CN107356786B - 加速度计的校准方法和装置、计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加速度计的校准方法和装置，涉及信息处理技术领域。该校准方法包括：以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程；在无校准误差的情况下，根据校准值与重力加速度之间的关系以及校准方程，建立加速度计的测量误差方程；根据测量误差方程确定校准目标函数；根据校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定校准参数的值。该校准方法和装置能够在低成本条件下简捷地实现加速度计校准。

Description

加速度计的校准方法和装置、计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及信息处理技术领域，特别涉及一种加速度计的校准方法和装置、计算机可读存储介质。
背景技术
加速度计作为常用的速度传感器被广泛应用于导航、控制等各大领域。但是，加速度计作为一种惯性传感器具有零偏误差，因此在使用加速度计检测目标加速度之前需要对零偏误差进行校准。
三轴转台能够模拟飞行器的各种姿态角运动，复现其运动时的各种动力学特性。因此，现有技术大都借助三轴转台对加速度计的零偏误差进行校准。
发明内容
本发明的发明人发现上述现有技术中存在如下问题：三轴转台造价高昂而且操作复杂，需要专业人士进行操作，大大增加了使用加速度计的资金成本和人工成本。针对上述问题中的至少一个问题，本发明人提出了解决方案。
本发明的一个目的是提供一种加速度计的校准技术方案，能够在低成本条件下简捷地实现加速度计校准。
根据本发明的一个实施例，提供了一种加速度计的校准方法，包括：以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据所述加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程；在无校准误差的情况下，根据所述校准值与重力加速度之间的关系以及所述校准方程，建立所述加速度计的测量误差方程；根据所述测量误差方程确定校准目标函数；根据所述校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定所述校准参数的值。
可选地，利用所述加速度计进行预定数量次的测量，将得到的所述预定数量的测量值分别代入所述测量误差方程，得到所述预定数量的测量误差表达式，将所述预定数量的测量误差表达式的平方和作为所述校准目标函数。
可选地，分别以所述加速度计的6个面作为底面将所述加速度计安装于待检测目标上，对所述待检测目标进行测量以获得6个测量值。
可选地，将自变量为所述测量值，因变量为所述校准值，斜率为所述比例误差，截距为所述零偏误差的一次函数作为所述校准方程。
可选地，以所述加速度计的所述零偏误差和所述比例误差为变量，计算所述校准目标函数的雅可比矩阵；根据所述校准目标函数的雅可比矩阵确定所述校准目标函数的所述一阶梯度表达式和所述二阶梯度表达式。
根据本发明的另一个实施例，提供一种加速度计的校准装置，包括：校准模型建立模块，用于以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据所述加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程，在无校准误差的情况下，根据所述校准值与重力加速度之间的关系以及所述校准方程，建立所述加速度计的测量误差方程；校准参数值确定模块，用于根据所述测量误差方程确定校准目标函数，根据所述校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定所述校准参数的值。
可选地，所述校准参数值确定模块将所述加速度计进行预定数量次的测量得到的所述预定数量的测量值分别代入所述测量误差方程，得到所述预定数量的测量误差表达式，将所述预定数量的测量误差表达式的平方和作为所述校准目标函数。
可选地，分别以所述加速度计的6个面作为底面将所述加速度计安装于待检测目标上，对所述待检测目标进行测量以获得6个测量值
可选地，所述校准模型建立模块将自变量为所述测量值，因变量为所述校准值，斜率为所述比例误差，截距为所述零偏误差的一次函数确定为所述校准方程。
可选地，所述校准参数值确定模块以所述加速度计的所述零偏误差和所述比例误差为变量，计算所述校准目标函数的雅可比矩阵，根据所述校准目标函数的雅可比矩阵确定所述校准目标函数的所述一阶梯度表达式和所述二阶梯度表达式。
根据本发明的又一个实施例，提供一种加速度计的校准装置，包括：存储器以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器装置中的指令，执行上述任一个实施例所述的加速度计的校准方法。
根据本发明的再一个实施例，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一个实施例所述的加速度计的校准方法。
本发明的一个优点在于，以加速度计的比例误差和零偏误差为校准参数，根据校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立的牛顿迭代公式进行迭代，加快了迭代收敛速度，得到了校准参数值，从而能够在低成本条件下简捷地实现加速度计的校准。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1示出本发明的加速度计的校准方法的一个实施例的流程图。
图2示出本发明的加速度计的校准方法的另一个实施例的流程图。
图3示出本发明的加速度计的校准装置的一个实施例的结构图。
图4示出本发明的加速度计的校准装置的另一个实施例的结构图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出本发明的加速度计的校准方法的一个实施例的流程图。
如图1所示，在步骤101中，以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程。
在一个实施例中，将自变量为测量值Am，因变量为校准值Ac，斜率为比例误差K，截距为零偏误差B的一次函数作为校准方程。例如，可以确定校准方程为Ac＝K(Am-B)。
在步骤102中，在无校准误差的情况下，根据校准值与重力加速度之间的关系以及校准方程，建立加速度计的测量误差方程。
例如，在无校准误差的情况下，不考虑环境因素的影响，其中Acx、Acy和Acz分别为三轴加速度的校正值，g为重力加速度。结合校准方程可以确定测量误差方程为
Figure BDA0001365224150000051
其中Amzk、Amyk和Amzk分别为第k次测量的三轴加速度测量值，ek(P)为第k次测量的测量误差，P为校准参数向量
P＝[Dx，Dy，Dz，Bx，By，Bz]T
其中Dx＝Kx/g，Dy＝Ky/g，Dz＝Kz/g，Kx、Kx和Kx分别为加速度计三轴比例误差，Bx、By和Bz分别为加速度计三轴零偏误差。
在步骤103中，根据测量误差方程确定校准目标函数。
在一个实施例中，如图2所示，在步骤201中，利用加速度计进行预定数量次的测量。在步骤202中，将得到的预定数量的测量值分别代入测量误差方程，得到预定数量的测量误差表达式。在步骤203中，将预定数量的测量误差表达式的平方和作为校准目标函数。
例如，分别以加速度计的6个面作为底面将加速度计安装于待检测目标上，对待检测目标进行测量以获得6个测量值。可以确定校准目标函数为
Figure BDA0001365224150000052
其中E(P)＝[e1(P)，e2(P)，e3(P)，e4(P)，e5(P)，e6(P)]。
在步骤104中，根据校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定校准参数的值。
在一个实施例中，以加速度计的零偏误差和比例误差为变量，计算校准目标函数的雅可比矩阵。根据校准目标函数的雅可比矩阵确定校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式。
例如，通过计算可得校准目标函数为f(P)的雅可比矩阵为J(f(P))，则f(P)的一阶梯度表达式为
Figure BDA0001365224150000053
f(P)的二阶梯度表达式为
由于
Figure BDA0001365224150000055
可以确定f(P)的二阶梯度表达式为
Figure BDA0001365224150000061
进一步可以确定牛顿迭代公式为
Pt和Pt+1分别为t时刻和t+1时刻的校准参数向量。α为调节迭代收敛速度的系数，例如可以设定α＝1。牛顿迭代初始值可以设定为
P0＝[0，0，0，1/g，1/g，1/g]T
迭代终止条件可以设定为
Figure BDA0001365224150000063
其中Dx|t、Dy|t、Dz|t、Dx|t+1、Dy|t+1和Dz|t+1分别为三个轴向上的第t次和第t+1次的迭代结果。ε为正常数，例如可以设定ε＝1E-9。
上述实施例中，与传统的牛顿迭代法不同，该实施例以校准目标函数的一阶梯度和二阶梯度作为牛顿迭代公式中的修正量，计算得出了加速度计的校正参数的值。从而在保证了一定的校正精度的前提下，加快了迭代收敛速度，能够在低成本条件下简捷地实现加速度计的校准。
图3示出本发明的加速度计的校准装置的一个实施例的结构图。
如图3所示，该装置包括校准模型建立模块31和校准参数确定模块32。
校准模型建立模块31以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程，在无校准误差的情况下，根据校准值与重力加速度之间的关系以及校准方程，建立加速度计的测量误差方程。例如，校准模型建立模块31将自变量为测量值，因变量为校准值，斜率为比例误差，截距为零偏误差的一次函数确定为校准方程。
校准参数值确定模块32根据测量误差方程确定校准目标函数，根据校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定校准参数的值。例如，校准参数值确定模块32以加速度计的零偏误差和比例误差为变量，计算校准目标函数的雅可比矩阵，根据校准目标函数的雅可比矩阵确定校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式
在一个实施例中，分别以加速度计的6个面作为底面将加速度计安装于待检测目标上，对待检测目标进行测量以获得6个测量值；校准参数值确定模块32将6个测量值分别代入测量误差方程，得到6个测量误差表达式，将6个测量误差表达式的平方和作为校准目标函数。
上述实施例中，通过分别测试加速度计6个面的测量情况，采用牛顿迭代法对加速度计的总体误差进行校准，从而在保证一定校准精度的前提下，降低了加速度计校准的成本。
图4示出本发明的加速度计的校准装置的另一个实施例的结构图。
如图4所示，该实施例的装置40包括：存储器41以及耦接至该存储器41的处理器42，处理器42被配置为基于存储在存储器41中的指令，执行本发明中任意一个实施例中的加速度计的校准方法。
其中，存储器41例如可以包括系统存储器、固定非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)、数据库以及其他程序等。
本领域内的技术人员应当明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用非瞬时性存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
至此，已经详细描述了根据本发明的加速度计的校准方法、装置和计算机可读存储介质。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种加速度计的校准方法，包括：
以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据所述加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程；
在无校准误差的情况下，根据所述校准值与重力加速度之间的关系以及所述校准方程，建立所述加速度计的测量误差方程；
根据所述测量误差方程确定校准目标函数；
根据所述校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定所述校准参数的值；
其中，所述牛顿迭代法的终止条件为：
Figure FDA0002225092050000011
Dx|t、Dy|t、Dz|t、Dx|t+1、Dy|t+1和Dz|t+1分别为三个轴向上与所述比例误差相关的第t次和第t+1次的迭代结果，ε为正常数。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其中所述确定校准目标函数包括：
利用所述加速度计进行预定数量次的测量，将得到的所述预定数量的测量值分别代入所述测量误差方程，得到所述预定数量的测量误差表达式，将所述预定数量的测量误差表达式的平方和作为所述校准目标函数。
3.根据权利要求1或2所述的校准方法，其中，所述测量值通过如下方式获得：
分别以所述加速度计的6个面作为底面将所述加速度计安装于待检测目标上，对所述待检测目标进行测量以获得6个测量值。
4.根据权利要求1所述的校准方法，其中所述建立校准方程包括：
将自变量为所述测量值，因变量为所述校准值，斜率为所述比例误差，截距为所述零偏误差的一次函数作为所述校准方程。
5.根据权利要求1所述的校准方法，其中包括通过如下方式获得所述一阶梯度表达式和所述二阶梯度表达式：
以所述加速度计的所述零偏误差和所述比例误差为变量，计算所述校准目标函数的雅可比矩阵；
根据所述校准目标函数的雅可比矩阵确定所述校准目标函数的所述一阶梯度表达式和所述二阶梯度表达式。
6.一种加速度计的校准装置，包括：
校准模型建立模块，用于
以加速度计的零偏误差和比例误差为校准参数，根据所述加速度计的测量值与校准值之间的关系建立校准方程，以及
在无校准误差的情况下，根据所述校准值与重力加速度之间的关系以及所述校准方程，建立所述加速度计的测量误差方程；校准参数值确定模块，用于
根据所述测量误差方程确定校准目标函数，以及
根据所述校准目标函数的一阶梯度表达式和二阶梯度表达式建立牛顿迭代公式，并通过牛顿迭代法确定所述校准参数的值，其中，所述牛顿迭代法的终止条件为：
Figure FDA0002225092050000021
Dx|t、Dy|t、Dz|t、Dx|t+1、Dy|t+1和Dz|t+1分别为三个轴向上与所述比例误差相关的第t次和第t+1次的迭代结果，ε为正常数。
7.根据权利要求6所述的校准装置，其中，
所述校准参数值确定模块将所述加速度计进行预定数量次的测量得到的所述预定数量的测量值分别代入所述测量误差方程，得到所述预定数量的测量误差表达式，将所述预定数量的测量误差表达式的平方和作为所述校准目标函数。
8.根据权利要求6或7所述的校准装置，其中，所述测量值通过如下方式获得：
分别以所述加速度计的6个面作为底面将所述加速度计安装于待检测目标上，对所述待检测目标进行测量以获得6个测量值。
9.根据权利要求6所述的校准装置，其中，
所述校准模型建立模块将自变量为所述测量值，因变量为所述校准值，斜率为所述比例误差，截距为所述零偏误差的一次函数确定为所述校准方程。
10.根据权利要求6所述的校准装置，其中，
所述校准参数值确定模块以所述加速度计的所述零偏误差和所述比例误差为变量，计算所述校准目标函数的雅可比矩阵，根据所述校准目标函数的雅可比矩阵确定所述校准目标函数的所述一阶梯度表达式和所述二阶梯度表达式。
11.一种加速度计的校准装置，包括：
存储器；以及
耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1-5中任一项所述的加速度计的校准方法。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的加速度计的校准方法。
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