CN111289012B - 一种传感器的姿态校准方法及装置 - Google Patents

一种传感器的姿态校准方法及装置 Download PDF

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CN111289012B CN202010106980.9A CN202010106980A CN111289012B CN 111289012 B CN111289012 B CN 111289012B CN 202010106980 A CN202010106980 A CN 202010106980A CN 111289012 B CN111289012 B CN 111289012B
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Abstract

本申请实施例提供了一种传感器的姿态校准方法及装置，该方法包括：监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度；利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，生成目标回归方程；将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。应用本申请实施例提供的方案，可以减小传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差，实现了对传感器姿态的校准。

Description

一种传感器的姿态校准方法及装置
技术领域
本申请涉及传感器校准技术领域，特别是涉及一种传感器的姿态校准方法及装置。
背景技术
现有技术中，可以利用传感器来监测待监测物体的加速度。其中，传感器可以安装或放置在待监测物体中，该加速度可以作为该待监测物体的运动信息，也可以表示该传感器的姿态。
在实际情况中，由于在监测该待监测物体的加速度时，传感器和该待监测物体之间存在相对运动，因此会导致所监测得到的该待监测物体的运动信息的误差较大，即造成获得的该传感器的姿态不够准确。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种传感器的姿态校准方法及装置，以可以减小传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差，从而实现对传感器姿态的校准。具体技术方案如下：
第一方面,提供了一种传感器的姿态校准方法，该方法包括：
监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度。
利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的。
根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；其中，定位位移是根据待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的。
将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。
可选的，确定第一旋转角度包括：
获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度。
确定多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度，并将处于运动时刻的三轴加速度确定为待监测物体在地理坐标系中运动时的三轴加速度；其中，静止时刻为待校准传感器相对于待监测物体未运动的时刻；运动时刻为待校准传感器相对于待监测物体运动的时刻。
利用静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴加速度的均值和静止时刻对应的、位于地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度。
可选的，确定第二旋转角度包括：
获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度。
利用每个历史时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度和静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度。
可选的，根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程，包括：
根据地理坐标系下的三轴加速度与定位加速度之间的预设关系式、和在地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在预设单位时长内的、在地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，定位加速度是根据定位位移确定的。
将回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程。
可选的，将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，还包括：
根据校准后的三轴加速度，计算得到待监测物体的校准位移；根据传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到待监测物体的原始位移。
计算定位位移与原始位移的第一均方误差、定位位移与校准位移的第二均方误差，以及第一均方误差与第二均方误差的差值。
将差值作为校准待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
第二方面，提供了一种传感器的姿态校准装置，该装置包括：
监测模块，用于监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度。
转换模块，用于利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的。
第一确定模块，用于根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；定位位移是根据待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的。
校准模块，用于将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第一获得模块，用于获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度。
第二确定模块，用于确定多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度,并将处于运动时刻的三轴加速度确定为待监测物体在地理坐标系中运动时的三轴加速度；其中，静止时刻为待校准传感器相对于待监测物体未运动的时刻；运动时刻为待校准传感器相对于待监测物体运动的时刻。
第一计算模块，用于利用静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴加速度的均值和静止时刻对应的、位于地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第二获得模块，用于获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度。
第二计算模块，用于利用每个历史时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度和静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度。
可选的，第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据地理坐标系下的三轴加速度与定位加速度之间的预设关系式、和在地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在预设单位时长内的、在地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，定位加速度是根据定位位移确定的。
第二确定单元，用于将回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第三计算模块，用于在将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，根据校准后的三轴加速度，计算得到待监测物体的校准位移；根据传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到待监测物体的原始位移。
第四计算模块，用于计算定位位移与原始位移的第一均方误差、定位位移与校准位移的第二均方误差，以及第一均方误差与第二均方误差的差值。
第三确定模块，用于将差值作为校准待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面任一项所述的方法步骤。
第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述的方法步骤。
第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面任一项所述的方法步骤。
本申请实施例提供的一种传感器的姿态校准方法及装置，电子设备监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度；利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的；根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，生成目标回归方程；将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。这样，利用第一旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现确定静止时刻的传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的坐标转换关系；利用第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现在传感器坐标系下每个时刻相对静止时刻的坐标转换关系；目标坐标转换矩阵实现了将每个时刻的三轴加速度的坐标从传感器坐标系转换为地理坐标系，减小了由于待校准传感器与待监测物体之间的相对运动，导致的监测得到的待监测物体的运动信息的误差。将该地理坐标系下的三轴加速度输入回归方程，实现了与全球定位系统所确定的位置信息对应的定位位移做比较，进一步地减小了监测得到的待监测物体的运动信息的误差。这样，可以减小传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差，实现了对传感器姿态的校准。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种传感器的姿态校准方法流程图；
图2为本申请实施例提供的一种传感器的姿态校准装置结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
下面将结合具体实施例，对本申请实施例提供的一种传感器的姿态校准方法进行详细的说明，如图1所示，具体步骤如下：
步骤101，监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度。
步骤102，利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的。
其中，待校准传感器可以将传感器采集到在的三轴加速度进行滤波。具体的，可以利用低通滤波器对三轴加速度进行滤波，再将低通滤波后的三轴加速度作为加速度的测量向量、传感器采集到的角速度作为加速度的方向向量，进行卡尔曼滤波，得到滤波后的三轴加速度。
然后待校准传感器可以将该滤波后的、在传感器坐标系下的三轴加速度输入目标坐标转换矩阵，转换为在地理坐标系下的三轴加速度。
其中，待校准确定第一旋转角度的具体步骤包括：
步骤一，获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度。
步骤二，确定多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度，并将处于运动时刻的三轴加速度确定为待监测物体在地理坐标系中运动时的三轴加速度；其中，静止时刻为待校准传感器相对于待监测物体相对于待监测物体未运动的时刻；运动时刻为待校准传感器相对于待监测物体运动的时刻。
具体的，待校准传感器将滤波后的历史三轴加速度等长划分为若干个数据区间，计算该若干个数据区间的滤波后的历史三轴加速度的合方差均值，当合方差均值小于预设阈值时，确定该合方差均值对应的数据区间是静止区间，若合方差均值大于或等于预设阈值时，确定该合方差均值对应的数据区间是运动区间。
步骤三，利用静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴加速度的均值和静止时刻对应的、位于地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度。
具体的，待校准传感器计算位于传感器坐标系下的、静止区间内的三轴加速度的均值xis、yis和zis，得到传感器坐标系下的、静止区间内的三轴加速度矩阵。令静止时刻的、传感器坐标系下的三轴加速度矩阵与地理坐标系的三轴加速度矩阵相等，从而得到静止时传感器的坐标轴相对地理水平坐标轴的第一旋转角度；将第一旋转角度代入到预设三维空间转换矩阵，得到了传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的第一坐标转换矩阵。
具体的，静止区间内的三轴加速度矩阵为：
Figure BDA0002388325240000071
地理坐标系下的三轴加速度矩阵为
Figure BDA0002388325240000072
令
Figure BDA0002388325240000073
得到静止时刻传感器坐标系相对于地理坐标系的三轴坐标转换关系：siny＝xis/detxyz；
Figure BDA0002388325240000081
sinz＝0；
Figure BDA0002388325240000082
由此得到静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系的第一旋转角度为:
Figure BDA0002388325240000083
Figure BDA0002388325240000084
代入预设三维空间转换矩阵，得到了待校准传感器在静止时刻的第一坐标转换矩阵为matrix_static_zyx，即：
matrix_static_zyx＝matrix_static_z*matrix_static_y*matrix_static_x，其中，
Figure BDA0002388325240000085
Figure BDA0002388325240000086
其中，x表示地理坐标系下的三轴加速度的x轴坐标；y表示地理坐标系下的三轴加速度的y轴坐标；z表示地理坐标系下的三轴加速度的z轴坐标；xis表示传感器坐标系下的三轴加速度的x轴坐标；yis表示传感器坐标系下的三轴加速度的y轴坐标；zis表示传感器坐标系下的三轴加速度的z轴坐标；matrix_static_ori表示静止区间内三轴加速度的矩阵；matrix_horizonta表示地理坐标系下的三轴加速度的矩阵；det表示方阵函数；sin表示三角函数中的正弦函数；cos表示三角函数中的余弦函数；arctan表示三角函数中的反正切函数；angle_static_x表示静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系在x轴上的旋转角度；angle_static_y表示静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系在y轴上的旋转角度；angle_static_z表示静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系在z轴上的旋转角度；matrix_static_zyx表示传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的第一坐标转换矩阵；matrix_static_x表示传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度在x轴的转换矩阵；matrix_static_y表示表示传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度在y轴的转换矩阵；matrix_static_z表示表示传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度在z轴的转换矩阵。
确定第二旋转角度的具体步骤包括：
步骤一，获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度。
步骤二，利用每个历史时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度和静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度。
其中，待校准传感器可以挑选一个静止区间内均方误差最小的三轴角速度均值。然后待校准传感器可以利用每个时刻的三轴角速度以及静止区间的三轴角速度均值，计算得到每个时刻相对静止时刻发生的第二旋转角度angle_motion_x,angle_motion_y,angle_motion_z，即：
Figure BDA0002388325240000091
Figure BDA0002388325240000092
Figure BDA0002388325240000093
将第二旋转角度代入预设三维空间转换矩阵，得到在传感器坐标系下，将每个时刻相对静止时刻的第二转换坐标矩阵为matrix_motion_zyx，即：
matrix_motion_zyx＝matrix_motion_z*matrix_motion_y*matrix_motion_x，其中，
Figure BDA0002388325240000094
Figure BDA0002388325240000095
Figure BDA0002388325240000096
其中，angle_motion_x表示在传感器坐标系下，每个时刻相对静止时刻在x轴的旋转角度；angle_motion_y表示在传感器坐标系下，每个时刻相对静止时刻在y轴的旋转角度；angle_motion_z表示在传感器坐标系下，每个时刻相对静止时刻在z轴的旋转角度；gyro_x[m]表示每个时刻的三轴角速度的x轴坐标；gyro_y[m]表示每个时刻的三轴角速度的y轴坐标；gyro_z[m]表示每个时刻的三轴角速度的z轴坐标；gyro_x_avg表示静止区间的三轴加速度均值在传感器坐标下的x轴坐标；gyro_y_avg表示静止区间的三轴加速度均值在传感器坐标下的y轴坐标；gyro_z_avg表示静止区间的三轴加速度均值在传感器坐标下的z轴坐标；Tsample表示采样时间；matrix_motion_zyx表示在传感器坐标系下，每个时刻相对静止时刻的第二转换坐标矩阵；matrix_motion_x表示在传感器坐标系下，每个时刻的三轴角速度相对静止时刻在x轴的坐标转换矩阵；matrix_motion_y表示在传感器坐标系下，每个时刻的三轴角速度相对静止时刻在y轴的坐标转换矩阵；matrix_motion_z表示在传感器坐标系下，每个时刻的三轴角速度相对静止时刻在z轴的坐标转换矩阵。
将第一旋转角度代入预设三维空间转换矩阵，得到静止时刻的传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的第一坐标转换矩阵；将第二旋转角度代入预设三维空间转换矩阵中，得到了传感器坐标系下每个时刻转换为相对静止时刻的第二坐标转换矩阵。
然后，将第一坐标转换矩阵的逆矩阵matrix_motion_zyx.I与第二坐标转换矩阵的逆矩阵matrix_static_zyx.I相乘，得到地理坐标系下的转换矩阵matirx_zyx＝matrix_motion_zyx.I*matrix_static_zyx.I；将转换矩阵matrix_zyx的逆矩阵matrix_zyx.I与每个时刻滤波后的三轴加速度x_motion,y_motion,z_motion相乘，得到传感器在实时运动时地理坐标系转换后的三轴加速度x_trans、y_trans、z_trans，即：
Figure BDA0002388325240000101
其中，x_trans表示地理坐标系下的三轴加速度的x轴坐标；y_trans表示地理坐标系下的三轴加速度的y轴坐标；z_trans表示地理坐标系下的三轴加速度的z轴坐标；x_motion表示滤波后的三轴加速度的x轴坐标；y_motion表示滤波后的三轴加速度的y轴坐标；z_motion表示滤波后的三轴加速度的z轴坐标；matrix_motion_zyx.I表示第二坐标转换矩阵的逆矩阵；matrix_static_zyx.I表示第一坐标转换矩阵的逆矩阵；matirx_zyx表示目标坐标转换矩阵；matrix_zyx.I表示目标坐标转换逆矩阵。
本申请实施例中，根据历史三轴加速度和三轴角速度，确定了将三轴加速度从传感器坐标转换到地理坐标系的目标转换矩阵，减小了传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差。
步骤103，根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；定位位移是根据待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的。
其中，待校准传感器中的全球定位系统可以收集该传感器的经度信息和纬度信息；然后可以将经纬度信息代入坐标转换公式中，将经纬度信息转换为投影坐标系下的横坐标和纵坐标。然后可以根据横纵坐标计算预设数目个坐标点之间的位移差，作为预设单位时间内的定位位移。
具体的，坐标转换公式为：
Figure BDA0002388325240000111
Figure BDA0002388325240000112
其中，lng_data表示经度信息；lat_data表示纬度信息；GPSe(x方向)表示在投影坐标系下的横轴坐标，与经度信息对应；GPSn(y方向)表示投影坐标系下的纵轴坐标，与纬度信息对应；π表示圆周率；log表示以10为底的对数；tan表示正切函数。
具体的，根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程，包括以下步骤：
步骤一，根据地理坐标系下的三轴加速度与定位加速度之间的预设关系式、和在地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在预设单位时长内的、在地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，定位加速度是根据定位位移确定的。
预设关系式为x＝Nnyn+Nn-1yn-1+···+N2y2+N1y+N0；每段预设单位时长Δt内的位移计算公式为
Figure BDA0002388325240000121
等；当预设关系式为x＝ay2+by+c时，将该预设关系式代入位移计算公式，可以得到每段时间的位移为
Figure BDA0002388325240000122
Figure BDA0002388325240000123
Figure BDA0002388325240000124
即可确定第K段时间内的位移的函数表达式为
Figure BDA0002388325240000125
Figure BDA0002388325240000126
其中，x表示地理坐标系下的三轴加速度；x1表示第一段预设时长内的地理坐标系下的三轴加速度；x2表示第二段预设时长内的地理坐标系下的三轴加速度；x3表示第三段预设时长内的地理坐标系下的三轴加速度；y表示定位加速度；y1表示第一段预设时长内的定位加速度；y2表示第二段预设时长内的定位加速度；y3表示第三段预设时长内的定位加速度；a、b、c为未知系数；m表示第m段预设时长；k表示第k段预设时长；yk表示第k段预设时长内的定位加速度；ym表示第m段预设时长内的定位加速度；distk表示第k段预设时长内的位移。
步骤二，将回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程。
假设有N个序号标签，每个序号标签对应的时间区间包括若干个时间间隔Δt，因此时间区间内的位移表达式为
Figure BDA0002388325240000127
可以得到序号标签与对应的时间区间内的位移的一个损失函数为：
Figure BDA0002388325240000131
当损失函数取最小值时，对该损失函数中的未知系数a、b、c求偏导，令其偏导数为0，可以得到一个关于a、b、c的线性方程组，即AX＝B，其中
Figure BDA0002388325240000132
Figure BDA0002388325240000133
求解可确定未知系数a、b、c的值，即得到目标回归方程的系数，从而确定目标回归方程。
其中，gpsj和j表示序号；DISTj表示第j个时间区间内的位移；
Figure BDA0002388325240000134
表示k阶方程的第0项系数；
Figure BDA0002388325240000135
表示k阶方程的第1项系数；
Figure BDA0002388325240000136
表示k阶方程的第2项系数；
Figure BDA0002388325240000137
表示k阶方程的第n项系数；lj表示第j个时间区间内的位移段；N表示序号标签总个数。
本申请实施例中，待校准传感器通过将坐标转换获得地理坐标系下的三轴加速度，与根据全球定位系统确定的待监测物体的位置信息，计算得到的定位加速度做比较，确定了关于全球定位系统确定的定位位移的目标回归方程，进一步消除了待校准传感器与待监测物体之间相对运动，造成的待校准传感器的姿态误差。
步骤104，将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。
本申请实施例中，利用第一旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现确定静止时刻的传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的坐标转换关系；利用第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现在传感器坐标系下每个时刻相对静止时刻的坐标转换关系；目标坐标转换矩阵实现了将每个时刻的三轴加速度的坐标从传感器坐标系转换为地理坐标系，减小了由于待校准传感器与待监测物体之间的相对运动，导致的监测得到的待监测物体的运动信息的误差。将该地理坐标系下的三轴加速度输入回归方程，实现了与全球定位系统所确定的位置信息对应的定位位移做比较，进一步地减小了监测得到的待监测物体的运动信息的误差。这样，可以减小传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差，实现了对传感器姿态的校准。
具体的，待校准传感器输出该校准后的三轴加速度，作为待监测物体的运动信息。
可选的，在将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，还包括：
根据校准后的三轴加速度，计算得到待监测物体的校准位移；根据传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到待监测物体的原始位移；
计算定位位移与原始位移的第一均方误差、定位位移与校准位移的第二均方误差，以及第一均方误差与第二均方误差的差值；
将差值作为校准待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
本申请实施例中，比较定位位移与原始位移的第一均方误差、和定位位移与校准位移的第二均方误差的差值，可以该次校准传感器姿态的结果的准确度，为进行下一次的传感器姿态校准提供了参考数据。
基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种传感器的姿态校准装置，如图2所示，该装置应用于待校准传感器，该装置包括：
监测模块201，用于监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度。
转换模块202，用于利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的。
第一确定模块203，用于根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；定位位移是根据待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的。
校准模块204，用于将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。
本申请实施例提供的一种传感器的姿态校准方法及装置，电子设备监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度；利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；第一旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；第二旋转角度是根据待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的；根据地理坐标系下的三轴加速度和待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，生成目标回归方程；将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准待校准传感器的姿态。这样，利用第一旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现确定静止时刻的传感器坐标系与地理坐标系的三轴加速度的坐标转换关系；利用第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵，可以实现在传感器坐标系下每个时刻相对静止时刻的坐标转换关系；目标坐标转换矩阵实现了将每个时刻的三轴加速度的坐标从传感器坐标系转换为地理坐标系，减少了由于待校准传感器与待监测物体之间的相对运动，导致的监测得到的待监测物体的运动信息的误差。将该地理坐标系下的三轴加速度输入回归方程，实现了与全球定位系统所确定的位置信息所对应的定位位移做比较，进一步地减小了监测得到的待监测物体的运动信息的误差。这样，可以减小传感器所监测得到的待监测物体的运动信息的误差，实现了对传感器姿态的校准。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第一获得模块，用于获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度。
第二确定模块，用于确定多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度；其中，静止时刻为待校准传感器相对于待监测物体未运动的时刻；运动时刻为待监测物体在地理水平坐标系中运动的时刻。
第一计算模块，用于利用静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴加速度的均值和静止时刻对应的、位于地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算静止时刻传感器坐标系相对地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第二获得模块，用于获得待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度。
第二计算模块，用于利用每个历史时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度和静止时刻对应的、位于传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度。
可选的，第一确定模块203包括：
第一确定单元，用于根据地理坐标系下的三轴加速度与定位加速度之间的预设关系式、和在地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在预设单位时长内的、在地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，定位加速度是根据定位位移确定的。
第二确定单元，用于将回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程。
可选的，传感器的姿态校准装置还包括：
第三计算模块，用于在将地理坐标系下的三轴加速度代入目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，根据校准后的三轴加速度，计算得到待监测物体的校准位移；根据传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到待监测物体的原始位移。
第四计算模块，用于计算定位位移与原始位移的第一均方误差、定位位移与校准位移的第二均方误差，以及第一均方误差与第二均方误差的差值。
第三确定模块，用于将差值作为校准待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
本申请实施例还提供了一种电子设备，如图3所示，包括处理器301、通信接口302、存储器303和通信总线304，其中，处理器301，通信接口302，存储器303通过通信总线304完成相互间的通信，
存储器303，用于存放计算机程序；
处理器301，用于执行存储器303上所存放的程序时，实现上述传感器的姿态校准方法实施例中的任一方法步骤。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述传感器的姿态校准方法实施例中的任一方法步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述传感器的姿态校准方法实施例中的任一方法步骤。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、计算机可读存储介质以及计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (4)

1.一种传感器的姿态校准方法，其特征在于，所述方法包括：
监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度；
利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从所述传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，所述目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；所述第一旋转角度是根据所述待校准传感器在多个历史时刻的、所述传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；所述第二旋转角度是根据所述待校准传感器在多个历史时刻的、所述传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的；
根据所述地理坐标系下的三轴加速度和所述待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；其中，所述定位位移是根据所述待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的；
将所述地理坐标系下的三轴加速度代入所述目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准所述待校准传感器的姿态；
确定所述第一旋转角度，包括：
获得所述待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度；
确定所述多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度，并将所述处于运动时刻的三轴加速度确定为所述待监测物体在地理坐标系中运动时的三轴加速度；其中，所述静止时刻为所述待校准传感器相对于所述待监测物体未运动的时刻；所述运动时刻为所述待校准传感器相对于所述待监测物体运动的时刻；
利用所述静止时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴加速度的均值和所述静止时刻对应的、位于所述地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算所述静止时刻所述传感器坐标系相对所述地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度；
确定所述第二旋转角度，包括：
获得所述待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度；
利用每个历史时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴角速度和所述静止时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算所述每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度；
所述根据所述地理坐标系下的三轴加速度和所述待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程，包括：
根据所述地理坐标系下的三轴加速度与定位加速度之间的预设关系式、和在所述地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在预设单位时长内的、在所述地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，所述定位加速度是根据所述定位位移确定的；
将所述回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程；
所述回归位移的函数表达式为
Figure FDA0003135731500000021
Figure FDA0003135731500000022
其中，a、b、c为未知系数；m表示第m段预设时长；k表示第k段预设时长；yk表示第k段预设时长内的定位加速度；ym表示第m段预设时长内的定位加速度；distk表示第k段预设时长内的位移；
所述a、b、c通过以下方式确定得到：
假设有N个序号标签，每个序号标签对应的时间区间包括若干个时间间隔Δt，则时间区间内的位移表达式为
Figure FDA0003135731500000023
序号标签与对应的时间区间内的位移的一个损失函数为：
Figure FDA0003135731500000024
当所述损失函数取最小值时，对所述损失函数中的未知系数a、b、c求偏导，令所述偏导数为0，得到一个关于a、b、c的线性方程组，即AX＝B，其中
Figure FDA0003135731500000031
Figure FDA0003135731500000032
其中，gpsj和j表示序号；DISTj表示第j个时间区间内的位移；
Figure FDA0003135731500000033
表示k阶方程的第0项系数；
Figure FDA0003135731500000034
表示k阶方程的第1项系数；
Figure FDA0003135731500000035
表示k阶方程的第2项系数；
Figure FDA0003135731500000036
表示k阶方程的第n项系数；lj表示第j个时间区间内的位移段；N表示序号标签总个数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述地理坐标系下的三轴加速度代入所述目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，还包括：
根据所述校准后的三轴加速度，计算得到所述待监测物体的校准位移；根据所述传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到所述待监测物体的原始位移；
计算所述定位位移与所述原始位移的第一均方误差、所述定位位移与所述校准位移的第二均方误差，以及所述第一均方误差与所述第二均方误差的差值；
将所述差值作为校准所述待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
3.一种传感器的姿态校准装置，其特征在于，所述装置包括：
监测模块，用于监测待校准传感器在传感器坐标系下的三轴加速度；
转换模块，用于利用预先构建的目标坐标转换矩阵，将滤波后的三轴加速度从所述传感器坐标系转换为地理坐标系；其中，所述目标坐标转换矩阵是根据第一旋转角度、第二旋转角度和预设三维空间转换矩阵生成的；所述第一旋转角度是根据所述待校准传感器在多个历史时刻的、所述传感器坐标系下的历史三轴加速度确定的；所述第二旋转角度是根据所述待校准传感器在多个历史时刻的、所述传感器坐标系下的历史三轴角速度确定的；
第一确定模块，用于根据所述地理坐标系下的三轴加速度和所述待校准传感器所位于的待监测物体的定位位移，确定目标回归方程；所述定位位移是根据所述待校准传感器收集到的经度信息和纬度信息确定的；
校准模块，用于将所述地理坐标系下的三轴加速度代入所述目标回归方程，得到校准后的三轴加速度，以校准所述待校准传感器的姿态；
第一获得模块，用于获得所述待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴加速度；
第二确定模块，用于确定所述多个历史时刻中处于静止时刻的三轴加速度和处于运动时刻的三轴加速度,并将所述处于运动时刻的三轴加速度确定为待监测物体在地理坐标系中运动时的三轴加速度；其中，所述静止时刻为所述待校准传感器相对于所述待监测物体未运动的时刻；所述运动时刻为所述待校准传感器相对于所述待监测物体运动的时刻；
第一计算模块，用于利用所述静止时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴加速度的均值和所述静止时刻对应的、位于所述地理坐标系下的三轴加速度的均值，计算所述静止时刻所述传感器坐标系相对所述地理坐标系的旋转角度作为第一旋转角度；
第二获得模块，用于获得所述待校准传感器在多个历史时刻的、传感器坐标系下的历史三轴角速度；
第二计算模块，用于利用每个历史时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴角速度和所述静止时刻对应的、位于所述传感器坐标系下的三轴角速度均值，计算所述每个历史时刻相对静止时刻的旋转角度作为第二旋转角度；
所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据所述地理坐标系下的三轴加速度与所述定位加速度之间的预设关系式、和在所述地理坐标系下的计算回归位移的关系式，确定在所述预设单位时长内的、在所述地理坐标系下的回归位移的函数表达式；其中，所述定位加速度是根据所述定位位移确定的；
第二确定单元，用于将所述回归位移的函数表达式的均方误差取得最小值时，对应的函数表达式作为目标回归方程；
所述回归位移的函数表达式为
Figure FDA0003135731500000051
Figure FDA0003135731500000052
其中，a、b、c为未知系数；m表示第m段预设时长；k表示第k段预设时长；yk表示第k段预设时长内的定位加速度；ym表示第m段预设时长内的定位加速度；distk表示第k段预设时长内的位移；
所述a、b、c通过以下方式确定得到：
假设有N个序号标签，每个序号标签对应的时间区间包括若干个时间间隔Δt，则时间区间内的位移表达式为
Figure FDA0003135731500000053
序号标签与对应的时间区间内的位移的一个损失函数为：
Figure FDA0003135731500000054
当所述损失函数取最小值时，对所述损失函数中的未知系数a、b、c求偏导，令所述偏导数为0，得到一个关于a、b、c的线性方程组，即AX＝B，其中
Figure FDA0003135731500000061
Figure FDA0003135731500000062
其中，gpsj和j表示序号；DISTj表示第j个时间区间内的位移；
Figure FDA0003135731500000063
表示k阶方程的第0项系数；
Figure FDA0003135731500000064
表示k阶方程的第1项系数；
Figure FDA0003135731500000065
表示k阶方程的第2项系数；
Figure FDA0003135731500000066
表示k阶方程的第n项系数；lj表示第j个时间区间内的位移段；N表示序号标签总个数。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器的姿态校准装置还包括：
第三计算模块，用于在将所述地理坐标系下的三轴加速度代入所述目标回归方程，得到校准后的三轴加速度之后，根据所述校准后的三轴加速度，计算得到所述待监测物体的校准位移；根据所述传感器坐标系下的三轴加速度，计算得到所述待监测物体的原始位移；
第四计算模块，用于计算所述定位位移与所述原始位移的第一均方误差、所述定位位移与所述校准位移的第二均方误差，以及所述第一均方误差与所述第二均方误差的差值；
第三确定模块，用于将所述差值作为校准所述待校准传感器姿态的校准结果的准确度。
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