CN111272199B

CN111272199B - 一种imu的安装误差角的标定方法及装置

Info

Publication number: CN111272199B
Application number: CN202010207139.9A
Authority: CN
Inventors: 杨旭
Original assignee: Beijing Aibee Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aibee Technology Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111272199A

Abstract

本申请提供了一种IMU的安装误差角的标定方法及装置，涉及机器人技术领域。其中，安装误差角包括惯性测量单元IMU在X轴和Y轴的安装误差角，该方法包括：获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪的输出数据；根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值；将获取的X轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在X轴的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在Y轴的安装误差角。利用该方法，简化了标定过程的操作，降低了成本并提高了的便携程度。

Description

一种IMU的安装误差角的标定方法及装置

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种IMU的安装误差角的标定方法及装置。

背景技术

在机器人的导航定位系统中，IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)为能够获取机器人加速度和角速度信息的六轴运动传感器，一般包含正交的三轴加速度计和正交的三轴陀螺仪。

IMU在机器人上的安装误差角是影响其测量精确度的重要因素之一。目前，机器人的IMU安装误差角需要在高精度的三自由度转台上以准确的角度和角速度输入进行标定，标定过程的操作较为复杂且成本较高。此外，由于需要额外的转台，该方法的便携程度较低。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本申请提供了一种IMU的安装误差角的标定方法及装置，简化了标定过程的操作，降低了成本并提高了便携程度。

本申请实施例提供了一种IMU的安装误差角的标定方法，所述安装误差角包括惯性测量单元IMU在X轴和Y轴的安装误差角，该方法包括包括：

获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪的输出数据；

根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值；

将获取的X轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在X轴的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在Y轴的安装误差角。

可选的，所述根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值，具体包括：

根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出wz，并获取每个所述Z轴输出对应的X轴输出wx和Y轴输出wy；

通过以下公式确定每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴的安装误差角的测量值φx和Y轴的安装误差角的测量值φy，

可选的，所述方法还包括：

依据所述IMU在X轴上的安装误差角和所述IMU在Y轴上的安装误差角，对所述IMU的三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出数据进行补偿。

可选的，所述依据所述IMU在X轴上的安装误差角和所述IMU在Y轴上的安装误差角，对所述IMU的三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出数据进行补偿，具体包括：

通过以下公式获取所述三轴陀螺仪的补偿后的X轴输出wx2、Y轴输出wy2和Z轴输出wz2：

其中

为补偿后的三轴陀螺仪的X轴输出wx2、Y轴输出wy2和Z轴输出wz2形成的矩阵，

为由所述输出数据确定的未补偿的三轴陀螺仪的X轴输出wx、Y轴输出wy和Z轴输出wz形成的矩阵；

通过以下公式对所述三轴加速度计的X轴输出fx、Y轴输出fy和Z轴输出fz进行补偿，得到补偿后的X轴输出fx2、Y轴输出fy2和Z轴输出fz2：

其中，

为补偿后的三轴加速度计的X轴输出fx2、Y轴输出fy2和Z轴输出fz2形成的矩阵，

为未补偿的三轴加速度计的X轴输出fx、Y轴输出fy和Z轴输出fz形成的矩阵。

本申请实施例还提供了一种IMU的安装误差角的标定装置，所述安装误差角包括惯性测量单元IMU在X轴和Y轴的安装误差角，包括：第一获取单元、第二获取单元和处理单元；

所述第一获取单元，用于获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪的输出数据；

所述第二获取单元，用于根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值；

所述处理单元，用于将获取的X轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在X轴的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的测量值的平均值作为所述IMU在Y轴的安装误差角。

可选的，所述第二获取单元，具体用于：

可选的，所述装置还包括：补偿单元；

所述补偿单元，用于依据所述IMU在X轴上的安装误差角和所述IMU在Y轴上的安装误差角，对所述IMU的三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出数据进行补偿。

本申请实施例还提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现以上所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本申请实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备用于运行程序，其中，所述程序运行时执行以上所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本申请实施例还提供了一种机器人，所述机器人包括惯性测量单元IMU和处理器；

所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行以上所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本申请所述方案至少具有以下优点：

利用该方法，通过获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪输出数据，当利用所述输出数据确定所述三轴陀螺仪的Z轴输出大于预设值时，获取预设数目个大于预设值的Z轴输出分别对应的X轴和Y轴的安装误差角的测量值，设置预设值能够避免Z轴输出较低时引起标定的相对误差较大，即当机器人进行较为明显的圆弧运动时再进行标定，降低三轴陀螺仪在角速度较低时相对误差较高带来的影响；将获取的X轴的安装误差角的测量值的平均值作为IMU在X轴上的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的测量值的平均值作为IMU在Y轴上的安装误差角。本申请提供的方法利用了当IMU存在安装误差角时，当机器人进行圆弧运动便会在两个正交的水平方向上产生耦合的陀螺仪角速度输出，本申请提供的方法基于这种情况下输出的角速度进行解算和标定IMU与机器人间的水平安装误差角，从而简化了标定过程的操作，并且该方法不需要使用额外设备，降低了标定的成本还提升了便携程度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的IMU的安装误差角的标定方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的机器人圆弧运动的场景示意图；

图3为本申请实施例提供的IMU的安装误差角的标定装置的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

当机器人的IMU安装完成后，不可避免存在一定的安装误差角。目前，机器人的IMU的安装误差角需要在高精度的三自由度转台上以准确的角度和角速度输入进行标定，标定过程的操作较为复杂且成本较高。

为了解决以上的技术问题，经研究和计算后发现，由于IMU包括正交的三轴加速度计和正交的三轴陀螺仪，如果与机器人间存在安装角误差，则当机器人在平坦面上进行圆弧运动时便会在两个正交的水平方向产生耦合的陀螺仪角速度输出，本申请提供的方法基于这种情况下输出的角速度进行解算和标定IMU与机器人间的水平安装误差角，从而简化了标定过程的操作，并且该方法不需要使用额外设备，降低了标定的成本还提升了便携程度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例一：

本申请实施例提供了一种IMU的安装误差角的标定方法，下面结合附图具体说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的IMU的安装误差角的标定方法的流程图。

本申请实施例所述方法包括以下步骤：

S101：获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪输出数据。

经研究和计算后发现，如果IMU与机器人间存在安装角误差，则当机器人在平坦面上进行圆弧运动时便会在两个正交的水平方向上产生耦合的陀螺仪角速度输出，因此可以根据该角速度输出解算水平方向的安装误差角。

本申请实施例采用的获取该角速度的方式为控制机器人在平坦面上进行圆弧运动。

参见图2，该图为本申请实施例提供的机器人圆弧运动的场景示意图。

本申请实施例中机器人进行的圆弧运动可以不严格维持固定的圆心与固定半径，例如圆弧运动的圆心和半径可以变化，进行圆弧运动的目的是为了获取到多组在该正交水平方向(即X轴方向和Y轴方向)的角速度。

此外，为了提升标定的准确性，实际应用中机器人需在平坦面进行圆弧运动，以降低误差。

获取机器人在进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪输出数据。

S102：根据输出数据获取预设数目个大于预设值的三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值。

当根据三轴陀螺仪输出数据确定Z轴输出大于预设值时，表征此时机器人在进行较为明显的圆弧运动，即三轴陀螺仪的角速度的输出值较大，利用此时三轴陀螺仪的输出值进行解算标定能够降低角速度较低时相对误差带来的影响。

其中，该预设值可以根据实际情况确定，本申请实施例不作具体限定，例如根据实际水平安装误差角的标定精度要求确定，可以设定为20°/秒、30°/秒等。

因此在机器人进行圆弧运动时，存在多次的三轴陀螺仪的Z轴输出大于预设值，因此能够解算获取多个相应的X轴和Y轴的安装误差角的测量值。本申请实施例中可以获取预设数目个大于预设值的三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值。其中，预设数目可以根据实际情况确定，本申请实施例在此不再赘述。

具体的，对于第i次解算，利用所述输出数据分别获取所述三轴陀螺仪的X轴输出wx、Y轴输出wy和Z轴输出wz，则可以通过以下公式确定第i次解算得到的X轴的安装误差角φx[i]和Y轴的安装误差角φy[i]：

S103：将获取的X轴的安装误差角的平均值作为IMU在X轴的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的平均值作为IMU在Y轴的安装误差角。

为了降低误差的影响，本申请实施例获取预设数目(以下以N表示)个X轴安装误差角的测量值的平均值和预设数目个Y轴的安装误差角的测量值的平均值，进而可得本次标定过程的IMU水平安装误差角φx和φy：

实际应用中当获取IMU水平安装误差角φx和φy后，在机器人的正常工作的过程中，便可以基于标定结果实时对所述IMU的三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出数据进行补偿，下面具体说明。

其中

为由所述输出数据确定的未补偿的三轴陀螺仪的X轴输出wx、Y轴输出wy和Z轴输出wz形成的矩阵。

通过以下公式对所述三轴加速度计的X轴输出fx、Y轴输出fy和Z轴输出fz进行补偿，得到补偿后的X轴输出fx2、Y轴输出fy2和Z轴输出fz2:

其中，

进一步的，还可以多次更换机器人进行圆弧运动的平面，再次进行水平安装误差角的标定，获取多次标定的平均值作为最终结果，以减小误差。

综上所述，利用本申请实施例提供的方法，通过获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪输出数据，当利用所述输出数据确定所述三轴陀螺仪的Z轴输出大于预设值时，获取预设数目个大于预设值的Z轴输出分别对应的X轴和Y轴的安装误差角的测量值，设置预设值能够避免Z轴输出较低时引起标定的相对误差较大，即当机器人进行较为明显的圆弧运动时再进行标定，降低三轴陀螺仪在角速度较低时相对误差较高带来的影响；将获取的X轴的安装误差角的测量值的平均值作为IMU在X轴上的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的测量值的平均值作为IMU在Y轴上的安装误差角。本申请提供的方法利用了当IMU存在安装误差角时，当机器人进行圆弧运动便会在正交水平方向上产生耦合的陀螺仪角速度输出，本申请提供的方法基于这种情况下输出的角速度进行解算和标定IMU与机器人间的水平安装误差角，从而简化了标定过程的操作，并且该方法不需要使用额外设备，降低了标定的成本还提升了便携程度。

实施例二：

基于上述实施例提供的IMU的安装误差角的标定方法，本申请实施例还提供了一种IMU的安装误差角的标定装置，下面结合附图具体说明。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种IMU的安装误差角的标定装置的示意图。

本申请实施例所述装置包括：第一获取单元301、第二获取单元302和处理单元303。

第一获取单元301用于获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪的输出数据。

第二获取单元302用于根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个所述Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值。

其中，该预设数目和预设值可以根据实际情况确定，本申请实施例不作具体限定，例如根据实际水平安装误差角的标定精度要求确定。

进一步的，第二获取单元302具体用于：根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出wz，并获取每个所述Z轴输出对应的X轴输出wx和Y轴输出wy；

处理单元303用于当所述圆弧运动结束后，将获取的X轴的安装误差角的平均值作为所述IMU在X轴上的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的平均值作为所述IMU在Y轴上的安装误差角。

当圆弧运动结束时，可解算得到预设数目(以下用N表示)组水平安装误差角。为了减小误差，对此N个水平安装误差角计算均值，可得本次标定过程得到的IMU水平安装误差角φx和φy：

进一步的，所述装置还可以包括补偿单元。该补偿单元用于依据所述IMU在X轴上的安装误差角和所述IMU在Y轴上的安装误差角，对所述IMU的三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出数据进行补偿。

进一步的，补偿单元通过以下公式获取所述三轴陀螺仪的补偿后的X轴输出wx2、Y轴输出wy2和Z轴输出wz2：

其中

补偿单元通过以下公式对所述三轴加速度计的X轴输出fx、Y轴输出fy和Z轴输出fz进行补偿，得到补偿后的X轴输出fx2、Y轴输出fy2和Z轴输出fz2：

其中，

综上所述，该装置的第一获取单元能够获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪输出数据。第二获取单元能够根据所述输出数据获取预设数目个大于预设值的所述三轴陀螺仪的Z轴输出，并获取每个Z轴输出对应的IMU在X轴和Y轴的安装误差角的测量值，设置预设值能够避免Z轴输出较低时引起标定的相对误差较大，即当机器人进行较为明显的圆弧运动时再进行标定，降低三轴陀螺仪在角速度较低时相对误差较高带来的影响。处理单元能够当圆弧运动结束后，将获取的X轴的安装误差角的平均值作为IMU在X轴上的安装误差角，将获取的Y轴的安装误差角的平均值作为IMU在Y轴上的安装误差角。该装置利用了当IMU存在水平安装误差角时，当机器人进行圆弧运动便会在两个正交水平方向产生耦合的陀螺仪角速度输出，本申请提供的装置基于这种情况下输出的角速度进行解算和标定IMU与机器人间的水平安装误差角，从而简化了标定过程的操作。

所述IMU的安装误差角的标定装置包括处理器和存储器，上述第一获取单元、第二获取单元和处理单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来实现对IMU的水平安装误差角的标定。

实施例三：

本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本发明实施例提供了一种电子设备，下面结合附图具体说明。

参见图4，该图为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。

该电子设备40包括至少一个处理器401、以及与处理器401连接的至少一个存储器402、总线403；其中，处理器401、存储器402通过总线403完成相互间的通信；处理器401用于调用存储器402中的程序指令，以执行上述的IMU的安装误差角的标定方法。

本申请还提供了一种机器人，该机器人包括惯性测量单元IMU和处理器。所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的IMU的安装误差角的标定方法。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：

获取机器人进行圆弧运动时IMU的三轴陀螺仪的输出数据；

可选的，所述方法还包括：

其中

其中，

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器(CPU)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。