CN107883979B - 用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统 - Google Patents

用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统 Download PDF

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CN107883979B CN201610873386.6A CN201610873386A CN107883979B CN 107883979 B CN107883979 B CN 107883979B CN 201610873386 A CN201610873386 A CN 201610873386A CN 107883979 B CN107883979 B CN 107883979B
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Abstract

本申请提供了一种用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统，其中该方法包括获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；获取该加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角；以及利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。

Description

用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统
技术领域
本申请涉及多传感器数据融合领域，具体涉及用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统、及动作捕获系统。
背景技术
随着计算机技术及信息技术的飞速发展，市场需求对测量装置的测量成本在不断压缩的同时，对测量精度的要求也在不断提高，因此将成本较低的不同传感器进行组合，通过融合算法获得较高精度的测量结果，越来越多的受到人们的重视，并取得了飞速的发展。
多传感器数据融合系统中，首先要解决的问题就是将各传感器测量值统一到同一空间参考点，也即同一参考坐标系。坐标系统一的过程也即空间对准，空间对准是传感器融合的基础，也是影响融合精度的重要因素。不同传感器之间的空间对准可根据所用传感器的输出特性采用不同的对准方式。
现有的包括惯性测量单元(IMU)与光学标记块的组合系统的标定技术需借助外部标定设备(如位置台)进行标定。然而，标定过程较为繁琐。具体地，标定过程包括：首先将位置台置于光学覆盖范围内，然后再将所需的标定载体放置在位置台上，通过六位置翻转，即X轴、Y轴、Z轴分别指天、指地一定时间，最后经过数据后处理，标定出光学标记块与IMU之间的安装误差角。
发明内容
本申请的目的在于提出用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统、及动作捕获系统，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
根据本申请的第一方面，提供了一种用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法，其可包括：获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角；以及利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
根据本申请的实施方式，获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影的步骤包括：获取该加速度在进行了第一定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；获取该加速度在进行了第二定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取该加速度在进行了第三定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影，其中进行了第一定位的第一坐标系的坐标轴、进行了第二定位的第一坐标系的对应坐标轴、以及进行了第三定位的第一坐标系的对应坐标轴彼此不平行。
根据本申请的实施方式，获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影的步骤包括：获取该加速度在进行了第一定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；获取该加速度在进行了第二定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取该加速度在进行了第三定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。
根据本申请的实施方式，惯性传感器坐标系通过惯性测量单元建立，以及获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影的步骤包括：通过惯性测量单元获取加速度在惯性传感器坐标系的各坐标轴上的第一组投影。
根据本申请的实施方式，参考坐标系通过固定在惯性测量单元周围的光学标记点来建立，以及获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影的步骤包括：通过识别光学标记点的位置获取加速度在参考坐标系的各坐标轴上的第二组投影。
根据本申请的实施方式，上述的加速度为重力加速度，以及第一组投影为在静态情况下重力加速度在第一坐标系的各坐标轴上的投影，并且第二组投影为在静态情况下重力加速度在第二坐标系的各坐标轴上的投影。
根据本申请的实施方式，根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角的步骤包括：基于第一组投影和第二组投影，得到从第一坐标系至所述第二坐标系的转换矩阵或从第二坐标系至第一坐标系的转换矩阵；以及利用转换矩阵估计出惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角。
根据本申请的实施方式，该方法还包括：对估计出的误差角进行滤波处理以优化误差角。
根据本申请的第二方面，提供了一种用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的系统，其可包括：惯性传感器模块，用于建立惯性传感器坐标系；参考坐标系模块，相对于惯性传感器模块被固定并且用于建立参考坐标系；第一获取模块，用于获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；第二获取模块，用于获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；以及处理模块，用于根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，以及利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
根据本申请的实施方式，第一获取模块可配置为：获取加速度在进行了第一定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；获取该加速度在进行了第二定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取该加速度在进行了第三定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影，其中进行了第一定位的第一坐标系的坐标轴、进行了第二定位的第一坐标系的对应坐标轴、以及进行了第三定位的第一坐标系的对应坐标轴彼此不平行。
根据本申请的实施方式，第二获取模块可配置为：获取上述的加速度在进行了第一定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；获取该加速度在进行了第二定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取该加速度在进行了第三定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。
根据本申请的实施方式，惯性传感器模块可包括惯性测量单元，以及第一获取模块还可配置为通过惯性测量单元获取上述加速度在惯性传感器坐标系的各坐标轴上的第一组投影。
根据本申请的实施方式，参考坐标系模块可包括固定在惯性测量单元周围的光学标记点，以及第二获取模块还可配置为通过识别光学标记点的位置获取加速度在参考坐标系的各坐标轴上的第二组投影。
根据本申请的实施方式，上述的加速度可以为重力加速度，以及第一获取模块静态地获取重力加速度在第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影，并且第二获取模块静态地获取重力加速度在第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影。
根据本申请的实施方式，处理模块还可配置为：基于第一组投影和第二组投影，得到从第一坐标系至第二坐标系的转换矩阵或从第二坐标系至第一坐标系的转换矩阵；以及利用转换矩阵估计出惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角。
根据本申请的实施方式，所述处理模块还配置为对估计出的误差角进行滤波以优化误差角，以及利用优化的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
根据本申请的第三方面，提供了一种动作捕获系统，其可包括：传感单元，固定至对象，并包括惯性传感器模块和相对于惯性传感器模块被固定的参考坐标系模块，其中惯性传感器模块用于建立惯性传感器坐标系，以及参考坐标系模块用于建立参考坐标系；感测单元，用于感测惯性传感器模块和参考坐标系模块的姿态；以及处理单元，用于基于经过统一的惯性传感器坐标系与参考坐标系，利用所感测的惯性传感器模块和参考坐标系模块的姿态，捕获上述对象的动作，其中通过以下步骤统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系：
获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；
获取该加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；
根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角；以及
利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
根据本申请的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法和系统，快速简洁地获得了惯性传感器坐标系和参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，并根据该误差角统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系，从而降低了成本、简化了步骤、节约了时间并减少了计算量。此外，根据本申请的动作捕获系统，由于快速简洁地获得了惯性传感器坐标系和参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，并根据该误差角统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系，从而利用惯性传感器坐标系和参考坐标系有效地捕获了对象的动作。通过本申请的动作捕获系统可降低成本、简化步骤、节约时间并减少计算量。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本申请实施方式的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法的示意性流程图；
图2是根据本申请实施方式的获取第一组投影的示意性流程图；
图3是根据本申请实施方式的获取第二组投影的示意性流程图；
图4是根据本申请实施方式的估计误差角的示意性流程图；
图5是根据本申请实施方式的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的系统的结构示意图；以及
图6是根据本申请实施方式的动作捕获系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是根据本申请实施方式的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法1000的示意性流程图。
根据本申请实施方式的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法适用于包括惯性传感器和参考坐标系传感器的混合导航系统中。通过惯性传感器感测得到的数据可建立上述的惯性传感器坐标系，以及通过参考坐标系传感器感测得到的数据可建立上述的参考坐标系。惯性传感器和参考坐标系传感器可固定在一起，并且均可固定至待测量对象，以通过惯性传感器和参考坐标系传感器的感测数据来实现对待测量对象的待测量参数的准确测量。
在步骤100中，获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影。下面以该第一坐标系为惯性传感器坐标系且惯性传感器为惯性测量单元(IMU)为例来描述该步骤。
对于给定的IMU，可确定出其自身的三维坐标系，即X轴，Y轴和Z轴。在静态情况下，IMU的三轴加速度计测得的加速度之和为一倍的重力加速度。下面将结合图2详细地描述步骤100。
在步骤110中，获取加速度在进行了第一定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影。在该示例中，第一定位可以是IMU的X轴定位成竖直向上(或竖直向下)的定位。在静态情况下，使IMU的X轴竖直向上时，通过IMU的三轴加速度计可获得重力加速度在IMU的三个坐标轴的投影Abx＝[Abx1Abx2Abx3]，其中Abx1表示IMU的X轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的X坐标轴的投影，Abx2表示IMU的X轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Y坐标轴的投影，以及Abx3表示IMU的X轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Z坐标轴的投影。
在步骤120中，获取加速度在进行了第二定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影。在该示例中，第二定位可以是IMU的Y轴定位成竖直向上的定位。在静态情况下，使IMU的Y轴竖直向上时，通过IMU的三轴加速度计可获得重力加速度在IMU的三个坐标轴的投影Aby＝[Aby1Aby2Aby3]，其中Aby1表示IMU的Y轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的X坐标轴的投影，Aby2表示IMU的Y轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Y坐标轴的投影，以及Aby3表示IMU的Y轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Z坐标轴的投影。
在步骤130中，获取加速度在进行了第三定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影。在该示例中，第三定位可以是IMU的Z轴定位成竖直向上的定位。在静态情况下，使IMU的Z轴竖直向上时，通过IMU的三轴加速度计可获得重力加速度在IMU的三个坐标轴的投影Abz＝[Abz1Abz2Abz3]，其中Abz1表示IMU的Z轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的X坐标轴的投影，Abz2表示IMU的Z轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Y坐标轴的投影，以及Abz3表示IMU的Z轴定位成竖直向上时重力加速度在IMU的Z坐标轴的投影。
本领域技术人员应理解，虽然在步骤110～130中IMU的各坐标轴均定位成竖直向上(或竖直向下)，然而这仅是示例性的，本发明并不限于此。在步骤110～130中，IMU的各坐标轴可分别指向不同的方向，只要进行了第一定位的IMU的坐标轴，进行了第二定位的IMU的对应坐标轴以及进行了第三定位的IMU的对应坐标轴彼此是非平行的(即，第一定位中的X轴，第二定位中的X轴与第三定位中的X轴彼此不平行，第一定位中的Y轴，第二定位中的Y轴与第三定位中的Y轴彼此不平行，以及第一定位中的Z轴，第二定位中的Z轴与第三定位中的Z轴彼此不平行)。优选地，第一定位的IMU的坐标轴，进行了第二定位的IMU的对应坐标轴以及进行了第三定位的IMU的对应坐标轴彼此是垂直的。
在步骤200中，获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影。下面以该第二坐标系为参考坐标系且参考坐标系传感器为光学标记点为例来描述该步骤。光学标记点固定在IMU周围，并且光学标记点的数目和位置配置为能够建立该参考坐标系。
下面将结合图3详细地描述步骤200。
在步骤210中，获取加速度在进行了上述第一定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。如上文所述，由于光学标记点固定在IMU周围，因此在IMU进行第一定位时，光学标记点也会进行第一定位，从而由光学标记点建立的光学坐标系也就进行了第一定位。因此，可得到重力加速度在进行了第一定位的光学坐标系的三个坐标轴的投影Aox＝[Aox1Aox2Aox3]，其中Aox1表示重力加速度在进行了第一定位的光学坐标系的X坐标轴的投影，Aox2表示重力加速度在进行了第一定位的光学坐标系的Y坐标轴的投影，以及Aox3表示重力加速度在进行了第一定位的光学坐标系的Z坐标轴的投影。
在步骤220中，获取加速度在进行了第二定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。在IMU进行第二定位时，光学标记点也会进行第二定位，从而由光学标记点建立的光学坐标系也就进行了第二定位。因此，可得到重力加速度在进行了第二定位的光学坐标系的三个坐标轴的投影Aoy＝[Aoy1Aoy2Aoy3]，其中Aoy1表示重力加速度在进行了第二定位的光学坐标系的X坐标轴的投影，Aoy2表示重力加速度在进行了第二定位的光学坐标系的Y坐标轴的投影，以及Aoy3表示重力加速度在进行了第二定位的光学坐标系的Z坐标轴的投影。
在步骤230中，获取加速度在进行了第三定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。在IMU进行第三定位时，光学标记点也会进行第三定位，从而由光学标记点建立的光学坐标系也就进行了第三定位。因此，可得到重力加速度在进行了第三定位的光学坐标系的三个坐标轴的投影Aoz＝[Aoz1Aoz2Aoz3]，其中Aoz1表示重力加速度在进行了第三定位的光学坐标系的X坐标轴的投影，Aoz2表示重力加速度在进行了第三定位的光学坐标系的Y坐标轴的投影，以及Aoz3表示重力加速度在进行了第三定位的光学坐标系的Z坐标轴的投影。
返回图1，在步骤300中，根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角。在图4中示出了步骤300的详细过程。
在步骤310中，基于第一组投影和第二组投影，得到从第一坐标系至第二坐标系的转换矩阵或从第二坐标系至第一坐标系的转换矩阵。
在本实施方式中，利用得到的重力加速度分别在IMU的三维坐标系和光学坐标系的三次投影的情况下，可得到等式(1)：
Figure BDA0001124765870000091
令：
Figure BDA0001124765870000092
Figure BDA0001124765870000093
等式(1)转换为
Figure BDA0001124765870000094
根据公式(5)计算得到IMU的三维坐标系与光学坐标系之间的安装误差角转换矩阵
Figure BDA0001124765870000095
Figure BDA0001124765870000096
安装误差角转换矩阵
Figure BDA0001124765870000097
具体可表示为：
Figure BDA0001124765870000098
在步骤320中，利用转换矩阵估计出惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角。
在通过安装误差角转换矩阵
Figure BDA00011247658700000910
与安装误差角λ之间的对应关系，根据公式(7)计算得到IMU的三维坐标系与光学坐标系的各坐标轴之间的误差角：
Figure BDA0001124765870000099
其中λx为IMU的X坐标轴与光学坐标系的X坐标轴之间的误差角，λy为IMU的Y坐标轴与光学坐标系的Y坐标轴之间的误差角，λz为IMU的Z坐标轴与光学坐标系的Z坐标轴之间的误差角。
本领域技术人员应理解，虽然在本实施方式中，在静态情况下获得重力加速度在IMU的各坐标轴和光学坐标系的各坐标轴的投影，但是本发明并不限于此。还可在匀加速运动的条件下，获得该匀加速运动的加速度在IMU的各坐标轴和光学坐标系的各坐标轴的投影。通过在静态情况下获得重力加速度在IMU的各坐标轴和光学坐标系的各坐标轴的投影，可获得IMU的三维坐标系与光学坐标系的各坐标轴之间的误差角均小于3°的精度。
当用于承载IMU和光学标记点的载体为规则的六面体时，可容易地实施上述的步骤100和200。但当载体为球形或形状不规则时，一方面，难以保证IMU的三个轴的指向(轮流指天或指地)，会造成精度的损失；另一方面，难以保证IMU的坐标轴进行定位时的静止状态，会耦合大的测量噪声，因此也会影响标定精度。由此，当载体为球形或形状不规则时，难以实施上述的步骤100和200，那么标定精度也将受到影响。为保证误差角的标定精度，方法1000还可包括步骤500：对估计出的误差角进行滤波处理以优化误差角。
步骤500可根据所需达到的精度、计算的复杂程度以及适用的对象等采用不同的估计方法，包括最小二乘估计、最小方差估计、贝叶斯估计、最大似然估计、Kalman滤波等，获得最优的滤波结果。例如，使用步骤300估计出的误差角作为滤波的初始值，通过以误差角小于0.3°的累计时间大于10S为结束条件的Kalman滤波可实现误差角小于1°的精度。
在步骤400中，利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。通过上述估计出的惯性传感器坐标系与参考坐标系之间的误差角，可将惯性传感器坐标系中的量换算至参考坐标系或将参考坐标系中的量换算至惯性传感器坐标系，从而可同时利用用于建立惯性传感器坐标系的和参考坐标系的传感器的数据，来准确地实现对象的姿态、位移等信息的捕捉。
在以上描述中，虽然将参考坐标系描述为通过光学坐标点建立的坐标系，然而本领域技术人员应理解，还可通过其他类型的传感器来建立参考坐标系，本发明在此方面没有限制。
通过本申请的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法，快速简洁地获得了惯性传感器坐标系和参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，并根据该误差角统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系，从而降低了成本、简化了步骤、节约了时间并减少了计算量。
图5是根据本申请实施方式的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的系统500的结构示意图。系统500作为上述的方法1000的具体实现，并与该方法1000相对应。
如图5所示，系统500包括：惯性传感器模块510、参考坐标系模块520、第一获取模块530、第二获取模块540以及处理模块550。惯性传感器模块510用于建立惯性传感器坐标系。参考坐标系模块相对于惯性传感器模块520被固定并且用于建立参考坐标系。第一获取模块530用于获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影。第二获取模块540用于获取该加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影。处理模块550用于根据第一组投影和第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，以及利用估计出的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
根据本申请的实施方式，第一获取模块530可用于：获取上述的加速度在进行了第一定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；获取上述的加速度在进行了第二定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取上述的加速度在进行了第三定位的第一坐标系的各坐标轴上的投影，其中进行了第一定位的第一坐标系的坐标轴、进行了第二定位的第一坐标系的对应坐标轴、以及进行了第三定位的第一坐标系的对应坐标轴彼此不平行。
根据本申请的实施方式，第二获取模块540可用于：获取上述的加速度在进行了第一定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；获取上述的加速度在进行了第二定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影；以及获取上述的加速度在进行了第三定位的第二坐标系的各坐标轴上的投影。
根据本申请的实施方式，惯性传感器模块510可包括惯性测量单元(IMU)，并且IMU自身的X、Y、Z轴构成了惯性传感器坐标系。第一获取模块530还用于通过IMU获取上述的加速度在惯性传感器坐标系的各坐标轴上的第一组投影，并且第一获取模块530可以是用于读取IMU的感测数据的装置。
根据本申请的实施方式，参考坐标系模块520可包括：固定在IMU周围的光学标记点，并且通过光学标记点建立了参考坐标系。第二获取模块540还可用于通过识别光学标记点的位置获取上述的加速度在参考坐标系的各坐标轴上的第二组投影，并且第二获取模块540可以是用于识别光学标记点的光学识别装置。
根据本申请的实施方式，上述的加速度为重力加速度，并且第一获取模块530静态地获取重力加速度在第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影，并且所述第二获取模块540静态地获取重力加速度在第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影。
根据本申请的实施方式，处理模块550还用于：基于第一组投影和第二组投影，得到从第一坐标系至第二坐标系的转换矩阵或从第二坐标系至第一坐标系的转换矩阵；以及利用转换矩阵估计出惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角。
根据本申请的实施方式，处理模块550还用于：对估计出的误差角进行滤波以优化误差角，以及利用优化的误差角来统一惯性传感器坐标系和参考坐标系。
通过本申请的用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的系统，快速简洁地获得了惯性传感器坐标系和参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，并根据该误差角统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系，从而降低了成本、简化了步骤、节约了时间并减少了计算量。
图6是根据本申请实施方式的动作捕获系统600的结构示意图。动作捕获系统600包括传感单元610、感测单元620以及处理单元630。
传感单元610固定至对象，并包括惯性传感器模块和相对于惯性传感器模块被固定的参考坐标系模块，其中惯性传感器模块用于建立惯性传感器坐标系，以及参考坐标系模块用于建立参考坐标系。
感测单元620，用于感测惯性传感器模块和参考坐标系模块的姿态。
处理单元630，用于基于经过统一的惯性传感器坐标系与参考坐标系，利用所感测的惯性传感器模块和参考坐标系模块的姿态，捕获上述对象的动作，其中惯性传感器坐标系和参考坐标系通过以下操作进行了统一：获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；获取加速度在惯性传感器坐标系和参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；根据第一组投影和所述第二组投影，估计惯性传感器坐标系的各坐标轴与参考坐标系的各坐标轴之间的误差角；以及利用估计出的误差角来统一所惯性传感器坐标系和参考坐标系。
在本申请的动作捕获系统中，由于快速简洁地获得了惯性传感器坐标系和参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，并根据该误差角统一了惯性传感器坐标系和参考坐标系，从而利用惯性传感器坐标系和参考坐标系有效地捕获了对象的动作。因此，通过本申请的动作捕获系统可降低成本、简化步骤、节约时间并减少计算量。
以上描述仅为本申请的较佳实施例及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (17)

1.一种用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的方法，包括：
对在所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴进行多次定位，并使多次定位后的同一坐标轴彼此不平行；
获取加速度在每次定位后的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；
获取所述加速度在每次定位后的所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；
根据所述第一组投影和所述第二组投影，估计所述惯性传感器坐标系的各坐标轴与所述参考坐标系的各坐标轴之间的误差角；以及
利用估计出的所述误差角来统一所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获取加速度在每次定位后的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影包括：
获取所述加速度在进行了第一定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影；
获取所述加速度在进行了第二定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影；以及
获取所述加速度在进行了第三定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影，
其中进行了第一定位的所述第一坐标系的坐标轴、进行了第二定位的所述第一坐标系的对应坐标轴、以及进行了第三定位的所述第一坐标系的对应坐标轴彼此不平行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中获取所述加速度在每次定位后的所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的投影包括：
获取所述加速度在进行了所述第一定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影；
获取所述加速度在进行了所述第二定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影；以及
获取所述加速度在进行了所述第三定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述惯性传感器坐标系是通过惯性测量单元建立的，以及
获取加速度在每次定位后的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影包括：
通过所述惯性测量单元获取所述加速度在所述惯性传感器坐标系的各坐标轴上的所述第一组投影。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述参考坐标系是通过固定在所述惯性测量单元周围的光学标记点建立的，以及
获取所述加速度在每次定位后的所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影包括：
通过识别所述光学标记点的位置获取所述加速度在所述参考坐标系的各坐标轴上的所述第二组投影。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述加速度为重力加速度，以及
所述第一组投影为在静态情况下重力加速度在所述第一坐标系的各坐标轴上的投影，并且所述第二组投影为在静态情况下重力加速度在所述第二坐标系的各坐标轴上的投影。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，根据所述第一组投影和所述第二组投影，估计所述惯性传感器坐标系的各坐标轴与所述参考坐标系的各坐标轴之间的误差角的步骤包括：
基于所述第一组投影和所述第二组投影，得到从所述第一坐标系至所述第二坐标系的转换矩阵或从所述第二坐标系至所述第一坐标系的转换矩阵；以及
利用所述转换矩阵估计出所述惯性传感器坐标系的各坐标轴与所述参考坐标系的各坐标轴之间的所述误差角。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：对估计出的所述误差角进行滤波处理以优化所述误差角。
9.一种用于统一惯性传感器坐标系和参考坐标系的系统，包括：
惯性传感器模块，用于建立所述惯性传感器坐标系；
参考坐标系模块，相对于所述惯性传感器模块被固定并且用于建立所述参考坐标系；
第一获取模块，用于对在所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第一坐标系的各坐标轴进行多次定位，并使多次定位后的同一坐标轴彼此不平行；以及用于获取加速度在每次定位后的所述第一坐标系中的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影；第二获取模块，用于获取所述加速度在每次定位后的所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系中的第二坐标系的各坐标轴上的投影，以形成所述加速度在所述第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影；以及
处理模块，用于根据所述第一组投影和所述第二组投影，估计所述惯性传感器坐标系的各坐标轴与所述参考坐标系的各坐标轴之间的误差角，以及利用估计出的所述误差角来统一所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一获取模块配置为：
获取所述加速度在进行了第一定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影；
获取所述加速度在进行了第二定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影；以及
获取所述加速度在进行了第三定位的所述第一坐标系的各坐标轴上的投影，
其中进行了第一定位的所述第一坐标系的坐标轴、进行了第二定位的所述第一坐标系的对应坐标轴、以及进行了第三定位的所述第一坐标系的对应坐标轴彼此不平行。
11.根据权利要求10所述的系统，所述第二获取模块配置为：
获取所述加速度在进行了所述第一定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影；
获取所述加速度在进行了所述第二定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影；以及
获取所述加速度在进行了所述第三定位的所述第二坐标系的各坐标轴上的投影。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述惯性传感器模块包括：惯性测量单元，以及
所述第一获取模块还配置为通过所述惯性测量单元获取所述加速度在所述惯性传感器坐标系的各坐标轴上的所述第一组投影。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述参考坐标系模块包括：固定在所述惯性测量单元周围的光学标记点，以及
所述第二获取模块还配置为通过识别所述光学标记点的位置获取所述加速度在所述参考坐标系的各坐标轴上的所述第二组投影。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的系统，其中，所述加速度为重力加速度，以及
所述第一获取模块静态地获取重力加速度在所述第一坐标系的各坐标轴上的第一组投影，并且所述第二获取模块静态地获取重力加速度在所述第二坐标系的各坐标轴上的第二组投影。
15.根据权利要求9至13中任一项所述的系统，其中所述处理模块还配置为：
基于所述第一组投影和所述第二组投影，得到从所述第一坐标系至所述第二坐标系的转换矩阵或从所述第二坐标系至所述第一坐标系的转换矩阵；以及
利用所述转换矩阵估计出所述惯性传感器坐标系的各坐标轴与所述参考坐标系的各坐标轴之间的所述误差角。
16.根据权利要求9至13中任一项所述的系统，其中所述处理模块还配置为：对估计出的所述误差角进行滤波以优化所述误差角，以及利用优化的所述误差角来统一所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系。
17.一种动作捕获系统，包括：
传感单元，固定至对象，并包括惯性传感器模块和相对于所述惯性传感器模块被固定的参考坐标系模块，其中所述惯性传感器模块用于建立惯性传感器坐标系，以及所述参考坐标系模块用于建立参考坐标系；
感测单元，用于感测所述惯性传感器模块和所述参考坐标系模块的姿态；以及
处理单元，用于基于经过统一的所述惯性传感器坐标系与所述参考坐标系，利用所感测的所述惯性传感器模块和所述参考坐标系模块的所述姿态，捕获所述对象的动作，其中通过如权利要求1-8中任一项所述的方法统一了所述惯性传感器坐标系和所述参考坐标系。
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