CN111595362B - 一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备，方法包括：根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

Description

一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备

技术领域

本申请涉及测量技术领域，尤其涉及一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备。

背景技术

基于惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)的产品如增强现实AR(Augmented Reality)设备等在实际使用时，为了保持精度，通常需要对IMU的各项参数进行标定。

目前，为了标定IMU的各项参数，通常需要借助使用价格较为昂贵的标定转台设备对IMU的各项参数进行标定。在使用标定转台设备时，需要将IMU配置到相应位置，并且需要配置标定状态设备的标定参数。

由于标定转台设备价格昂贵且要求较高的精度，在配置标定转台设备的参数时需要特定的工作人员进行精密的配置操作。因此，在使用标定转台设备进行IMU参数标定时，存在标定操作复杂度较高的情况。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备，包括：

一种惯性测量单元的参数标定方法，包括：

根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；

根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；

根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

上述方法，优选的，所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数，包括：

根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；

根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；

将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

上述方法，优选的，在根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据之前，所述方法还包括：

设置所述图像采集装置在每个所述目标位置上的运动参数；其中，不同的所述目标位置上所述图像采集装置的运动参数不同。

上述方法，优选的，根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据，包括：

分别对每个所述目标位置上对应的第一图像进行特征点提取，以得到每帧所述第一图像的第一图像特征点；

至少根据所述第一图像特征点以及第二图像特征点，分别获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据，所述第二图像特征点为对所述目标位置对应的前一个目标位置上所采集到的第二图像进行特征点提取得到的特征点；

其中，所述第一状态数据包括所述图像采集装置的第一位置数据、第一速度数据及第一姿态数据。

上述方法，优选的，根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据，包括：

分别对每个所述目标位置上对应的第一运动数据中的加速度和角速度进行处理，得到所述IMU在每个所述目标位置上的旋转矩阵和平移向量；

根据所述旋转矩阵和平移向量，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；

其中，所述第二状态数据包括所述IMU的第二位置数据、第二速度数据及第二姿态数据。

上述方法，优选的，还包括：

在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述图像采集设备绕每个所述坐标轴旋转过程中所采集到的目标图像，所述目标图像中包含有所述目标对象；

根据所述目标图像，获得所述图像采集装置分别对应于每个所述坐标轴的第一角速度；

在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述IMU分别对应于每个所述坐标轴采集到的第二角速度；

根据分别对应于每个所述坐标轴的所述第一角速度和所述第二角速度，获得坐标系旋转矩阵，所述坐标系旋转矩阵表征所述IMU所处坐标系与所述电子设备所处坐标系之间的映射关系。

一种惯性测量单元的参数标定装置，包括：

第一状态获得单元，用于根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；

第二状态获得单元，用于根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；

参数标定单元，用于根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

上述装置，优选的，所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，所述参数标定单元具体用于：根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

上述装置，优选的，还包括：

目标图像获得单元，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述图像采集设备在每个所述目标位置上所采集到的目标图像；

第一角速度获得单元，用于根据所述目标图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上分别对应于每个所述坐标轴的第一角速度；

第二角速度获得单元，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述IMU在每个所述目标位置上采集到的第二角速度；

坐标系标定单元，用于根据每个所述位置上分别对应于每个所述坐标轴的所述第一角速度和所述第二角速度，获得坐标系旋转矩阵，所述坐标系旋转矩阵表征所述IMU所处坐标系与所述电子设备所处坐标系之间的映射关系。

一种电子设备，包括：

图像采集装置，用于采集图像；

IMU，用于采集运动数据；

处理器，用于根据所述图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；根据所述IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

由上述方案可知，本申请提供的一种惯性测量单元的参数标定方法、装置及电子设备中，通过图像采集装置在多个位置上采集图像，进而得到准确的电子设备的第一状态数据，由此，根据该第一状态数据和IMU测量的运动数据所生成的第二状态数据进行处理，以得到IMU的部件参数，进而实现IMU部件参数的重新标定。可见，本实施例中避免使用操作复杂度较高且价格较为昂贵的标定转台设备，而是在IMU所在电子设备配置一个图像采集装置并在固定位置上设置一个目标对象就可以实现IMU部件参数的标定，由此，本实施例中能够明显降低IMU部件参数标定时的操作复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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为本申请实施例一提供的一种惯性测量单元的参数标定方法的流程图；

图2-图4分别为本申请实施例的应用示例图；

图5为本申请实施例一提供的一种惯性测量单元的参数标定方法的部分流程图；

图6为本申请实施例一提供的一种惯性测量单元的参数标定方法的另一流程图；

图7-图9分别为本申请实施例一提供的一种惯性测量单元的参数标定方法的另一部分流程图；

图10为本申请实施例二提供的一种惯性测量单元的参数标定装置的结构示意图；

图11为本申请实施例二提供的一种惯性测量单元的参数标定装置的另一结构示意图；

图12为本申请实施例三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。

参考图1，为本申请实施例一提供的一种惯性测量单元的参数标定方法的实现流程图，该方法适用于具有IMU且能够进行数据处理的电子设备中，如AR设备等。本实施例中的技术方案主要用于实现对IMU的部件参数的标定，以提高IMU所采集到的运动数据的准确性。

具体的，本实施例中的方法可以包括以下步骤：

步骤101：根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据。

其中，目标对象设置在固定位置上。如图2中所示，目标对象可以为具有标定画面的标定板，该标定板设置在固定位置A上，而图像采集装置依次在每个目标位置B(B1-B6)上采集包含标定板的第一图像，在每帧第一图像中包含有标定板中的标定画面。

需要说明的是，为了提高后续获得第一状态数据的准确性，本实施例中可以在标定板上设置高精度易识别的标定画面，如图3中所示。

具体实现中，本实施例中可以通过与图像采集装置之间的数据连接，获得到图像采集装置在每个目标位置上采集到的第一图像，之后，再对这些第一图像进行图像处理，以得到图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据。

其中，图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据包含有：图像采集装置在每个目标位置上的第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据。其中的第一姿态数据可以包含图像采集装置在预设的6个自由度上的角度数据。

步骤102：根据IMU在每个目标位置上所采集到的第一运动数据，获得IMU在每个目标位置上的第二状态数据。

其中，IMU与图像采集装置设置在同一电子设备上。如图4中所示，图像采集装置与IMU属于同一电子设备，在电子设备携带图像采集装置在每个目标位置上移动的过程中，IMU也随着电子设备在每个目标位置上移动。基于此，本实施例中对IMU在每个目标位置上采集到的第一运动数据进行获取，并根据这些第一运动数据，获得到IMU在每个目标位置上的第二状态数据。

需要说明的是，IMU在每个目标位置上的第一运动数据可以包含有：IMU在每个目标位置上的加速度和角速度。而IMU在每个目标位置上的第二状态数据可以包括有：IMU在每个目标位置上的第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据。其中的第二姿态数据可以包含有IMU在预设的6个自由度上的角度数据。

步骤103：根据每个第一状态数据与其分别对应的第二状态数据，标定IMU的部件参数。

其中，IMU在每个目标位置上的第二状态数据是基于IMU的部件参数进行运动数据测量所生成的状态数据，因此，第二状态数据为可能存在误差的数据；而图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据时基于图像处理所生成的状态数据，与IMU的部件参数无关，因此，第一状态数据为准确的数据，因此，本实施例中根据每个目标位置上的第一状态数据和该目标位置上对应的第二状态数据，对IMU的部件参数进行重新标定，以使得IMU的部件参数对IMU进行数据测量所产生的误差减小。

具体的，本实施例中可以分别对每组状态数据进行误差处理，进而得到IMU的各项部件参数，用于参数标定。其中的每组状态数据是指：每个目标位置上对应的第一状态数据和第二状态数据。

需要说明的是，本实施例中所标定的IMU的部件参数可以包含有：IMU中加速度计的尺度因子、非正交性角度和零偏参数，还可以包含有IMU中陀螺仪的尺度因子、非正交性角度和零偏参数，等等。

由上述方案可知，本申请实施例一提供的一种IMU的参数标定方法中，通过图像采集装置在多个位置上采集图像，进而得到准确的电子设备的第一状态数据，由此，根据该第一状态数据和IMU测量的运动数据所生成的第二状态数据进行处理，以得到IMU的部件参数，进而实现IMU部件参数的重新标定。可见，本实施例中避免使用操作复杂度较高且价格较为昂贵的标定转台设备，而是在IMU所在电子设备配置一个图像采集装置并在固定位置上设置一个目标对象就可以实现IMU部件参数的标定，由此，本实施例中能够明显降低IMU部件参数标定时的操作复杂度。

在一种实现方式中，由前文可知，图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据包含：图像采集装置在每个目标位置上的第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；而IMU在每个目标位置上的第二状态数据包含：IMU在每个目标位置上的第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

基于此，在步骤103中根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数时，具体可以通过以下方式实现，如图5中所示：

步骤501：根据每个第一位置数据与其分别对应的第二位置数据、每个第一速度数据与其分别对应的第二速度数据、以及每个第一姿态数据与其分别对应的第二姿态数据，获得误差数据。

其中，误差数据可以包含有IMU的测量残差数据，或者，误差数据中除了包含有IMU的测量残差数据，还包含有图像采集装置的重投影残差数据。IMU的测量残差数据是指由于IMU的部件参数所引起的误差数据，而图像采集装置的重投影残差数据是指由于图像采集装置的图像处理偏差所引起的误差数据。

具体实现中，本实施例中IMU的测量残差数据可以包含每个目标位置上的测量残差数据，而每个目标位置上的测量残差数据包括：关于位置的残差数据项、关于速度的残差数据项和关于姿态的残差数据项，其中：

关于位置的残差数据项可以利用预设的数据距离计算方式如马氏距离算法对相应目标位置上的第一位置数据和第二位置数据进行处理，以得到该目标位置上关于位置的残差数据项；关于速度的残差数据项可以利用预设的数据距离计算方式对相应目标位置上的第一速度数据和第二速度数据进行处理，以得到该目标位置上关于速度的残差数据项；关于姿态的残差数据项可以利用预设的数据距离计算方式对相应目标位置上的第一姿态数据和第二姿态数据进行处理，以得到该目标位置上关于姿态的残差数据项。

而图像采集装置的重投影残差数据可以包含每个目标位置上的重投影残差数据，而每个目标位置上的重投影残差数据可以根据该目标位置上的第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据进行处理获得。

步骤502：根据误差数据，获得参数矩阵。

其中，参数矩阵中包含多个矩阵元素，每个矩阵元素分别对应于IMU的一个部件参数，而每个矩阵元素的元素值即为IMU中的相应部件参数的参数值。

具体的，本实施例中对误差数据进行处理，以得到能够使得误差数据最小的参数矩阵。

例如，本实施例中可以通过误差数据构建目标函数，如公式(1)，该目标函数中包含有IMU的测量残差数据和图像采集装置的重投影残差数据，而这两项误差数据中均包含有未知的自变量，即IMU的部件参数对应的变量，基于此，本实施例中对目标函数进行最小化，而最小化时的目标函数中的各个自变量的值即为相应部件参数的最优值，由此，得到参数矩阵。

min{||Rp||²+Σ||Rb||²+Σ||Rc||²} 公式(1)

其中，Rp为边缘化的先验信息，为已知的数据值，Rb为IMU的测量残差数据，Rc为图像采集装置的重投影残差数据，Rb和Rc中包含IMU的部件参数对应的未知变量，在对公式(1)的函数最小化所得到的部件参数的值形成参数矩阵。

步骤503：将矩阵元素的元素值设置为IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

其中，本实施例中在得到参数矩阵之后，根据参数矩阵中的矩阵元素对IMU的部件参数进行标定。具体为：将参数矩阵中每个矩阵元素的元素值设置为IMU中与该矩阵元素相对应的部件参数的值。

例如，将参数矩阵中加速度计尺度因子的矩阵元素的元素值设置为IMU的加速度计尺度因子的值；将参数矩阵中加速度计的非正交性角度的矩阵元素的元素值设置为IMU的加速度计的非正交性角度的值；将参数矩阵中加速度计的零偏参数的矩阵元素的元素值设置为IMU的加速度计的零偏参数的值；将参数矩阵中陀螺仪尺度因子的矩阵元素的元素值设置为IMU的陀螺仪尺度因子的值；将参数矩阵中陀螺仪的非正交性角度的矩阵元素的元素值设置为IMU的陀螺仪的非正交性角度的值；将参数矩阵中陀螺仪的零偏参数的矩阵元素的元素值设置为IMU的陀螺仪的零偏参数的值。

在一种实现方式中，在步骤101在根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据之前，本实施例中的方法中还可以包括以下步骤，如图6中所示：

步骤104：设置图像采集装置在每个目标位置上的运动参数。

其中，不同的目标位置上图像采集装置的运动参数不同，也就是说，基于这一实现，图像采集转置按照目标位置组成的路径进行运动，并且在每个目标位置上采集第一图像时是以不同的运动参数进行运动的，同时，图像采集装置在每个目标位置上均能够采集到包含目标对象的第一图像。

例如，在目标位置B1上图像采集装置采集到第一图像时的加速度、角速度、速度和运动方向等参数均与在目标位置B2上图像采集装置采集第二图像时的加速度、角速度、速度和运动方向等参数不同。

基于此，本实施例中通过设置图像采集装置以不同的运动参数采集第一图像，从而能够丰富所获得的第一状态数据和IMU对应的第二状态数据的多样性，从而提高后续对IMU的部件参数进行标定的准确性。

在一种实现方式中，步骤101在根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据时，具体可以通过以下方式实现，如图7中所示：

步骤701：分别对每个目标位置上对应的第一图像进行特征点提取，以得到每帧第一图像的第一图像特征点。

其中，本实施例中可以通过图像特征提取算法对每帧第一图像进行图像特征点的提取处理，从而得到每帧第一图像的第一图像特征点。

步骤702：至少根据第一图像特征点以及第二图像特征点，分别获得图像采集装置在每个目标位置上的第一状态数据。

其中，这里的第二图像特征点是指对目标位置对应的前一个目标位置上所采集到的第二图像进行特征点提取得到的特征点。也就是说，对于每个目标位置来说，将前一个目标位置上所对应的第一图像中的第一图像特征点作为第二图像特征点，与当前的目标位置上的第一图像特征点一起，对这些图像特征点进行处理，获得到每个目标位置上的第一状态数据，包含：图像采集装置的第一位置数据、第一速度数据及第一姿态数据。

具体的，本实施例中将第一图像中的每个第一图像特征点和与该第一图像特征点对应的第二图像特征点进行特征点比对，根据比对结果，在第二图像对应的目标位置上的位置数据、速度数据和姿态数据的基础上，获得到第一图像对应的目标位置上的位置数据、速度数据和姿态数据。

在一种实现方式中，步骤102在根据IMU在每个目标位置上所采集到的第一运动数据，获得IMU在每个目标位置上的第二状态数据时，具体可以通过以下方式实现，如图8中所示：

步骤801：分别对每个目标位置上对应的第一运动数据中的加速度和角速度进行处理，得到IMU在每个目标位置上的旋转矩阵和平移向量。

例如，本实施例中分别针对每个目标位置，对相应的第一运动数据中的加速度进行二次积分，得到每个目标位置上IMU的平移向量，即位置上的增量，对相应的第一运动数据中的加速度进行一次积分，得到每个目标位置上IMU的速度增量，对第一运动数据中的角速度进行一次积分，得到每个目标位置上IMU的旋转矩阵，即角度增量。

步骤802：根据旋转矩阵和平移向量，获得IMU在每个目标位置上的第二状态数据。

例如，本实施例中可以根据IMU在每个目标位置对应的前一个目标位置上的位置数据以及前一个目标位置上的平移向量，获得IMU在当前的目标位置上的第二位置数据；本实施例中可以根据IMU在每个目标位置对应的前一个目标位置上的速度数据以及前一个目标位置上的速度增量，获得IMU在当前的目标位置上的第二速度数据；本实施例中可以根据IMU在每个目标位置对应的前一个目标位置上的姿态数据以及前一个目标位置上的旋转矩阵，获得IMU在当前的目标位置上的第二姿态数据。基于此，本实施例中能够获得每个目标位置上的IMU的第二位置数据、第二速度数据及第二姿态数据。

在一种实现方式中，本实施例中还可以实现对IMU的坐标系和电子设备的坐标系之间的校准，具体如图9中所示：

步骤901：在图像采集装置的图像采集方向分别与电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得图像采集设备绕每个坐标轴旋转过程中所采集到的目标图像，其中，目标图像中包含有目标对象。

也就是说，本实施例中，分别将图像采集装置的图像采集方向标定为与电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变，即将电子设备所处坐标系中的待标定的坐标轴方向与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备所处坐标系中的每个待标定的坐标轴方向与图像采集装置的图像采集方向固定的情况下，分别获得图像采集设备朝向目标对象所在位置并绕每个坐标轴旋转时采集到的目标图像，即得到电子设备所处坐标系中每个坐标轴各自对应的一组目标图像，每组目标图像中的每帧分别对应于一个旋转位置。

步骤902：根据目标图像，获得图像采集装置分别对应于每个坐标轴的第一角速度。

其中，本实施例中可以通过对每个旋转位置上的目标图像提取图像特征点，并结合前一个旋转位置上的图像特征点，获得图像采集装置在每个旋转位置上进行转动的角度增量，进而得到在每个旋转位置上的角速度，此时，也就得到分别对应于电子设备所在坐标系的每个坐标轴的第一角速度。

例如，本实施例中可以先通过对每个旋转位置上的目标图像提取图像特征点，并结合前一个旋转位置上的图像特征点，获得图像采集装置在每个旋转位置上的姿态数据，再结合图像采集装置在每个旋转位置的前一个旋转位置上的姿态数据，获得到图像采集装置在每个旋转位置上的旋转矩阵，即角度增量，之后，再基于该旋转矩阵，得到图像采集装置在每个旋转位置上的角速度。

步骤903：在图像采集装置的图像采集方向分别与电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得IMU分别对应于每个坐标轴采集到的第二角速度。

也就是说，本实施例中，分别将图像采集装置的图像采集方向标定为与电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变，即将电子设备所处坐标系中的待标定的坐标轴方向与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备所处坐标系中的每个待标定的坐标轴方向与图像采集装置的图像采集方向固定的情况下，IMU随着电子设备旋转，此时分别获得IMU分别对应于每个坐标系在每个旋转位置上采集到的第二角速度。

步骤904：根据分别对应于每个坐标轴的所述第一角速度和第二角速度，获得坐标系旋转矩阵。

其中，坐标系旋转矩阵表征IMU所处坐标系与电子设备所处坐标系之间的映射关系。

也就是说，本实施例中分别将电子设备所处坐标系中的待标定的坐标轴方向与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备携带图像采集装置绕被标定的坐标轴进行旋转的同时，图像采集装置朝向目标对象依次采集多帧目标图像，基于此获得到第一角速度，同时，IMU采集多个旋转位置上的第二角速度，由此，针对电子设备所处坐标系中的每个坐标轴，根据每个旋转位置上对应的第一角速度和第二角速度获得到该坐标轴对应的旋转向量，而三个坐标轴上分别对应的旋转向量组成坐标系旋转矩阵，基于该旋转矩阵，可以将IMU所处坐标系向电子设备所处坐标系转换，或者，可以将电子设备所处坐标系向IMU所处坐标系转换。

例如，本实施例中可以先将电子设备所处坐标系中的X轴与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备携带图像采集装置绕X轴旋转的同时，图像采集装置在多个旋转位置上依次采集多帧目标图像，基于此获得到第一角速度，同时，IMU采集多个旋转位置上的第二角速度，基于此，根据每个旋转位置上对应的第一角速度和第二角速度获得到X轴对应的旋转向量，该旋转向量表征电子设备所处坐标系与IMU所处坐标系在X轴上的向量偏差；然后将电子设备所处坐标系中的Y轴与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备携带图像采集装置绕Y轴旋转的同时，图像采集装置在多个旋转位置上依次采集多帧目标图像，基于此获得到第一角速度，同时，IMU采集多个旋转位置上的第二角速度，基于此，根据每个旋转位置上对应的第一角速度和第二角速度获得到Y轴对应的旋转向量，该旋转向量表征电子设备所处坐标系与IMU所处坐标系在Y轴上的向量偏差；之后，将电子设备所处坐标系中的Z轴与图像采集装置的图像采集方向进行固定，在电子设备携带图像采集装绕Z轴旋转的同时，图像采集装置在多个旋转位置上依次采集多帧目标图像，基于此获得到第一角速度，同时，IMU采集多个旋转位置上的第二角速度，基于此，根据每个旋转位置上对应的第一角速度和第二角速度获得到Z轴对应的旋转向量，该旋转向量表征电子设备所处坐标系与IMU所处坐标系在Z轴上的向量偏差；

由此，三个坐标轴上分别对应的旋转向量组成坐标系旋转矩阵，基于该旋转矩阵，可以将IMU所处坐标系向电子设备所处坐标系转换，或者，可以将电子设备所处坐标系向IMU所处坐标系转换。

参考图10，为本申请实施例二提供的一种惯性测量单元的参数标定装置的结构示意图，该装置适用于具有IMU且能够进行数据处理的电子设备中，如AR设备等。本实施例中的技术方案主要用于实现对IMU的部件参数的标定，以提高IMU所采集到的运动数据的准确性。

具体的，本实施例中的装置可以包括以下单元：

第一状态获得单元1001，用于根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；

第二状态获得单元1002，用于根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；

参数标定单元1003，用于根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

由上述方案可知，本申请实施例二提供的一种IMU的参数标定装置中，通过图像采集装置在多个位置上采集图像，进而得到准确的电子设备的第一状态数据，由此，根据该第一状态数据和IMU测量的运动数据所生成的第二状态数据进行处理，以得到IMU的部件参数，进而实现IMU部件参数的重新标定。可见，本实施例中避免使用操作复杂度较高且价格较为昂贵的标定转台设备，而是在IMU所在电子设备配置一个图像采集装置并在固定位置上设置一个目标对象就可以实现IMU部件参数的标定，由此，本实施例中能够明显降低IMU部件参数标定时的操作复杂度。

在一种实现方式中，所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，所述参数标定单元1003具体用于：根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

在一种实现方式中，第一状态获得单元1001在根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据之前，还用于：设置所述图像采集装置在每个所述目标位置上的运动参数；其中，不同的所述目标位置上所述图像采集装置的运动参数不同。

在一种实现方式中，第一状态获得单元1001具体用于：分别对每个所述目标位置上对应的第一图像进行特征点提取，以得到每帧所述第一图像的第一图像特征点；至少根据所述第一图像特征点以及第二图像特征点，分别获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据，所述第二图像特征点为对所述目标位置对应的前一个目标位置上所采集到的第二图像进行特征点提取得到的特征点；其中，所述第一状态数据包括所述图像采集装置的第一位置数据、第一速度数据及第一姿态数据。

在一种实现方式中，第二状态获得单元1002具体用于：分别对每个所述目标位置上对应的第一运动数据中的加速度和角速度进行处理，得到所述IMU在每个所述目标位置上的旋转矩阵和平移向量；根据所述旋转矩阵和平移向量，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述第二状态数据包括所述IMU的第二位置数据、第二速度数据及第二姿态数据。

在一种实现方式中，本实施例中的装置还可以包括以下单元，如图11中所示：

目标图像获得单元1004，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述图像采集设备绕每个所述坐标轴旋转过程中所采集到的目标图像，所述目标图像中包含有所述目标对象；

第一角速度获得单元1005，用于根据所述目标图像，获得所述图像采集装置分别对应于每个所述坐标轴的第一角速度；

第二角速度获得单元1006，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述IMU分别对应于每个所述坐标轴采集到的第二角速度；

坐标系标定单元1007，用于根据分别对应于每个所述坐标轴的所述第一角速度和所述第二角速度，获得坐标系旋转矩阵，所述坐标系旋转矩阵表征所述IMU所处坐标系与所述电子设备所处坐标系之间的映射关系。

参考图12，为本申请实施例三提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可以为具有IMU且能够进行数据处理的电子设备，如AR设备等。本实施例中的技术方案主要用于实现对IMU的部件参数的标定，以提高IMU所采集到的运动数据的准确性。

具体的，本实施例中的电子设备可以包括以下结构：

图像采集装置1201，用于采集图像；

IMU1202，用于采集运动数据；

处理器1203，用于根据所述图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；根据所述IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数。

由上述方案可知，本申请实施例三提供的一种电子设备中，通过图像采集装置在多个位置上采集图像，进而得到准确的电子设备的第一状态数据，由此，根据该第一状态数据和IMU测量的运动数据所生成的第二状态数据进行处理，以得到IMU的部件参数，进而实现IMU部件参数的重新标定。可见，本实施例中避免使用操作复杂度较高且价格较为昂贵的标定转台设备，而是在IMU所在电子设备配置一个图像采集装置并在固定位置上设置一个目标对象就可以实现IMU部件参数的标定，由此，本实施例中能够明显降低IMU部件参数标定时的操作复杂度。

以具有IMU和相机的AR设备为例，对本申请中实现IMU的部件参数标定的技术方案进行举例说明：

首先，在现有技术中，是将AR设备中的IMU的坐标轴与转台设备的坐标轴重合，设置转台的转动速率，使得转台在几个不同位置上进行转动，通过转台上精确的已知值和IMU的测量值，就可以计算IMU的尺度因子、非正交性和零偏等参数。并且，可以将IMU的载体坐标系与转台的坐标轴重合，进行不同位置的转动，可以标定IMU与载体坐标系之间的相对关系。

但是这种方案中，不仅需要购买价格昂贵的高精度转台，还需要专业的工作人员对转台进行配置并实现IMU的部件参数的标定，因此，存在操作复杂度较高的问题。

有鉴于此，本申请的技术方案中，创新性的引入相机camera设备，这里的相机可以是AR设备中本身就具有的部件，也可以在AR设备需要进行IMU标定时新配置的部件；

基于此，本申请的技术方案中，设置高精度易识别的标定板，通过配置相机的运动方案，使得在特定的相机运动方案下相机能够同时拍摄标定版的图像，进而通过对图像进行处理来监督反馈其载体坐标系的运动状态，同时根据IMU中的加速度计和陀螺仪等传感模块采集出来的运动状态的原始数据进行解算，从而达到IMU标定的目的。

具体如下：

首先，确定高精度易识别标定板，并标定相机的拍摄参数，即配置AR设备的设备参数为最佳状态；

其次，确定10(也可以为其他数值)个不同的位置(目标位置)，将该具有相机和IMU的AR设备在不同的位置按照一定的加速度和角速度进行运动，同时相机对标定板拍照；

然后，通过相机拍摄的图像来计算AR设备移动的相对位置、速度和姿态，同时，对IMU测量的数据进行计算，得到AR设备移动的相对位置、速度和姿态；

之后，将IMU数据计算出来的位置、速度和姿态与图像计算出来的位置、速度和姿态进行处理，可以求出使得位置、速度和姿态上误差最小的IMU的尺度因子、非正交性和零偏等参数。

进一步的，本申请的技术方案中还可以通过以下方式实现IMU坐标系和AR设备坐标系之间的标定，具体如下：

首先，将需要AR设备的标定方向与相机的相对位置进行固定，即将AR设备的某个坐标轴与相机的拍摄方向进行固定；

之后，将相机对着正前方的标定板顺时针和/或逆时针转动，然后反转顺时针和逆时针转动，同时，在多个旋转位置上，相机采集多帧目标图像，IMU采集相应每帧目标图像对应的旋转位置上的角速度，由此根据目标图像和IMU采集到的角速度，获得到当前的坐标轴上对应的旋转向量，该旋转向量表征在当前的坐标轴上，IMU所处坐标系与AR设备所处坐标系之间的向量偏差；

最后，换成其他标定方向(其他坐标轴)重复以上旋转和角速度处理的流程，就可以得到IMU与AR设备各自的坐标系在三个坐标轴上的映射关系，即可组成IMU与AR设备各自的坐标系之间的映射关系。

可见，本申请的技术方案中，在AR设备的结构上和具体标定的操作上都具有创新性，在实现IMU标定的过程中操作简单，在简单的环境中就能使用，易于使用和推广，而且不需要购买价格昂贵的专业标定转台设备或到专业的机构和单位去，节省了成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种惯性测量单元的参数标定方法，包括：

根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；

根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；

根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数；

所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数，包括：

根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；

根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；

将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

2.根据权利要求1所述的方法，在根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据之前，所述方法还包括：

设置所述图像采集装置在每个所述目标位置上的运动参数；其中，不同的所述目标位置上所述图像采集装置的运动参数不同。

3.根据权利要求1所述的方法，根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据，包括：

分别对每个所述目标位置上对应的第一图像进行特征点提取，以得到每帧所述第一图像的第一图像特征点；

至少根据所述第一图像特征点以及第二图像特征点，分别获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据，所述第二图像特征点为对所述目标位置对应的前一个目标位置上所采集到的第二图像进行特征点提取得到的特征点；

其中，所述第一状态数据包括所述图像采集装置的第一位置数据、第一速度数据及第一姿态数据。

4.根据权利要求1所述的方法，根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据，包括：

分别对每个所述目标位置上对应的第一运动数据中的加速度和角速度进行处理，得到所述IMU在每个所述目标位置上的旋转矩阵和平移向量；

根据所述旋转矩阵和平移向量，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；

其中，所述第二状态数据包括所述IMU的第二位置数据、第二速度数据及第二姿态数据。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述图像采集设备绕每个所述坐标轴旋转过程中所采集到的目标图像，所述目标图像中包含有所述目标对象；

根据所述目标图像，获得所述图像采集装置分别对应于每个所述坐标轴的第一角速度；

在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述IMU分别对应于每个所述坐标轴采集到的第二角速度；

根据分别对应于每个所述坐标轴的所述第一角速度和所述第二角速度，获得坐标系旋转矩阵，所述坐标系旋转矩阵表征所述IMU所处坐标系与所述电子设备所处坐标系之间的映射关系。

6.一种惯性测量单元的参数标定装置，包括：

第一状态获得单元，用于根据图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；

第二状态获得单元，用于根据惯性测量单元IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；

参数标定单元，用于根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数；

所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，所述参数标定单元具体用于：根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

7.根据权利要求6所述的装置，还包括：

目标图像获得单元，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述图像采集设备在每个所述目标位置上所采集到的目标图像；

第一角速度获得单元，用于根据所述目标图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上分别对应于每个所述坐标轴的第一角速度；

第二角速度获得单元，用于在所述图像采集装置的图像采集方向分别与所述电子设备所处坐标系的每个坐标轴相一致并保持不变的情况下，分别获得所述IMU在每个所述目标位置上采集到的第二角速度；

坐标系标定单元，用于根据每个所述位置上分别对应于每个所述坐标轴的所述第一角速度和所述第二角速度，获得坐标系旋转矩阵，所述坐标系旋转矩阵表征所述IMU所处坐标系与所述电子设备所处坐标系之间的映射关系。

8.一种电子设备，包括：

图像采集装置，用于采集图像；

IMU，用于采集运动数据；

处理器，用于根据所述图像采集装置在至少两个目标位置上采集到的包含目标对象的第一图像，获得所述图像采集装置在每个所述目标位置上的第一状态数据；其中，所述目标对象设置在固定位置上；根据所述IMU在每个所述目标位置上所采集到的第一运动数据，获得所述IMU在每个所述目标位置上的第二状态数据；其中，所述IMU与所述图像采集装置设置在同一电子设备上；根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数；

所述第一状态数据包含：第一位置数据、第一速度数据和第一姿态数据；所述第二状态数据包含：第二位置数据、第二速度数据和第二姿态数据；

其中，根据每个所述第一状态数据与其分别对应的所述第二状态数据，标定所述IMU的部件参数，包括：

根据每个所述第一位置数据与其分别对应的所述第二位置数据、每个所述第一速度数据与其分别对应的所述第二速度数据、以及每个所述第一姿态数据与其分别对应的所述第二姿态数据，获得误差数据；

根据所述误差数据，获得参数矩阵，所述参数矩阵中包含多个矩阵元素；将所述矩阵元素的元素值设置为所述IMU中与所述矩阵元素对应的部件参数。

Images