CN109470272A - 一种imu测量基准的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性坐标系内姿态测量领域，具体涉及一种IMU测量基准的标定方法，该方法首先架设POS系统设备的标定环境，将POS系统设备置于标定环境中并记录POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态，通过标定环境中的经纬仪测量基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态，再将基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系，通过光学传递方法实现了POS系统设备可视化测量基准的精密标定，为POS系统设备的使用提供了极大的方便。

Description

一种IMU测量基准的标定方法

技术领域

本发明涉及惯性坐标系内姿态测量领域，具体而言，涉及一种IMU测量基准的标定方法。

背景技术

Position and Orientation System简称POS，是一种惯性空间测量系统，由卫星导航GPS单元、惯性测量单元IMU、POS计算机等构成。卫星导航GPS单元获取位置参数，惯性测量单元IMU测定姿态参数，POS计算机对IMU、GPS获取的数据进行联合后处理获得高精度的测量数据，实现对载体的速度、姿态、位置等数据的测量。POS应用范围十分的广泛，例如在航空测量领域，POS系统可实时获取航测相机的速度、位置、姿态等，为航空相机精确的像移补偿及高精度定位测绘提供必要的速度、高度、位置、姿态等信息。

POS使用时一般将IMU与被测量物体刚性相连，由于IMU测量基准与被测物体之间存在着角度差，即偏心角，导致IMU直接测量的姿态角不能直接视为待测物体的姿态。如图1所示，图中被测量物体为航测相机，其坐标系为O_C-X_CY_CZ_C，其中ZC轴为光轴，YC轴为探测器长方向。而IMU测量基准为O_P-X_PY_PZ_P，可以看出IMU测量坐标系与航测相机坐标系之间具有偏心角，不能简单的把IMU获取的姿态数据视为航测相机的姿态，需要对IMU的测量基准与待测物体坐标系间的偏心角进行标定，而标定的前提条件就是首先要得到IMU的测量基准坐标系O_P-X_PY_PZ_P，而POS在出厂时不提供可视的测量基准坐标系，为使用带来了很多不便。

发明内容

本发明实施例提供了一种IMU测量基准的标定方法，在POS系统设备中对惯性测量单元IMU的测量基准进行标定，至少解决现有POS系统设备在出厂时不提供可视的测量基准坐标系的技术问题。

根据本发明的实施例，提供了一种IMU测量基准的标定方法，包括以下步骤：

将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元连接成POS系统设备；

架设POS系统设备的标定环境，将POS系统设备置于标定环境中并记录POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态；

通过标定环境中的经纬仪测量基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态；

将基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系。

进一步地，架设POS系统设备的标定环境包括：

架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；

架设经纬仪，并进行调平；

将陀螺全站仪与经纬仪进行互瞄，将陀螺全站仪在惯性空间的坐标系传递至经纬仪坐标系中。

进一步地，方法具体包括以下步骤：

a.将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元连接成POS系统设备；

c.在标定环境中架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；

d.在标定环境中架设经纬仪，并进行调平；

e.将POS系统设备置于标定环境中，记录此时惯性测量单元IMU的姿态角度ψ、ω、κ；

f.使用经纬仪准直基准镜的X轴，记录经纬仪此时俯仰角ψ₁₁及方位角ω₁₁读数；

g.转动经纬仪和陀螺全站仪，使经纬仪和陀螺全站仪互瞄，记录经纬仪的俯仰角ψ₁₂及方位角ω₁₂，同时记录陀螺全站仪的航向角α₁₁和俯仰角β₁₁；

h.移动经纬仪，重复步骤f～g，将与基准镜的X轴垂直面的法线记为Y轴，并分别记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂；

i.根据记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂得到基准镜两个正交面与惯性空间坐标系之间的夹角，并与惯性测量单元IMU的姿态角度ψ、ω、κ进行联合计算，得出基准镜与POS系统设备测量基准间的偏心角。

进一步地，方法在架设POS系统设备的标定环境之前还包括：

将POS系统设备进行精度收敛。

进一步地，将POS系统设备进行精度收敛包括：

将惯性测量单元IMU、卫星导航GPS单元精度收敛至标称精度。

进一步地，方法在得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系之后还包括：

完成标定后再次将POS系统设备进行精度收敛。

进一步地，完成标定后再次将POS系统设备采用后向差分的方式进行精度收敛。

进一步地，方法在将POS系统设备进行精度收敛之前还包括：

消除环境条件对POS系统设备的影响。

进一步地，将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元的天线通过安装支架固连成POS系统设备。

进一步地，基准镜的X轴为惯性测量单元IMU的X轴垂直面的法线。

本发明实施例中的IMU测量基准的标定方法，通过测量并将基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系，通过光学传递方法实现了POS系统设备可视化测量基准的精密标定，为POS系统设备的使用提供了极大的方便。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中惯性测量单元IMU直接测量的角度与被测物体间偏心角示意图；

图2为本发明一种IMU测量基准的标定方法的流程图；

图3为本发明一种IMU测量基准的标定方法中坐标系的转换关系图；

图4为本发明中基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元天线的固连示意图；

其中附图标记为：1、基准镜；2、惯性测量单元IMU；3、卫星导航GPS单元；4、安装支架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明一实施例，提供了一种IMU测量基准的标定方法，参见图2，包括以下步骤：

S101:将基准镜1、惯性测量单元IMU2与卫星导航GPS单元3连接成POS系统设备；

S102:架设POS系统设备的标定环境，将POS系统设备置于标定环境中并记录POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态；

S103:通过标定环境中的经纬仪测量基准镜1在惯性空间坐标系的位置姿态；

S104:将基准镜1在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜1在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系。

本发明实施例中的IMU测量基准的标定方法，通过测量并将基准镜1在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜1在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系，通过光学传递方法实现了POS系统设备可视化测量基准的精密标定，为POS系统设备的使用提供了极大的方便。

作为优选的技术方案中，架设实验室内标定环境，要求实验室内地基良好，具有隔振、环境稳定等措施。实验室内标定环境架设主要包括如下三个部分：

架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；

架设经纬仪，并进行调平；

将陀螺全站仪与经纬仪进行互瞄，将陀螺全站仪在惯性空间的坐标系传递至经纬仪坐标系中。

已经将陀螺全站仪获取的相对于惯性空间的坐标系传递至经纬仪中，因此可以测量基准镜1在惯性空间坐标系的姿态，与POS系统设备在实验室内静止时输出的姿态做联合计算，即可得到基准镜1在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系。

作为优选的技术方案中，参见图3，O-XYZ为惯性空间坐标系，O_P-X_PY_PZ_P为POS测量基准坐标系，O_b-X_bY_bZ_b为基准镜坐标系，O_t-X_tY_tZ_t为经纬仪坐标系，O_G-X_GY_GZ_G为陀螺全站仪坐标系，通过图3中(b)(c)(d)(e)的转化关系，可得到基准镜1的X轴与惯性空间坐标系之间的夹角，与图3(a)中POS系统设备与惯性空间坐标系间的角度进行联合解算，即可得到基准镜1与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系，进而实现利用基准镜1标定出POS系统设备的POS测量基准坐标系。方法具体包括以下步骤：

a.将基准镜1、惯性测量单元IMU2与卫星导航GPS单元3连接成POS系统设备；

c.在标定环境中架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；在实验室内架设陀螺全站仪，对其调平、开机并进行寻北；

d.在标定环境中架设经纬仪，并进行调平；

e.将POS系统设备置于标定环境中，记录此时惯性测量单元IMU2的姿态角度ψ、ω、κ；将安装支架4推至架设好陀螺全站仪、经纬仪的实验室内，并在合适位置静止，记录此时的惯性测量单元IMU2的姿态角度ψ、ω、κ；

f.使用经纬仪准直基准镜1的X轴，记录经纬仪此时俯仰角ψ₁₁及方位角ω₁₁读数；其中方位角ω₁₁可以清零，即ω₁₁＝0；

g.转动经纬仪和陀螺全站仪，使经纬仪和陀螺全站仪互瞄，记录经纬仪的俯仰角ψ₁₂及方位角ω₁₂，同时记录陀螺全站仪的航向角α₁₁和俯仰角β₁₁；

h.移动经纬仪，重复步骤f～g，将与基准镜1的X轴垂直面的法线记为Y轴，并分别记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂；

i.根据记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂得到基准镜1两个正交面与惯性空间坐标系之间的夹角，并与惯性测量单元IMU2的姿态角度ψ、ω、κ进行联合计算，得出基准镜1与POS系统设备测量基准间的偏心角。

作为优选的技术方案中，方法在架设POS系统设备的标定环境之前还包括步骤：

b.将POS系统设备进行精度收敛。将已收敛的POS系统设备移动至架设好的实验室标定环境中，通过经纬仪测量基准镜1的位置姿态，测量过程中基准镜1、POS系统设备应保持静止，并采取隔绝外界振动、隔热等扰动干扰的措施。

作为优选的技术方案中，将POS系统设备进行精度收敛包括：

将惯性测量单元IMU2、卫星导航GPS单元3精度收敛至标称精度。

作为优选的技术方案中，方法在得到基准镜1在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系之后还包括：

完成标定后再次将POS系统设备进行精度收敛。采取必要措施，消除环境条件对POS系统设备的影响，采用必要措施使POS系统设备精度收敛。

作为优选的技术方案中，完成标定后再次将POS系统设备采用后向差分的方式进行精度收敛。为了避免POS系统设备在实验室内静止时间过长导致的精度发散等问题，可在完成标定后再次将POS系统设备进行精度收敛试验，采用后向差分的方式，保证标定精度。

作为优选的技术方案中，方法在将POS系统设备进行精度收敛之前还包括：

消除环境条件对POS系统设备的影响。采取必要措施，消除环境条件对惯性测量单元IMU2、卫星导航GPS单元3的影响。

作为优选的技术方案中，参见图4，将基准镜1、惯性测量单元IMU2与卫星导航GPS单元3的天线通过安装支架4固连成POS系统设备。

作为优选的技术方案中，基准镜1的X轴为惯性测量单元IMU2的X轴垂直面的法线。

本发明通过陀螺全站仪寻北、与经纬仪互瞄的方式将北方位传递至经纬仪，再通过经纬仪测量基准镜1的位置姿态,然后与惯性测量单元IMU2输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜1在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系，进而利用基准镜1标定出POS系统设备的测量基准坐标系。

本发明的有益效果至少在于：

在实验室内通过光学传递方法实现了POS系统设备可视化测量基准的精密标定，为POS系统设备的使用提供了极大的方便。

重复利用本发明的方法，对POS系统设备的测量基准进行重复性观测，可以得到多组数据，这些数据的均方根值即为POS系统设备的精度，即本发明可以用作POS系统设备的精度评判。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种IMU测量基准的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元连接成POS系统设备；

架设POS系统设备的标定环境，将POS系统设备置于标定环境中并记录POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态；

通过标定环境中的经纬仪测量基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态；

将基准镜在惯性空间坐标系的位置姿态与POS系统设备在标定环境内静止时输出的位置姿态做联合计算，得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述架设POS系统设备的标定环境包括：

架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；

架设经纬仪，并进行调平；

将陀螺全站仪与经纬仪进行互瞄，将陀螺全站仪在惯性空间的坐标系传递至经纬仪坐标系中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

a.将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元连接成POS系统设备；

c.在标定环境中架设陀螺全站仪，调平并进行寻北；

d.在标定环境中架设经纬仪，并进行调平；

e.将POS系统设备置于标定环境中，记录此时惯性测量单元IMU的姿态角度ψ、ω、κ；

f.使用经纬仪准直基准镜的X轴，记录经纬仪此时俯仰角ψ₁₁及方位角ω₁₁读数；

g.转动经纬仪和陀螺全站仪，使经纬仪和陀螺全站仪互瞄，记录经纬仪的俯仰角ψ₁₂及方位角ω₁₂，同时记录陀螺全站仪的航向角α₁₁和俯仰角β₁₁；

h.移动经纬仪，重复步骤f～g，将与基准镜的X轴垂直面的法线记为Y轴，并分别记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂；

i.根据记录数据ψ₂₁、ψ₂₂、ω₂₂、α₂₂、β₂₂得到基准镜两个正交面与惯性空间坐标系之间的夹角，并与惯性测量单元IMU的姿态角度ψ、ω、κ进行联合计算，得出基准镜与POS系统设备测量基准间的偏心角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在架设POS系统设备的标定环境之前还包括：

将POS系统设备进行精度收敛。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将POS系统设备进行精度收敛包括：

将惯性测量单元IMU、卫星导航GPS单元精度收敛至标称精度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法在得到基准镜在惯性空间坐标系与POS系统设备测量基准坐标系之间的转换关系之后还包括：

完成标定后再次将POS系统设备进行精度收敛。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，完成标定后再次将POS系统设备采用后向差分的方式进行精度收敛。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法在将POS系统设备进行精度收敛之前还包括：

消除环境条件对POS系统设备的影响。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将基准镜、惯性测量单元IMU与卫星导航GPS单元的天线通过安装支架固连成POS系统设备。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基准镜的X轴为惯性测量单元IMU的X轴垂直面的法线。