CN108592862B - Ahrs安装偏角测量方法 - Google Patents

Ahrs安装偏角测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种AHRS安装偏角测量方法，属于角度校准技术领域。本发明根据载体参考面上的若干点位置得出载体参考面XOY的方程；根据艏向上的特征点得出载体艏向值hV和艏向向量
Figure DDA0001656063920000011
根据艏向向量
Figure DDA0001656063920000012
和XOY的方程得出艏向向量在XOY平面的投影
Figure DDA0001656063920000013
根据垂直关系得出
Figure DDA0001656063920000014
得到
Figure DDA0001656063920000015
与水平面的夹角p和r；用观测期间记录的AHRS输出的艏向值
Figure DDA0001656063920000016
减去载体艏向值hV，得到载体艏向安装偏差Δh；将Δh输入到AHRS中后，记录AHRS输出的纵摇值
Figure DDA0001656063920000017
减去载体的纵摇值p，得到纵摇安装偏差Δp，将Δp输入AHRS后，记录AHRS输出的横摇值
Figure DDA0001656063920000018
减去载体横摇值r，得到横摇安装差Δr，结果准确且可验证。

Description

AHRS安装偏角测量方法
技术领域
本发明涉及一种AHRS安装偏角测量方法，属于角度校准技术领域。
背景技术
AHRS通常用于飞行器、航行器和车辆等载体上，包括MRU、PHINS、HYDRINS和OCTANCE等系统。AHRS与上述载体的安装偏角由于没有专门的方法进行测量，所以通常情况是通过视觉观测AHRS本体上的参考指示线和载体安装面的夹角。通过视觉上近似认为沿载体艏向准直的参考物之间的夹角，或者利用多波束测深系统的校准数据的后处理对安装偏差进行估计，有些情况往往因无法准确获得安装偏差值，从而直接忽略该安装偏差。
安装偏差获取困难且难以校验的原因是:(1)现有技术人员即使对AHRS参考指示线和其安装位置处的参考物之间的夹角进行了测量，但因为AHRS本身尺寸较小，其本体上的参考线仅有数厘米，难以获得准确可信的测量结果。(2)多波束系统的校准测深数据因自身含有大量粗差数据，且鉴于水上无法进行相同海况条件的重复测量，由此得到的安装偏差校准可靠性更低。最终，对于直接忽略该安装偏差的结果，严重降低了设备原本可以获得更高精度的可能。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种AHRS安装偏角测量方法，其目的是解决现有技术无法有效验证AHRS安装偏角结果准确性的问题。
本发明所述的AHRS安装偏角测量方法，包括如下步骤：
S1：利用测量单元测量载体上的至少三个特征点在地理参考系下的位置，以及利用误差分配原则得到载体参考平面的方程；
S2：利用测量单元测量载体上与载体艏向有明确关系的点A和点F在地理参考系下的位置，得到载体艏向值hV，并由转换关系得到载体艏向在载体参考平面XOY上投影的方向向量
Figure GDA0002416076940000011
S3：将AHRS中的安装偏差均设置为0，记录规定时间内AHRS的艏向输出值，并计算其平均值
Figure GDA0002416076940000012
减去载体艏向值hV，由此得到AHRS的艏向安装偏差Δh；
S4：AHRS中输入S3步骤得到的Δh，此后开始记录规定时间AHRS输出的纵摇值，得到纵摇值的平均值
Figure GDA0002416076940000013
在S4步骤之前根据向量
Figure GDA0002416076940000014
得到该向量与地理参考平面的夹角p，得到
Figure GDA0002416076940000015
和p的差值Δp，由此得到AHRS在载体上的纵摇安装偏差Δp；
S5：在AHRS中输入S4步骤得到的Δp，此后开始记录规定时间AHRS输出的横摇值，得到横摇的平均值
Figure GDA0002416076940000021
在S5步骤之前根据载体参考平面方程和向量
Figure GDA0002416076940000022
得到载体参考面上与向量
Figure GDA0002416076940000023
垂直的向量
Figure GDA0002416076940000024
得到向量
Figure GDA0002416076940000025
与地理参考平面的夹角r，得到
Figure GDA0002416076940000026
和r的差值Δr，由此得到AHRS在载体上的横摇安装偏差Δr。
优选地，所述S1步骤中，特征点位于参考面上、参考面四周或者载体上，通过测量距离与角度的形式计算得到，或者利用测量单元直接观测得出。
优选地，所述S1步骤中，所选的所有特征点的投影点在载体参考平面上不能共线。
优选地，所述S1步骤中，多次测量特征点，根据需要对粗差观测值进行剔除计算。
优选地，所述S2步骤中，测量单元测量与载体艏向有明确关系的两观测点，上述两观测点位于载体艏向上。
优选地，所述S3步骤中，AHRS的艏向输出值的时间段从AHRS中的安装偏差均设置为0之后开始记录。
优选地，所述S3步骤中，AHRS输出的艏向平均值
Figure GDA0002416076940000027
包括对所记录的艏向值中粗差数据的滤波计算和剔除计算。
优选地，所述S4步骤中，AHRS的纵摇输出值的时间段从将AHRS的艏向安装偏差Δh输入到AHRS之后，并将AHRS纵摇偏差Δp输入到AHRS之前开始记录。
优选地，所述S4步骤中，AHRS输出的纵摇平均值
Figure GDA0002416076940000028
包括对所记录的纵摇值中粗差数据的滤波计算和剔除计算。
优选地，所述S5步骤中，AHRS的横摇输出值的时间段从AHRS的纵摇安装偏差Δp输入到AHRS之后并在得到AHRS横摇偏差Δr之前开始记录。
本发明的有益效果是：采用本发明所述的AHRS安装偏角测量方法，将AHRS的所有安装偏差结果依次输入AHRS中后，然后通过对AHRS输出的艏向、横摇和纵摇观测值与通过测量载体特征点后得到的结果进行对比，从而实现对AHRS安装偏角结果的精度进行有效评价。
附图说明
图1是本发明AHRS安装偏角确定的状态示意图。
图2是由载体自身参考框架旋转至地理参考框架下的状态示意图。
图3是载体艏向上两特征点在载体参考平面的投影示意图。
图中：xoy是地理参考平面；XOY是载体参考平面；IQJ是AHRS基座平面。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图3所示，本发明所述的AHRS安装偏角测量方法，包括如下步骤：
S1:利用测量单元测量载体参考平面上的三个及以上特征点在地理参考平面下的位置P(xi,yi,zi)，以及利用误差分配原则或者最小二乘法等平差原则得到载体参考平面XOY的方程A0x+B0y+C0z+D0＝0；
S2:利用测量单元测量载体上与载体艏向有明确关系的点A和点F在地理参考系下的位置，并得到所述两观测点在载体参考平面XOY上的投影点A'(x'A,y'A,z'A)和投影点F'(x'F,y'F,z'F)，过程如下：
S21:已知空间中XOY平面方程A0x+B0y+C0z+D0＝0和空间中两点A(xA,yA,zA)及F(xF,yF,zF)，两点在该平面的投影点坐标记为A＇(x'A,y'A,z'A)和F＇(x'F,y'F,z'F)，则
Figure GDA0002416076940000031
和
Figure GDA0002416076940000032
均与平面法向量
Figure GDA0002416076940000033
平行，向量
Figure GDA0002416076940000034
和
Figure GDA0002416076940000035
的参数方程为：
Figure GDA0002416076940000036
S22:将投影点A＇和投影点F＇带入平面方程A0x+B0y+C0z+D0＝0中，求出tA和tF：
Figure GDA0002416076940000037
S23:带入公式(1)，由此得到A＇和F＇的坐标，进而得到向量
Figure GDA0002416076940000038
并据此计算
Figure GDA0002416076940000039
的地理方位
Figure GDA00024160769400000310
并根据
Figure GDA00024160769400000311
与载体艏向的明确关系得到载体艏向值hV，即OX的地理方位；
S3:将AHRS中的角度安装偏差均设置为0，记录一段时间AHRS的艏向输出值，并计算其平均值
Figure GDA00024160769400000312
该值也是与AHRS基座轴QI平行的OI'的地理方位，减去载体艏向值hV，由此得到AHRS的艏向安装偏差Δh；
S4:在AHRS中输入Δh，此后开始记录一段时间AHRS输出的纵摇值，得到所述纵摇值的平均值
Figure GDA00024160769400000313
即OJ'与地理水平面xoy的夹角；根据向量
Figure GDA00024160769400000314
得到其与地理参考面xoy的夹角p，由下式计算得到p＝arctan(zA'B'/xA'B')，之后计算
Figure GDA00024160769400000315
和p的差值Δp，由此得到AHRS在载体上的纵摇安装偏差角Δp；
S5:在AHRS中输入Δp，此后开始记录AHRS输出的横摇值，得到所述横摇值的平均值
Figure GDA0002416076940000041
该值即为与AHRS基座轴QJ平行的OJ'与水平面xoy的夹角，根据载体参考平面方程和向量
Figure GDA0002416076940000042
计算XOY平面内与向量
Figure GDA0002416076940000043
垂直的向量
Figure GDA0002416076940000044
得到向量
Figure GDA0002416076940000045
与地理参考面xoy的夹角r，由下式计算得到：r＝arctan(zA'B'/yA'B')，得到
Figure GDA0002416076940000046
和r的差值Δr，由此得到AHRS在载体上的横摇安装偏差Δr。
本发明的原理是通过在载体上测定一些特征点位置，经过加工和处理，逐步得到AHRS安装偏角的一部分，并继续逐步进行加工和处理，最终得到所有的AHRS安装偏角。
需要说明的是：
图1中，OM为AHRS基座平面IQJ的平行平面I'OJ'与平面XOY的交线；OL为QI的平行线OI'在平面XOY上的投影；ON为O-LMZ经绕OM旋转Δp之后OZ的位置；OH'是QH的平行线。
图2中，OM为平面XOY和平面I'OJ'的交线；OL为OI'在平面XOY上的投影；ON是O-LMZ绕OM轴旋转Δp之后OZ轴的位置。
实施例2：
本发明所述的AHRS安装偏角测量方法可以运用于科考用途。
例如，在科考船进行水下调查工作前，利用此方法对船体上安装的AHRS设备进行安装偏角测定后，将测定结果输入到AHRS中，使其它海洋调查设备或系统，诸如多波束测深系统、ADCP、USBL等获得更精确的艏向、纵摇和横摇观测值，以改善上述调查设备的测量精度和准确度。
本发明利用测量单元测量载体参考面上的若干点位置和艏向上两点及以上点的位置；根据载体参考面的若干点位置得到载体参考面平面XOY的方程Ax+By+Cz+D＝0；根据艏向上特征点得到载体艏向的方向向量
Figure GDA0002416076940000047
和载体艏向值hV；根据载体艏向
Figure GDA0002416076940000048
和XOY的方程得到
Figure GDA0002416076940000049
在XOY平面的投影
Figure GDA00024160769400000410
接着根据垂直关系得到
Figure GDA00024160769400000411
根据
Figure GDA00024160769400000412
和
Figure GDA00024160769400000413
分别计算OX轴和OY轴与水平面xoy的夹角p和r；观测期间记录AHRS输出的艏向值，用AHRS输出的艏向值
Figure GDA00024160769400000416
减去载体艏向值hV，得到AHRS的艏向安装偏差Δh；并将艏向安装偏差Δh输入到AHRS中后，记录AHRS输出的纵摇值
Figure GDA00024160769400000414
减去载体纵摇值p，得到AHRS的纵摇安装偏差Δp，将Δp输入AHRS后，记录AHRS输出的横摇值
Figure GDA00024160769400000415
减去r得到AHRS的横摇安装偏差Δr。
实施例3：
本发明所述的AHRS安装偏角测量方法可以运用于地理建模用途。
例如，在安装有CCD和三维激光扫描仪的汽车与飞机上进行摄影测量获取地形地貌和街景等之前，利用该方法测定AHRS在所述载体上的安装偏差，将提高整套系统的测量精度和准确度。
本发明可广泛运用于角度校准的场合，将AHRS的所有安装偏差结果输入AHRS中后，然后通过对AHRS输出的艏向、横摇和纵摇与通过测量载体特征点后得到的结果进行对比，从而实现对AHRS安装偏角结果的精度进行有效评价。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用测量单元测量载体上的至少三个特征点在地理参考系下的位置，以及利用误差分配原则得到载体参考平面的方程；
S2：利用测量单元测量载体上与载体艏向有明确关系的点A和点F在地理参考系下的位置，得到载体艏向值hV，并由转换关系得到载体艏向在载体参考平面XOY上投影的方向向量
Figure FDA0002416076930000011
S3：将AHRS中的安装偏差均设置为0，记录规定时间内AHRS的艏向输出值，并计算其平均值
Figure FDA0002416076930000012
减去载体艏向值hV，由此得到AHRS的艏向安装偏差Δh；
S4：AHRS中输入S3步骤得到的Δh，此后开始记录规定时间AHRS输出的纵摇值，得到纵摇值的平均值
Figure FDA0002416076930000013
在S4步骤之前根据向量
Figure FDA0002416076930000014
得到该向量与地理参考平面xoy的夹角p，接着得到
Figure FDA0002416076930000015
和p的差值Δp，由此得到AHRS在载体上的纵摇安装偏差Δp；
S5：在AHRS中输入S4步骤得到的Δp，此后开始记录规定时间内AHRS输出的横摇值，得到横摇值的平均值
Figure FDA0002416076930000016
在S5步骤之前根据载体参考平面方程和向量
Figure FDA0002416076930000017
得到载体参考面上与向量
Figure FDA0002416076930000018
垂直的向量
Figure FDA0002416076930000019
得到向量
Figure FDA00024160769300000110
与地理参考平面xoy的夹角r，得到
Figure FDA00024160769300000111
和r的差值Δr，由此得到AHRS在载体上的横摇安装偏差Δr。
2.根据权利要求1所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S1步骤中，特征点位于参考面上、参考面四周或者载体上，通过测量距离与角度的形式计算得到，或者利用测量单元直接观测得出。
3.根据权利要求1或2所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S1步骤中，所选的所有特征点的投影点在载体参考平面上不能共线。
4.根据权利要求3所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S1步骤中，多次测量特征点，根据需要对粗差观测值进行剔除计算。
5.根据权利要求1所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S2步骤中，测量单元测量与载体艏向有明确关系的两观测点，上述两观测点位于载体艏向上。
6.根据权利要求5所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，AHRS的艏向输出值的时间段从AHRS中的安装偏差均设置为0之后开始记录。
7.根据权利要求6所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，AHRS输出的艏向平均值
Figure FDA00024160769300000112
包括对所记录的艏向值中粗差数据的滤波计算和剔除计算。
8.根据权利要求1所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S4步骤中，AHRS的纵摇输出值的时间段从将AHRS的艏向安装偏差Δh输入到AHRS之后，并将AHRS纵摇偏差Δp输入到AHRS之前开始记录。
9.根据权利要求1或8所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S4步骤中，AHRS输出的纵摇平均值
Figure FDA0002416076930000021
包括对所记录的纵摇值中粗差数据的滤波计算和剔除计算。
10.根据权利要求9所述的AHRS安装偏角测量方法，其特征在于，所述S5步骤中，AHRS的横摇输出值的时间段从AHRS的纵摇安装偏差Δp输入到AHRS之后并在得到AHRS横摇偏差Δr之前开始记录。
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