CN107664498A - 一种姿态融合解算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及姿态解算领域，公开了一种姿态融合解算方法及系统，通过获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。本发明具有较高的姿态估算精度，快速性好，对系统负载较低，具较高的工程实用价值。

Description

一种姿态融合解算方法及系统
技术领域
本发明涉及姿态解算领域，尤其涉及一种姿态融合解算方法及系统。
背景技术
随着VR的不断发展，对于姿态的需求，也日趋强烈，如果没有姿态信息，头戴式显示设备将无法驱动；如果没有姿态，所有的VR交互将无法正常使用。姿态角由航向角，翻滚角和俯仰角组成。
现有的姿态结算算法，多采用单个传感器进行姿态角估计，这样存在较大误差，例如：加速度计测量值包含振动噪声和运动加速度会影响姿态解算效果。
发明内容
本发明提供一种姿态融合解算方法及系统，解决现有技术中单个传感器进行姿态角估计，存在较大误差的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种姿态融合解算方法，包括：
获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
一种姿态融合解算系统，包括：
获取模块，用于获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
标定模块，用于对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
第一计算模块，用于利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
第二计算模块，用于利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
融合解算模块，用于对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
本发明提供一种姿态融合解算方法及系统，通过获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。本发明具有较高的姿态估算精度，快速性好，对系统负载较低，具较高的工程实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种姿态融合解算方法流程图；
图2为本发明实施例的一种姿态融合解算系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种姿态融合解算方法，包括：
步骤101、获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
步骤102、对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
步骤103、利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
步骤104、利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
步骤105、对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
其中，步骤101与步骤102之间，包括：
对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行低通滤波，以滤除高频噪声。
步骤103具体还可以包括：
步骤103-1、计算重力场、磁场误差向量||F||下降最快的方向时的单位四元数梯度其中，J是F关于向量加速度计和磁力计输出向量ab、mb的雅克比行列式；
其中，经过单位规范化后的加速度计、磁力计测量数据分别为ab＝[0 ax ay az]T，mb＝[0 mx my mz]T，Jg，Jm分别是F关于ab，，mb的雅可比行列式，F为误差向量矩阵。
步骤103-2、根据姿态四元数的迭代方程，计算姿态更新四元数，其中，姿态四元数的迭代方程为其中，
步骤104具体还可以包括：
步骤104-1、获取上一时间的姿态和速度的解算结果；
步骤104-2、根据四阶龙格库塔法方程组，对上一时间的姿态和速度的解算结果进行计算，以获得当前的姿态和速度的解算结果。
步骤105具体可以包括：
步骤105-1、获取加速度计和磁力计测量数据基于梯度下降法得到的姿态角估计；
步骤105-2、获取陀螺仪经过校正补偿后的角速率；
步骤105-3、根据互补滤波融合后的姿态估计，对所述姿态角估计及校正补偿后的角速率进行计算，以获得姿态解算结果。
其中，ωcor为陀螺仪经过校正补偿后的角速率，θa，m为加速度计和磁力计测量数据基于梯度下降法得到的姿态角估计，K值的大小主要根据无人机的飞行状态来变化。
本发明基于梯度下降法、四阶龙格库塔法和互补滤波相结合的混合滤波算法，加速度计和磁力计测量数据，经过梯度下降算法处理后，反馈到参数可调的四元数与陀螺仪的输出进行互补滤波，完成对陀螺漂移校正，进而获得高精度的姿态信息。
本发明提供一种姿态融合解算方法及系统，通过获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。本发明具有较高的姿态估算精度，快速性好，对系统负载较低，具较高的工程实用价值。
本发明实施例还提供了一种姿态融合解算系统，如图2所示，包括：
获取模块210，用于获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
标定模块220，用于对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
第一计算模块230，用于利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
第二计算模块240，用于利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
融合解算模块250，用于对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
其中，，还包括滤波模块260，用于对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定步骤之前，对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行低通滤波，以滤除高频噪声。
所述第一计算模块230包括：
处理单元231，计算重力场、磁场误差向量||F||下降最快的方向时的单位四元数梯度其中，是F关于向量加速度计和磁力计输出向量ab、mb的雅克比行列式；
执行单元232，根据姿态四元数的迭代方程，计算姿态更新四元数，其中，姿态四元数的迭代方程为其中，
所述第二计算模块240包括：
存储单元241，用于获取上一时间的姿态和速度的解算结果；
解算单元242，用于根据四阶龙格库塔法方程组，对上一时间的姿态和速度的解算结果进行计算，以获得当前的姿态和速度的解算结果。
所述融合解算模块250包括：
第一输入单元251，用于获取加速度计和磁力计测量数据基于梯度下降法得到的姿态角估计；
第二输入单元252，用于获取陀螺仪经过校正补偿后的角速率；
互补解算单元253，用于根据互补滤波融合后的姿态估计，对所述姿态角估计及校正补偿后的角速率进行计算，以获得姿态解算结果。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种姿态融合解算方法，其特征在于，包括：
获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
2.根据权利要求1所述的姿态融合解算方法，其特征在于，所述对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定步骤之前，包括：
对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行低通滤波，以滤除高频噪声。
3.根据权利要求1所述的姿态融合解算方法，其特征在于，所述利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数的步骤，包括：
计算重力场、磁场误差向量||F||下降最快的方向时的单位四元数梯度其中，J是F关于向量加速度计和磁力计输出向量ab、mb的雅克比行列式；
根据姿态四元数的迭代方程，计算姿态更新四元数，其中，姿态四元数的迭代方程为其中，
4.根据权利要求1所述的姿态融合解算方法，其特征在于，所述利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程的步骤，包括：
获取上一时间的姿态和速度的解算结果；
根据四阶龙格库塔法方程组，对上一时间的姿态和速度的解算结果进行计算，以获得当前的姿态和速度的解算结果。
5.根据权利要求1所述的姿态融合解算方法，其特征在于，所述对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算的步骤，包括：
获取加速度计和磁力计测量数据基于梯度下降法得到的姿态角估计；
获取陀螺仪经过校正补偿后的角速率；
根据互补滤波融合后的姿态估计，对所述姿态角估计及校正补偿后的角速率进行计算，以获得姿态解算结果。
6.一种姿态融合解算系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据；
标定模块，用于对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定；
第一计算模块，用于利用梯度下降算法对所述加速度计、所述磁力计采集的测量数据进行处理，以获得姿态更新四元数；
第二计算模块，用于利用四阶龙格库塔法，求解基于陀螺仪输出的姿态四元数的微分方程，以获得姿态量测数据；
融合解算模块，用于对所述加速度计和磁力计的姿态更新四元数和陀螺仪输出的姿态量测数据进行互补滤波，以进行融合姿态解算。
7.根据权利要求6所述的姿态融合解算系统，其特征在于，还包括滤波模块，用于对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行标定步骤之前，对所述加速度计、磁力计、陀螺仪的测量数据进行低通滤波，以滤除高频噪声。
8.根据权利要求6所述的姿态融合解算系统，其特征在于，所述第一计算模块包括：
处理单元，计算重力场、磁场误差向量||F||下降最快的方向时的单位四元数梯度其中，J是F关于向量加速度计和磁力计输出向量ab、mb的雅克比行列式；
执行单元，根据姿态四元数的迭代方程，计算姿态更新四元数，其中，姿态四元数的迭代方程为其中，
9.根据权利要求6所述的姿态融合解算系统，其特征在于，所述第二计算模块包括：
存储单元，用于获取上一时间的姿态和速度的解算结果；
解算单元，用于根据四阶龙格库塔法方程组，对上一时间的姿态和速度的解算结果进行计算，以获得当前的姿态和速度的解算结果。
10.根据权利要求6所述的姿态融合解算系统，其特征在于，所述融合解算模块包括：
第一输入单元，用于获取加速度计和磁力计测量数据基于梯度下降法得到的姿态角估计；
第二输入单元，用于获取陀螺仪经过校正补偿后的角速率；
互补解算单元，用于根据互补滤波融合后的姿态估计，对所述姿态角估计及校正补偿后的角速率进行计算，以获得姿态解算结果。
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