CN112577518A - 一种惯性测量单元标定方法及装置 - Google Patents

一种惯性测量单元标定方法及装置 Download PDF

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CN112577518A
CN112577518A CN202011306343.2A CN202011306343A CN112577518A CN 112577518 A CN112577518 A CN 112577518A CN 202011306343 A CN202011306343 A CN 202011306343A CN 112577518 A CN112577518 A CN 112577518A
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CN
China
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error
magnetometer
model
gyro
accelerometer
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白立建
李骊
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Beijing HJIMI Technology Co Ltd
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Abstract

本申请提供了一种惯性测量单元标定方法及装置，该方法在视觉惯性跟踪系统中引入磁力计，确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型，并在磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，及基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，实现对惯性测量单元中的磁力计、加速度计及陀螺的标定，保证标定的全面性，提高标定的精度。

Description

一种惯性测量单元标定方法及装置
技术领域
本申请涉及标定技术领域，特别涉及一种惯性测量单元标定方法及装置。
背景技术
现有视觉跟踪系统中，一般采用IMU(Inertia Measurement Unit，惯性测量单元)进行信息融合，来提升跟踪精度和鲁棒性。
为了保证采用IMU进行信息融合的准确性，视觉惯性跟踪系统在初始化过程中会对IMU进行标定。但是目前，一般仅对IMU中陀螺零偏进行估计，导致标定的精度不高。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种惯性测量单元标定方法及装置，以达到提高标定精度的目的，技术方案如下：
一种惯性测量单元标定方法，包括：
确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型；
在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型；
基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
所述在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，包括：
确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gb＝[ax ay az]T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力；
获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure BDA0002788444570000021
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000022
根据加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000023
及
Figure BDA0002788444570000024
及
Figure BDA0002788444570000025
及姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000026
得到
Figure BDA0002788444570000027
其中，
Figure BDA0002788444570000028
表示姿态角；
对
Figure BDA0002788444570000031
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000032
得到姿态角。
所述对
Figure BDA0002788444570000033
进行求解，包括：
设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1；
根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000034
计算俯仰角θ及横滚角γ；
将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure BDA0002788444570000035
计算出航向角
Figure BDA0002788444570000036
将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure BDA0002788444570000037
代入四元数计算关系式
Figure BDA0002788444570000041
得到四元数初始值；
基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure BDA0002788444570000042
进行迭代计算。
所述基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，包括：
通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure BDA0002788444570000043
和
Figure BDA0002788444570000044
并利用
Figure BDA0002788444570000045
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure BDA0002788444570000046
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束；
通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure BDA0002788444570000047
并利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000048
及
Figure BDA0002788444570000049
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure BDA00027884445700000410
表示姿态角；
基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure BDA00027884445700000411
基于陀螺仪标定的目标函数
Figure BDA0002788444570000051
计算所述陀螺误差模型的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure BDA0002788444570000052
一种惯性测量单元标定装置，包括：
第一标定模块，用于确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型；
第二标定模块，用于在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型
第三标定模块，用于基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
所述第二标定模块，具体用于：
确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gb＝[ax ay az]T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力；
获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure BDA0002788444570000053
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000054
根据加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000061
及
Figure BDA0002788444570000062
及
Figure BDA0002788444570000063
及姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000064
得到
Figure BDA0002788444570000065
其中，
Figure BDA0002788444570000066
表示姿态角；
对
Figure BDA0002788444570000067
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
所述装置还包括：
姿态角确定模块，用于将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000068
得到姿态角。
所述第二标定模块，具体用于：
设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1；
根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000071
计算俯仰角θ及横滚角γ；
将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure BDA0002788444570000072
计算出航向角
Figure BDA0002788444570000073
将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure BDA0002788444570000074
代入四元数计算关系式
Figure BDA0002788444570000075
得到四元数初始值；
基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure BDA0002788444570000076
进行迭代计算。
所述第二标定模块，具体用于：
通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure BDA0002788444570000077
和
Figure BDA0002788444570000078
并利用
Figure BDA0002788444570000079
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure BDA00027884445700000710
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束；
通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure BDA00027884445700000711
并利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000081
及
Figure BDA0002788444570000082
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure BDA0002788444570000083
表示姿态角；
基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure BDA0002788444570000084
基于陀螺仪标定的目标函数
Figure BDA0002788444570000085
计算所述陀螺误差模型的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure BDA0002788444570000086
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
在本申请中，在视觉惯性跟踪系统中引入磁力计，确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型，并在磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，及基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，实现对惯性测量单元中的磁力计、加速度计及陀螺的标定，保证标定的全面性，提高标定的精度。
并且，基于磁力计误差补偿模型，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，及基于陀螺约束条件、视觉约束条件及磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，能够提高加速度计误差系数及磁力计误差系数的准确性，进一步提高惯性测量单元标定的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的一种惯性测量单元标定方法实施例1的流程图；
图2是本申请提供的一种惯性测量单元标定装置的逻辑结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的，为本申请提供的一种惯性测量单元标定方法实施例1的流程图，可以包括以下步骤：
步骤S11、确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型。
本实施例中，惯性测量单元由磁力计、加速度计及陀螺组成。
具体可以分别确定磁力计的确定性误差、加速度计的确定性误差及陀螺的确定性误差，并预先构建包含能表征磁力计的确定性误差的磁力计误差系数的磁力计误差模型，及包含能表征加速度计的确定性误差的加速度计误差系数的加速度计误差模型，及包含能表征陀螺的确定性误差的陀螺误差模型。
确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，可以理解为：求解磁力计误差模型中的磁力计误差系数。本实施例中，磁力计误差系数可以包括但不局限于：零偏、标度因数及轴间相互耦合的标度因子。其中，标度因数可以理解为：单个轴向采集的数据与真实数据之间的比例。
并预先构建磁力计误差模型、加速度计误差模型及陀螺误差模型。
预先构建的磁力计误差模型，可以为但不局限于：
Figure BDA0002788444570000101
在确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数之后，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型，完成对磁力计的标定。
利用磁力计误差补偿模型，可以对磁力计的测量值进行误差补偿，具体地，将磁力计的测量值代入磁力计误差补偿模型，得到的值为误差补偿后的值。
步骤S12、在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型。
本实施例中，在确定磁力计误差补偿模型之后，可以在磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，提高加速度计误差系数确定的准确性。
加速度计误差系数可以包括但不局限于：零偏和标度因数。
确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，可以理解为：求解加速度计误差模型中的加速度计误差系数。
在确定加速度计误差模型中的磁力计误差系数之后，将确定所述加速度计误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型，完成对加速度计的标定。
利用加速度计误差补偿模型，可以对加速度计的测量值进行误差补偿，具体地，将加速度计的测量值代入加速度计误差补偿模型，得到的值为误差补偿后的值。
步骤S13、基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
本实施例中，陀螺约束条件，可以理解为：陀螺数据积分。其中，基于陀螺数据积分，可以求解出两个时刻间的姿态变化。
视觉约束条件，可以理解为：两个时刻之间的视觉信息。其中，基于两个时刻之间的视觉信息可以计算出两个时刻间的姿态变化。
在确定磁力计误差补偿模型之后，可以基于陀螺约束条件、视觉约束条件及磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，提高陀螺误差系数确定的准确性。
陀螺误差系数可以包括但不局限于：零偏和标度因素。
在确定陀螺误差模型中的磁力计误差系数之后，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型，完成对陀螺的标定。
利用陀螺误差补偿模型，可以对陀螺的测量值进行误差补偿，具体地，将陀螺的测量值代入陀螺误差补偿模型，得到的值为误差补偿后的值。
在本申请中，在视觉惯性跟踪系统中引入磁力计，确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型，并在磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，及基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，实现对惯性测量单元中的磁力计、加速度计及陀螺的标定，保证标定的全面性，提高标定的精度。
并且，基于磁力计误差补偿模型，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，及基于陀螺约束条件、视觉约束条件及磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，能够提高加速度计误差系数及磁力计误差系数的准确性，进一步提高惯性测量单元标定的精度。
作为本申请另一可选实施例2，主要是对上述实施例1描述的惯性测量单元标定方法的细化方案，该方法可以包括但并不局限于以下步骤：
步骤S21、确定磁力计误差模型
Figure BDA0002788444570000121
中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型。
本实施例中，磁力计误差模型
Figure BDA0002788444570000122
中：
Figure BDA0002788444570000123
为磁力计测量得到的磁场三轴分量的测量值。M＝[mx my mz]T为磁场三轴分量的实际值；其中，磁场三轴分量的实际值可以根据当地的经纬度，通过查询全球磁强度分布图确定。M0＝[mx0 my0 mz0]T为磁传感器零偏误差；Kij为轴间耦合的标度因子，表示i轴方向磁场强度影响j轴磁传感器输出而引起的标度因数。M0＝[mx0 my0 mz0]T及Kij为磁力计误差模型中的磁力计误差系数；x、y、z表示三个不同的轴向。
磁力计在载体坐标系下的输出模型可表示为：
Figure BDA0002788444570000124
由于磁场的特性，可以认为在一个小区域内，地磁场的强度值为固定值，在理想情况下，三轴磁传感器可以检测到地磁场在载体坐标系下的三轴磁场分量的值。以三轴磁强度分量为坐标的测量点将构成一个以地磁场强度为半径、球心在原点的球面。在数学上表示为：
Figure BDA0002788444570000125
上述情况是在地磁场未受到外界环境中磁场干扰的理想条件下才能实现的。事实上，由于存在硬磁干扰和软磁干扰，在加上三轴磁传感器系统轴向间存在的非正交性和磁阻传感器本身存在的零偏误差，上面球面将畸变变成为一个椭球面。通过旋转三轴磁传感器系统，获得足够多的托球面上的点，就可以通过拟合算法计算出椭球面方程的系数参数。利用这个系统参数计算出Kij和M0＝[mx0 my0 mz0]T，对磁场测量值进行补偿，消除三轴磁传感器收到的干扰。
将上式(2)展开后可得下面二次标准型方程：
Figure BDA0002788444570000131
椭球曲面方程的一般表达式可用下式表示：
ax2+bxy+cy2+dxz+eyz+fz2+px+qy+rz+l＝MTM(4)，其中，X、y、z为磁力计的三个轴向的测量值。
将椭球曲面方程(4)整理为矢量形式：
Figure BDA0002788444570000132
对比(3)、(4)、(5)式可得：
Figure BDA0002788444570000133
通过(4)、(5)、(6)，可以确定，通过求解椭球曲面方程(4)中的a、b、c、d、e、f、p、q、r，即可确定出M0＝[mx0 my0 mz0]T及Kij。
本实施例中，可以通过椭球曲面的拟合方法，求解椭球面方程(4)；或者，通过递推最小二乘法对椭球曲面方程进行求解。
通过递推最小二乘法对椭球曲面方程进行求解的过程，可以包括：
为防止其拟合椭球曲面发散为双曲面，故对其进行约束，三维条件下对椭球曲面拟合的约束条件为：
Figure BDA0002788444570000141
椭球曲面方程(4)可以看作参数待定的二次曲面方程，若测得N组测量数据，则可写出N个方程，具体矩阵形式如下：
Figure BDA0002788444570000142
将(7)式简写为：
Figure BDA0002788444570000143
根据递推最小二乘估计理论的一般公式，θ的递推最小二乘估计公式如下：
Figure BDA0002788444570000144
将递推公式(9)转换为带约束条件的递推最小二乘法公式，具体如下：
Figure BDA0002788444570000145
式中：
Figure BDA0002788444570000146
为无约束条件下θ的最小二乘估计值，
Figure BDA0002788444570000147
为加上约束条件之后的修正项，h表示约束项。
在确定递推公式(10)之后，将采集到的磁力计的数据代入递推公式(10)中进行计算，直到最后一组数据递推计算完毕，此时θ的最小二乘估计值即为求得的椭球曲面方程(4)中的a、b、c、d、e、f、p、q、r。
步骤S21为实施例1中步骤S11的一种具体实施方式。
步骤S22、确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G[T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力。
本实施例中，可以选定坐标系为东北天坐标系。
步骤S23、获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure BDA0002788444570000151
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000152
步骤S24、根据加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000153
及
Figure BDA0002788444570000154
及
Figure BDA0002788444570000155
及姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000156
得到
Figure BDA0002788444570000157
其中，
Figure BDA0002788444570000158
表示姿态角。
本实施例中，加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000159
中，
Figure BDA00027884445700001510
为惯性系统i轴向加计输出，ai为i轴向加计输入，ai0为i轴向加计零偏，Kai为i轴向加计标度因数。
加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000161
在载体坐标系下的输出模型可表示为：
Figure BDA0002788444570000162
在gn＝[0 0 G]T，gn＝[0 0 G]T的情况下，
Figure BDA0002788444570000163
及
Figure BDA0002788444570000164
可以分别表
示为：
Figure BDA0002788444570000165
根据加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000166
及
Figure BDA0002788444570000167
Figure BDA0002788444570000168
及态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000169
可以推导出：
Figure BDA0002788444570000171
步骤S25、对
Figure BDA0002788444570000172
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
在得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz之后，可以确定出加速度计误差补偿模型。
基于四元数q0、q1、q2、q3可以计算出惯性测量单元的姿态角。具体地，可以将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000173
得到姿态角。
本实施例中，对
Figure BDA0002788444570000174
进行求解，可以包括：
S251、设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1。
S252、根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000181
计算俯仰角θ及横滚角γ；
S253、将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure BDA0002788444570000182
计算出航向角
Figure BDA0002788444570000183
MD和MN表示当IMU坐标系与当地磁地理坐标系m系重合时，磁传感器的输出量。
S254、将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure BDA0002788444570000184
代入四元数计算关系式
Figure BDA0002788444570000185
得到四元数初始值。
通过步骤S252-S254确定四元数初始值，可以使选取的初值与距离正确的解相近，减少迭代次数，提高计算的效率。
S255、基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure BDA0002788444570000191
进行迭代计算。
本实施例中，当迭代计算的结果达到设定概率时，可以结束迭代计算。其中，设定概率可以根据需要进行设置，在本申请中不做限制。
当然，对
Figure BDA0002788444570000192
进行求解，也可以包括：
S256、设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及四元数初始值为q0＝1、q1＝0、q2＝0、q3＝0。
S257、基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及四元数初始值q0＝1、q1＝0、q2＝0、q3＝0，对所述
Figure BDA0002788444570000193
进行迭代计算。
步骤S22-S25为实施例1中步骤S11的一种具体实施方式。
步骤S26、通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure BDA0002788444570000194
和
Figure BDA0002788444570000195
并利用
Figure BDA0002788444570000196
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure BDA0002788444570000197
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束。
SFM(Structure From Motion)技术可以理解为：从一系列包含视觉运动信息的多幅二维图像序列中估计三维结构的技术。
Figure BDA0002788444570000201
可以理解为：由C0到bk的旋转，
Figure BDA0002788444570000202
可以理解为bk到C0的旋转。其中，C0表示第一帧图像的坐标系，即，视觉坐标系。
关键帧的确定过程，可以包括但不局限于：在视觉采集过程中，每秒会产生很多帧(比如30帧)，但是其中时间临近的帧相似度很大，不需要全部提取应用，这种情况下，每隔一段时间取一帧，作为关键帧。
步骤S27、通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure BDA0002788444570000203
并利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000204
及
Figure BDA0002788444570000205
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure BDA0002788444570000206
表示姿态角；
步骤S28、基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure BDA0002788444570000207
步骤S29、基于陀螺仪标定的目标函数
Figure BDA0002788444570000208
确定陀螺误差模型
Figure BDA0002788444570000209
中的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure BDA00027884445700002010
本实施例中，陀螺误差模型
Figure BDA00027884445700002011
中
Figure BDA00027884445700002012
为惯性系统i轴向陀螺输出角速度，ωi为i轴向的输入角速度，ωi0为i轴向陀螺零偏，Ki为i轴向陀螺标度因数。
其中，需要说明的是，
Figure BDA0002788444570000211
可以理解为视觉求解的旋转结果，
Figure BDA0002788444570000212
可以理解为基于陀螺数据积分得到的旋转结果。
步骤S26-S29为实施例1中步骤S13的一种具体实施方式。
接下来对本申请提供的惯性测量单元标定装置进行介绍，下文介绍的惯性测量单元标定装置与上文介绍的惯性测量单元标定方法可相互对应参照。
请参见图2，惯性测量单元标定装置，包括：第一标定模块100、第二标定模块200和第三标定模块300。
第一标定模块100，用于确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型；
第二标定模块200，用于在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型
第三标定模块300，用于基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
所述第二标定模块200，具体可以用于：
确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gb＝[ax ay az]T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力；
获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure BDA0002788444570000221
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000222
根据加速度计误差模型
Figure BDA0002788444570000223
及
Figure BDA0002788444570000224
及
Figure BDA0002788444570000225
及姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000226
得到
Figure BDA0002788444570000227
其中，
Figure BDA0002788444570000228
表示姿态角；
对
Figure BDA0002788444570000229
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
本实施例中，惯性测量单元标定装置还可以包括：
姿态角确定模块，用于将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000231
得到姿态角。
所述第二标定模块200，具体可以用于：
设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1；
根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure BDA0002788444570000232
计算俯仰角θ及横滚角γ；
将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure BDA0002788444570000233
计算出航向角
Figure BDA0002788444570000234
将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure BDA0002788444570000235
代入四元数计算关系式
Figure BDA0002788444570000236
得到四元数初始值；
基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure BDA0002788444570000241
进行迭代计算。
所述第二标定模块200，具体可以用于：
通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure BDA0002788444570000242
和
Figure BDA0002788444570000243
并利用
Figure BDA0002788444570000244
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure BDA0002788444570000245
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束；
通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure BDA0002788444570000246
并利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure BDA0002788444570000247
及
Figure BDA0002788444570000248
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure BDA0002788444570000249
表示姿态角；
基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure BDA00027884445700002410
基于陀螺仪标定的目标函数
Figure BDA00027884445700002411
计算所述陀螺误差模型的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure BDA00027884445700002412
需要说明的是，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的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，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。
最后，还需要说明的是，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。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上对本申请所提供的一种基于3D深度摄像头的MR体积测量方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种惯性测量单元标定方法，其特征在于，包括：
确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型；
在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型；
基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，包括：
确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gb＝[ax ay az]T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力；
获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure FDA0002788444560000011
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure FDA0002788444560000012
根据加速度计误差模型
Figure FDA0002788444560000013
及
Figure FDA0002788444560000014
及
Figure FDA0002788444560000015
及姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000021
得到
Figure FDA0002788444560000022
其中，
Figure FDA0002788444560000023
表示姿态角；
对
Figure FDA0002788444560000024
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000025
得到姿态角。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对
Figure FDA0002788444560000026
进行求解，包括：
设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1；
根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000031
计算俯仰角θ及横滚角γ；
将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure FDA0002788444560000032
计算出航向角
Figure FDA0002788444560000033
将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure FDA0002788444560000034
代入四元数计算关系式
Figure FDA0002788444560000035
得到四元数初始值；
基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure FDA0002788444560000036
进行迭代计算。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，包括：
通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure FDA0002788444560000041
和
Figure FDA0002788444560000042
并利用
Figure FDA0002788444560000043
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure FDA0002788444560000044
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束；
通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure FDA0002788444560000045
并根据利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure FDA0002788444560000046
及
Figure FDA0002788444560000047
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure FDA0002788444560000048
表示姿态角；
基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure FDA0002788444560000049
基于陀螺仪标定的目标函数
Figure FDA00027884445600000410
计算所述陀螺误差模型的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure FDA00027884445600000411
6.一种惯性测量单元标定装置，其特征在于，包括：
第一标定模块，用于确定磁力计误差模型中的磁力计误差系数，将确定所述磁力计误差系数后得到的磁力计误差模型，作为磁力计误差补偿模型；
第二标定模块，用于在所述磁力计误差补偿模型的约束下，确定加速度计误差模型中的加速度计误差系数，将确定所述加速度误差系数后得到的加速度计误差模型，作为加速度计误差补偿模型
第三标定模块，用于基于陀螺约束条件、视觉约束条件及所述磁力计误差补偿模型，确定陀螺误差模型中的陀螺误差系数，将确定所述陀螺误差系数后得到的陀螺误差模型，作为陀螺误差补偿模型。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二标定模块，具体用于：
确定重力加速度在导航坐标系下的表示关系式为gn＝[0 0 G]T，及确定所述重力加速度在载体坐标系下的表示关系式为gb＝[ax ay az]T，gn表示导航坐标系下的重力加速度，G表示重力；
获取地磁场在所述导航坐标系下的分量，表示为
Figure FDA0002788444560000051
及利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure FDA0002788444560000052
根据加速度计误差模型
Figure FDA0002788444560000053
及
Figure FDA0002788444560000054
及
Figure FDA0002788444560000055
及姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000056
得到
Figure FDA0002788444560000057
其中，
Figure FDA0002788444560000058
表示姿态角；
对
Figure FDA0002788444560000061
进行求解，得到加速度计误差系数ax0、ay0、az0、Kax、Kay、Kaz，及四元数q0、q1、q2、q3。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
姿态角确定模块，用于将所述四元数q0、q1、q2、q3，代入所述姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000062
得到姿态角。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二标定模块，具体用于：
设定零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1；
根据所述加速度计测量的加速度信息及水平姿态角计算关系式
Figure FDA0002788444560000063
计算俯仰角θ及横滚角γ；
将所述俯仰角θ及所述横滚角γ代入航向角计算关系式
Figure FDA0002788444560000064
计算出航向角
Figure FDA0002788444560000065
将所述俯仰角θ、所述横滚角γ及所述航向角
Figure FDA0002788444560000066
代入四元数计算关系式
Figure FDA0002788444560000071
得到四元数初始值；
基于所述零偏初始值为ax0＝0、ay0＝0、az0＝0，及标度因子初始值为Kax＝1、Kay＝1、Kaz＝1，及所述四元数初始值，对所述
Figure FDA0002788444560000072
进行迭代计算。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二标定模块，具体用于：
通过SFM技术，确定视觉滑动窗口中连续两个关键帧bk和bk+1的IMU坐标系相对于相机坐标系的旋转
Figure FDA0002788444560000073
和
Figure FDA0002788444560000074
并利用
Figure FDA0002788444560000075
计算两个所述关键帧之间的相对旋转约束，
Figure FDA0002788444560000076
表示两个所述关键帧之间的相对旋转约束；
通过陀螺数据积分获得两个所述关键帧之间的相对旋转约束
Figure FDA0002788444560000077
并利用所述磁力计误差补偿模型对所述磁力计在所述载体坐标系下测量的值进行误差补偿后得到的真值
Figure FDA0002788444560000078
及
Figure FDA0002788444560000079
计算两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，所述
Figure FDA00027884445600000710
表示姿态角；
基于两个所述关键帧在不同时刻的姿态角，计算姿态变化，将所述姿态变化作为相对旋转约束
Figure FDA00027884445600000711
基于陀螺仪标定的目标函数
Figure FDA0002788444560000081
计算所述陀螺误差模型的零偏及标定因数；
其中，所述陀螺仪标定的目标函数的约束条件为
Figure FDA0002788444560000082
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