度：

式中：为该传感器X轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，为该传感器Y轴实际方向偏离被测对象的X-Y平面的角度，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的X轴角速度的平均值，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Y轴角速度的平均值，为被测对象在其X-Y平面内正方向旋转时该传感器测得的Z轴角速度的平均值；

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器X轴修正至被测对象的X-Y平面内，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_x、a_y、a_z为该传感器测量的X、Y、Z轴加速度，a_x1、a_y1、a_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x、ω_y、ω_z为该传感器测量的X、Y、Z轴角速度，ω_x1、ω_y1、ω_z1为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

3.如权利要求2所述的一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法，其特征在于，在将传感器X轴修正至被测对象的X-Y平面内后，传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器Y轴修正至被测对象的X-Y平面内，并同时将传感器Z轴修正至被测对象Z轴方向，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_x2、a_y2、a_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_x2、ω_y2、ω_z2为传感器的测量数据经该次修正后得到的X、Y、Z轴角速度。

4.如权利要求3所述的一种用于修正惯性传感器坐标轴偏移的方法，其特征在于，还需使被测对象X轴沿着与重力加速度相反的方向放置，利用传感器测得的Y轴加速度计算传感器X轴偏移被测对象X轴的角度：

式中：为传感器X轴偏移被测对象X轴的角度，a_ys2为在被测对象该状态下传感器测得的经过两次修正后的Y轴加速度，g为重力加速度；

传感器测得的三轴加速度、三轴角速度数据再次以坐标变换的形式进行修正，通过此次坐标变换将传感器X轴修正至被测对象的X轴方向，并同时将传感器Y轴修正至被测对象的Y轴方向，传感器测量的数据的修正公式为：

式中：a_xc、a_yc、a_zc为传感器的测量数据经该修正后得到的X、Y、Z轴加速度；ω_xc、ω_yc、ω_zc为传感器的数据经该修正后得到的X、Y、Z轴角速度；

在后续使用该传感器测量该被测对象运动数据的过程中，a_xc、a_yc、a_zc即分别为该被测对象X、Y、Z轴加速度，ω_xc、ω_yc、ω_zc即分别为该被测对象X、Y、Z轴角速度。