CN113108785B - 一种面向同构imu的分布式协同互校准定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，属于导航定位技术领域。其包括以下步骤：建立平台之间的相对测距关系；各平台将自身的IMU互校准后定位信息进行广播或发送到指定平台；各平台执行IMU互校准计算，然后将计算得到的定位结果进行播发；各平台根据使用需求选择相应的定位结果。本方法简单易行，对保障室内、城市峡谷等仅能依赖IMU实现定位的应用场景下的有效定位具有重要意义。

Description

一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法
技术领域
本发明属于导航定位技术领域，特别是指一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法。
背景技术
当前大部分中小微平台使用IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)和卫星导航接收机作为导航传感器，并通过松耦合、紧耦合或深耦合的算法途径实现两种传感器的组合导航。在卫星导航不可用、或难以连续输出定位信息的应用环境，这些导航系统将退变为仅依赖IMU定位，定位误差随着时间迅速发散，导致定位信息不可用。
同构IMU是指微陀螺、微加速度计加工工艺技术相近，具有相同结构形态、器件组成、内嵌程序的IMU。同构IMU定位误差具有相似的随机特征，若多个同构IMU近似同时进入独立定位状态，当其数量趋于无限大时，其误差值的统计值趋近于0。基于这一客观条件，利用协同导航思维，通过平台间测距量不发散的特性，在多平台搭载IMU之间建立误差耦合关系来抑制其误差发散，最终通过互校准过程达到提升多平台IMU定位性能的效果。
当前国内外已有部分关于IMU协同互校准的技术途径，其特点是通过卡尔曼滤波估计的方式建立多个IMU之间的误差递推方程来估计和抑制IMU的误差，但其需要存在一个集中式计算平台、或在预先知悉全部IMU误差的互相关特征的基础上由各个平台分别完成计算，因而在实际应用中并不方便且需要占用较高的通信带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，本方法可面向仅能依赖IMU实现定位的应用场景，实现多个搭载同构IMU的平台间的协同定位。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，包括以下步骤：
(1)在多个平台间建立相对测距关系，每个平台均可在本地获取与其他一个、数个或全部节点的几何观测距离；
(2)每个平台通过通信链路将自身的IMU互校准后定位信息进行广播或发送到指定平台；
(3)每个平台根据获取到的与其他平台的测距值以及对应平台的IMU互校准后定位信息的情况，执行并完成IMU互校准计算；
(4)每个平台执行互校准计算后，将计算得到的本地定位结果作为自身的IMU互校准后定位信息通过通信链路进行播发；
(5)当卫星导航可用时，各平台使用本地IMU输出的原始定位值参与组合定位；当卫星导航不可用时，各平台使用互校准计算的定位值进行定位。
进一步的，所述平台是指通过IMU实现定位的应用个体，包括车辆与机器人、飞行器、航行器、人员设备中的一种或多种。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)若平台获得了与其他平台的测距值，并获得对应平台的IMU互校准后定位信息，则执行步骤(302)～(306)；若平台在当前时刻t1未获得与其他平台的测距值或对应平台的IMU互校准后定位信息，但本地在此前的t0时刻执行过步骤(302)～(306)的互校准计算过程，则执行步骤(307)；若平台在当前时刻未获得与其他平台的测距值或对应平台的IMU互校准后定位信息，且本地此前未执行过步骤(302)～(306)的互校准计算过程，则执行步骤(308)；
(302)获取当前本地IMU输出的互校准定位结果P；当首次执行协同过程尚不具有互校准定位结果时，取当前本地IMU输出的原始定位值作为P；
(303)本地获取测距值L并通过通信链路读取与测距值相对应的平台的IMU互校准定位信息Q；
(304)将P和Q转换至本地坐标系或其他用XYZ表示的坐标系下，分别得到[Px，Py，Pz]和[Qx，Qy，Qz]；
(305)根据下式计算坐标
Figure BDA0002971949820000031
Figure BDA0002971949820000032
Figure BDA0002971949820000033
Figure BDA0002971949820000034
(306)将计算得到的坐标
Figure BDA0002971949820000035
转换回IMU原始输出值对应的坐标系下，得到
Figure BDA0002971949820000036
将其作为当前获得的IMU互校准定位结果；
(307)按照下式计算t1时刻本地的IMU互校准定位结果：
Figure BDA0002971949820000041
其中，W(t1)表示本地IMU在t1时刻输出的原始定位值，W(t0)表示本地IMU在t0时刻输出的原始定位值；
(308)将本地IMU输出的原始定位值作为互校准定位结果。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
(1)本发明不需要在应用区域中安装用于定位的基础设施，平台通过IMU协同互校准过程即可实现对IMU定位性能的提升。
(2)本发明不需要远程后台服务器及与其相连的通信网络支持，可在缺乏稳定的远程通信中实现协同定位。
(3)本发明具有分布式应用特征，不需要特定平台实现集中解算；同时应用方式简易、计算复杂度低、占用通信资源少、不依赖于对IMU的反馈校正过程，无需获知IMU之间的误差互相关特性。
附图说明
图1是本发明实例中同构IMU协同互校准定位方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，包括以下步骤：
(1)多个平台间通过无线测量、光测量等技术途径建立相对测距关系，每个平台可在本地获取与其他一个、数个或全部节点的几何观测距离；
(2)每个平台通过通信链路将自身的IMU互校准后定位信息进行广播或发送到指定平台；
(3)每个平台当获取到与其他平台的测距值、并且获知对应平台的IMU互校准后定位信息时，执行并完成IMU互校准计算，具体包括：
(301)获取当前本地IMU输出的互校准定位结果P；当首次执行协同过程尚不具有互校准定位结果时，取当前本地IMU输出的原始定位值作为P；
(302)本地获取测距值L并通过通信链路读取与测距值相对应的平台的IMU互校准定位信息Q；
(303)将P和Q转换为本地坐标系或其他用XYZ表示的坐标系下，分别得到[Px，Py，Pz]和[Qx，Qy，Qz]；
(304)计算如下公式：
Figure BDA0002971949820000051
Figure BDA0002971949820000052
Figure BDA0002971949820000053
(305)将计算得到的
Figure BDA0002971949820000054
转换回IMU原始输出值对应的坐标系表示方法，得到
Figure BDA0002971949820000055
将其作为当前获得的IMU互校准定位结果；
(306)若平台当前t1时刻未获得有效测距值或与其对应的其他平台的互校准后定位信息，但本地执行过互校准计算过程，按照如下公式计算t1时刻本地的IMU互校准定位结果：
Figure BDA0002971949820000061
其中，t0表示上一次执行过互校准计算过程的时刻，W(t1)表示本地IMU在t1时刻输出的原始定位值，W(t0)表示本地IMU在t0时刻输出的原始定位值；
(307)若平台当前时刻未获得有效测距值或与其对应的其他平台的互校准后定位信息，且本地未执行过互校准计算过程，则将本地IMU输出的原始定位解作为互校准定位结果；
(4)每个平台执行互校准计算后，将计算得到的本地定位结果作为自身的IMU互校准后定位信息通过通信链路进行播发；
(5)由此每个平台本地可获得两个定位值：本地搭载的IMU的原始定位值、经过互校准计算的定位值，可根据使用需求选择相应的定位结果。
进一步的，所述平台是指通过IMU实现定位的应用个体，包括车辆与机器人、飞行器、航行器、人员设备等。
图1为一种同构IMU协同互校准定位方法的流程图。本方法可面向室内、城市峡谷等仅可通过IMU实现定位的应用场景，其通过多个平台间的相对测距和互校准计算过程，能够抑制IMU误差发散程度。这里以利用具有IMU的多个无人机在室外实现协同定位为例，详细描述实现步骤：
(1)多个无人机间通过UWB、激光雷达、视觉等技术途径建立相对测距关系，每个平台可在本地获取与其他一个、数个或全部节点的几何观测距离；
(2)每个无人机通过通信链路将自身的IMU互校准后定位信息进行广播或发送到指定平台；
(3)每个无人机当获取到与其他平台的测距值、并且获知对应无人机的IMU互校准后定位信息时，执行并完成IMU互校准计算，具体包括：
(301)获取当前本地IMU输出的互校准定位结果P；当首次执行协同过程尚不具有互校准定位结果时，取当前本地IMU输出的原始定位值作为P；
(302)本地获取测距值L并通过通信链路读取与测距值相对应的平台的IMU互校准定位信息Q；
(303)将P和Q转换为本地坐标系或其他用XYZ表示的坐标系下，分别得到[Px，Py，Pz]和[Qx，Qy，Qz]；
(304)计算如下公式：
Figure BDA0002971949820000071
Figure BDA0002971949820000072
Figure BDA0002971949820000073
(305)将计算得到的
Figure BDA0002971949820000074
转换回IMU原始输出值对应的坐标系表示方法，得到
Figure BDA0002971949820000075
将其作为当前获得的IMU互校准定位结果；
(306)若无人机当前t1时刻未获得有效测距值或与其对应的其他平台的互校准后定位信息，按照如下公式计算t1时刻本地的IMU互校准定位结果：
Figure BDA0002971949820000081
其中，t0表示上一次执行过互校准计算过程的时刻，W(t1)表示本地IMU在t1时刻输出的原始定位值，W(t0)表示本地IMU在t0时刻输出的原始定位值；
(307)若无人机当前时刻未获得有效测距值或与其对应的其他平台的互校准后定位信息，且本地未执行过互校准计算过程，则将本地IMU输出的原始定位解作为互校准定位结果；
(4)每个无人机执行互校准计算后，将计算得到的本地定位结果作为自身的IMU互校准后定位信息通过通信链路进行播发；
(5)由此每个无人机可获得两个定位值：本地搭载的IMU的原始定位值、经过互校准计算的定位值；可根据使用需求选择相应的定位结果，如通过相对定位保障飞行安全使用互校准计算的定位值，当卫星导航重新可用时可使用IMU原始定位值参与组合定位解算。
总之，本发明具有不依赖特定平台实现集中解算的分布式特征，同时应用方式简易、计算复杂度低、占用通信资源少、不依赖于对IMU的反馈校正过程。
本发明可用于车辆与机器人、飞行器、航行器、人员设备等具备同构IMU且应用时仅可依赖IMU实现定位的应用平台，通过相对测距信息和不同IMU的互校准计算过程，实现不同应用平台间的协同互校准定位能力。

Claims (2)

1.一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在多个平台间建立相对测距关系，每个平台均可在本地获取与其他一个、数个或全部节点的几何观测距离；
（2）每个平台通过通信链路将自身的IMU互校准后定位信息进行广播或发送到指定平台；
（3）每个平台根据获取到的与其他平台的测距值以及对应平台的IMU互校准后定位信息的情况，执行并完成IMU互校准计算；具体方式为：
（301）若平台获得了与其他平台的测距值，并获得对应平台的IMU互校准后定位信息，则执行步骤（302）~（306）；若平台在当前时刻t1未获得与其他平台的测距值或对应平台的IMU互校准后定位信息，但本地在此前的t0时刻执行过步骤（302）~（306）的互校准计算过程，则执行步骤（307）；若平台在当前时刻未获得与其他平台的测距值或对应平台的IMU互校准后定位信息，且本地此前未执行过步骤（302）~（306）的互校准计算过程，则执行步骤（308）；
（302）获取当前本地IMU输出的互校准定位结果P；当首次执行协同过程尚不具有互校准定位结果时，取当前本地IMU输出的原始定位值作为P；
（303）本地获取测距值L并通过通信链路读取与测距值相对应的平台的IMU互校准定位信息Q；
（304）将P和Q转换至本地坐标系或其他用XYZ表示的坐标系下，分别得到[Px,Py,Pz]和[Qx,Qy,Qz]；
（305）根据下式计算坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 999661DEST_PATH_IMAGE002
（306）将计算得到的坐标
Figure 120063DEST_PATH_IMAGE001
转换回IMU原始输出值对应的坐标系下，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，将 其作为当前获得的IMU互校准定位结果；
（307）按照下式计算t1时刻本地的IMU互校准定位结果：
Figure 634221DEST_PATH_IMAGE004
其中，W(t1)表示本地IMU在t1时刻输出的原始定位值，W(t0)表示本地IMU在t0时刻输出的原始定位值；
（308）将本地IMU输出的原始定位值作为互校准定位结果；
（4）每个平台执行互校准计算后，将计算得到的本地定位结果作为自身的IMU互校准后定位信息通过通信链路进行播发；
（5）当卫星导航可用时，各平台使用本地IMU输出的原始定位值参与组合定位；当卫星导航不可用时，各平台使用互校准计算的定位值进行定位。
2.根据权利要求1所述的一种面向同构IMU的分布式协同互校准定位方法，其特征在于，所述平台是指通过IMU实现定位的应用个体，包括车辆与机器人、飞行器、航行器、人员设备中的一种或多种。
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