TW201829981A - 慣性式物件姿態測量系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種慣性式物件姿態測量系統，包括：一加速規、一磁力計、一陀螺儀、一物件向量資訊計算單元、以及一旋轉補償單元；其中，該物件向量資訊計算單元係分別連接於該加速規、磁力計及陀螺儀，以接收來自該加速規、磁力計及陀螺儀的量測資料並計算出至少一物件向量資訊；該旋轉補償單元係連接至該物件向量資訊計算單元以接收該至少一物件向量資訊，並計算且輸出一旋轉補償後之物件向量資訊；其中，該旋轉補償單元係透過執行一四元數的旋轉補償運算並將旋轉補償後的四元數以一旋轉補償後之物件向量資訊輸出。

Description

慣性式物件姿態測量系統及方法
本發明涉及一種物件姿態測量系統，尤指一種基於微機電慣性感測器的物件姿態測量系統。
從1980 年代開始，隨著以電位計作為人體關節夾角量測的機械式系統以及運用主動式標記所開拓的光學式量測技術，開展了計算機於人體運動擷取的研究，機械式與光學式的動態擷取技術設備也逐漸被開發出來。其後，動態擷取技術吸引了越來越多的研究人員和開發商的目光，並從學術性的初步研究逐步導向了商業實用化。發展動態擷取技術的重要應用之一便是為了能夠更好的擷取人的肢體動態資料，以提供給動畫、影視等多媒體產業，來描繪出趨近真人的運動狀態；一方面減少製作成本，同時也大幅度地提升了製作效率，以期達到提升娛樂性的效果，此一目的至今依然為動態擷取技術主要的商業應用領域。
習知的動態擷取技術可大至分為基於機械式原理的技術以及基於光學式動態擷取技術；其中，機械式原理的技術是由使用者將附有編碼器的機械外骨架穿戴於身上，在手臂動作時，編碼器便會記錄手臂各關節的轉動，藉此得知手臂關節的旋轉運動情形，運用此方法的好處在於，若要應用於類人形機械手臂上，其所量測到的角度將可以輕易地轉換成，馬達所需的輸入。相對的，光學式動態擷取技術則是利用以不同角度擺設的攝影機去追蹤角色上的記號，再將此資訊傳回電腦進行龐大且複雜的運算得知目標動態。尤其，自1980年代光學式動態擷取技術蓬勃發展之後，因為市場的需求導向以及其擁有著較高精度的特性，至今一直是動態擷取系統的主流選擇。另一方面，光學式動態擷取技術的缺點是其運動範圍往往必須被限制在一固定範圍內，豈可能發生視線遮蔽的情況。
然而，隨著微機電技術的突破以及相關產業的興起，一種利用慣性量測單元(Inertia Measurement Unit, IMU)進行動態資料擷取的方法便應運而生，一般而言慣性量測單元本身包含加速規、陀螺儀以及磁力計三種感測器，其晶片不僅體積小，售價也是低廉，此為此項技術的一大特點。所使用的慣性量測式動態擷取技術，其原理是應用慣性量測單元，透過加速度、角速度以及磁場強弱等三種資訊，經過演算法處裡過後便可以得到物件在空間中的姿態；但是在使用此種方法的時候，針對這三種訊號的處理則扮演著相當重要的角色。其最主要的原因在於，陀螺儀所量測得的角速度值，即使在整個IMU保持靜止的狀態下，仍然會有一定程度的偏移誤差，在經過演算法內的積分運算之後，此誤差便會被累積起來。另一方面，磁力計也相當容易受到鐵磁性環境的影響，進而使其讀值造成偏移的現象。這些都是慣性式量測無可避免的天然缺陷，然而從體積、精度、成本以及即時性等多重面向考量，在需要即時量測小物體於空間中之姿態此一應用上，將會比其他機械式或光學式擷取技術來的更加適用。
隨著動態擷取系統對於人體動作的解析精度提高，運用此項技術作為量測系統的概念之可行性也隨之大幅提升；因此，動態擷取技術開始跳脫只能應用於娛樂事業上的用途，其應用領域可廣泛延伸包括：醫療復健、人體工學、虛擬實境、以及工業測量等領域。相對的，越來越廣泛的應用領域，也對動態擷取技術的解析精準度要求越來越高，成為相關業界是否能夠成功商業化的重要議題。
本發明之一實施例提供一種慣性式物件姿態測量系統，包括：一加速規、一磁力計、一陀螺儀、一物件向量資訊計算單元、以及一旋轉補償單元；其中，該物件向量資訊計算單元係分別連接於該加速規、磁力計及陀螺儀，以接收來自該加速規、磁力計及陀螺儀的量測資料並計算出至少一物件向量資訊；該旋轉補償單元係連接至該物件向量資訊計算單元以接收該至少一物件向量資訊，並計算且輸出一旋轉補償後之物件向量資訊；其中，該物件向量資訊計算單元更包含：一方向餘弦矩陣(DCM)模組、一四元數(Quaternion)模組、以及一方向餘弦矩陣轉四元數 (DCM to Quaternion) 模組；該方向餘弦矩陣模組係分別連接於該加速規及磁力計，以建立一方向餘弦矩陣；該方向餘弦矩陣轉四元數模組係連接於該方向餘弦矩陣模組，以將該方向餘弦矩陣轉換為一四元數並傳至該旋轉補償單元；該四元數模組係連接於該方向餘弦矩陣轉四元數模組、該陀螺儀、該旋轉補償單元，以進行四元數的建立與更新；該旋轉補償單元分別連接至該方向餘弦矩陣轉四元數模組及四元數模組，以執行四元數的旋轉補償運算並將旋轉補償後的四元數以一旋轉補償後之物件向量資訊輸出。
本發明之另一實施例提供一慣性式物件姿態測量方法，適用於一加速規、一磁力計、以及一陀螺儀，該方法包括下列步驟：擷取來自該加速規、磁力計、以及陀螺儀的原始資料；校正該原始資料之訊號尺度及偏移量；並使用濾波器濾除訊號雜訊；根據該校正後的加速規及磁力計資料，利用重力與磁北方向彼此正交之特性，建立一方向餘弦矩陣且將該方向餘弦矩陣轉換為一加速規及磁力計四元數表示，同時根據該校正後的陀螺儀資料，建立一陀螺儀四元數以表示此物體於附體座標系之轉動情形，之後須利用原先用來表示物體旋轉姿態的四元數之倒數與陀螺儀該四元數相乘，執行逆轉換運算以得出物體於全域座標系中實際的轉動量；根據轉換後的陀螺儀四元數之倒數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差；根據該旋轉誤差利用控制理論計算四元數旋轉補償量，並利用轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉補償量進行四元數旋轉補償；更新該陀螺儀四元數；根據更新後的陀螺儀四元數，輸出一物件向量資訊。
圖1所示為本發明之慣性式物件姿態測量系統的結構示意圖。如圖1所示，本發明之一種慣性式物件姿態測量系統包括：一加速規110、一磁力計120、一陀螺儀130、一物件向量資訊計算單元140、以及一旋轉補償單元150；其中，該物件向量資訊計算單元140係分別連接於該加速規110、磁力計120及陀螺儀130，以接收來自該加速規110、磁力計120及陀螺儀130的量測資料並計算出至少一物件向量資訊；該旋轉補償單元150係連接至該物件向量資訊計算單元140以接收該至少一物件向量資訊，並計算且輸出一旋轉補償後之物件向量資訊。
其中，該物件向量資訊計算單元140更包含：一方向餘弦矩陣(DCM)模組141、一四元數(Quaternion)模組142、以及一方向餘弦矩陣轉四元數 (DCM to Quaternion) 模組143；該方向餘弦矩陣模組141係分別連接於該加速規110及磁力計120，以建立一方向餘弦矩陣；該方向餘弦矩陣轉四元數模組143係連接於該方向餘弦矩陣模組141，以將該方向餘弦矩陣轉換為一四元數並傳至該旋轉補償單元150；該四元數模組142係連接於該方向餘弦矩陣轉四元數模組143、該陀螺儀130、該旋轉補償單元150，以進行四元數的建立與更新；該旋轉補償單元150分別連接至該方向餘弦矩陣轉四元數模組143及四元數模組142，以執行四元數的旋轉補償運算並將旋轉補償後的四元數以一旋轉補償後之物件向量資訊輸出。
值得注意的是，該慣性式物件姿態測量系統更可包括一量測資料校正單元160，分別連接於該加速規110、磁力計120及陀螺儀130與該物件向量資訊計算單元140之間，先將擷取自該加速規110、磁力計120及陀螺儀130的原始量測資料分別進行偏移量(offset)與訊號尺度(scale)的校正，然後再由該物件向量資訊計算單元140計算出至少一物件向量資訊。
更進一步地，該慣性式物件姿態測量系統更可包括一濾波單元170，對該加速規110及磁力計120進行低通濾波以達到磁傾角校正，其校正結果再經由該方向餘弦矩陣模組141建立一方向餘弦矩陣，該濾波單元同時對該陀螺儀130進行高通濾波以執行積分運算，其結果再藉由該四元數模組142以產生一陀螺儀四元數；其中該方向餘弦矩陣經過該方向餘弦矩陣轉四元數模組143轉換成一加速規及磁力計四元數。
該旋轉補償單元150可更包括：一陀螺儀四元數逆轉換模組151、一四元數計算旋轉誤差模組152、以及一四元數旋轉補償模組153；其中，陀螺儀四元數逆轉換模組151係連接於該四元數模組142，以針對該陀螺儀四元數執行逆轉換運算；而該四元數計算旋轉誤差模組152係連接於該陀螺儀四元數逆轉換模組151與該方向餘弦矩陣轉四元數模組143，並且根據逆轉換運算後的該陀螺儀四元數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差；該四元數旋轉補償模組153係分別連接於該陀螺儀四元數逆轉換模組151與該四元數計算旋轉誤差模組152，並且根據該逆轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉誤差，進行四元數旋轉補償。根據該旋轉補償後的四元數，該四元數模組142更新該四元數，然後輸出一物件向量資訊。
圖2所示為本發明之一種慣性式物件姿態測量方法的流程圖。如圖2所示，本慣性式物件姿態測量方法係適用於一加速規、一磁力計、以及一陀螺儀，該方法包括下列步驟：擷取來自該加速規、磁力計、以及陀螺儀的原始資料(步驟210)；校正該原始資料之訊號尺度及偏移量(步驟220)；根據該校正後的加速規及磁力計資料，建立一方向餘弦矩陣且將該方向餘弦矩陣轉換為一加速規及磁力計四元數，並且根據該校正後的陀螺儀資料，建立一陀螺儀四元數且對陀螺儀該四元數執行逆轉換運算(步驟230)；根據轉換後的陀螺儀四元數之倒數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差 (步驟240)；根據該旋轉誤差利用控制理論計算四元數旋轉補償量，並利用轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉補償量進行四元數旋轉補償(步驟250)；更新該陀螺儀四元數(步驟260)；根據更新後的陀螺儀四元數，輸出一物件向量資訊(步驟270)。
值得注意的是，在步驟220中，除了校正該原始資料之訊號尺度及偏移量外，更包含使用一濾波器濾除訊號雜訊。在步驟230中，由於一物件於空間中的姿態可用一含三元素的向量表示，旋轉前後的兩向量之間的關係，則可用一3X3矩陣表示，其原理係利用重力與磁北方向彼此正交之特性，將該校正後的加速規及磁力計資料，建立一方向餘弦矩陣，要描述旋轉矩陣需利用9個元素來表達；然而，這9個元素並不是完全線性獨立，因此實際上空間中的旋轉只需要透過4個元素便可表達，在此可用一高階複數表達。由於在步驟240進行四元數相乘並計算旋轉誤差時，兩個相乘的輸入必須是同一型態，因此須將旋轉矩陣事先轉換成四元數的型態。。再者，根據該校正後的陀螺儀資料所建立的陀螺儀四元數，係以表示此物體於附體座標系之轉動情形；之後須利用原先用來表示物體旋轉姿態的四元數之倒數與該陀螺儀該四元數相乘，以執行逆轉換運算以得出該物體於全域座標系中實際的轉動量。
綜而言之，本發明之一種慣性式物件姿態測量系統利用一慣性量測單元所含的加速規、磁力計以及陀螺儀等三種感測器，分別量測重力和地磁方向以及物件的旋轉速度；然後，將上述量測所得的三種資訊，分別先以兩種途徑建立物件的姿態，再透過數學模型的建立進行旋轉補償，便可以得知該量測單元於空間中之姿態，若將該量測單元固定於一剛性物件上，便可以量測該物件之姿態。再者，利用多個慣性量測單元使用，可計算各物件之間的相對姿態(亦即，空間夾角)。
因此，本發明之一種慣性式物件姿態測量系統，確能藉所揭露之技藝，達到所預期之目的與功效，符合發明專利之新穎性，進步性與產業利用性之要件。
惟，以上所揭露之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例而已，非為用以限定本發明之實施，大凡熟悉該項技藝之人士其所依本發明之精神，所作之變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。
110‧‧‧加速規
120‧‧‧磁力計
130‧‧‧陀螺儀
140‧‧‧物件向量資訊計算單元
141‧‧‧方向餘弦矩陣模組
142‧‧‧四元數模組
143‧‧‧方向餘弦矩陣轉四元數模組
150‧‧‧旋轉補償單元
151‧‧‧陀螺儀四元數逆轉換模組
152‧‧‧四元數計算旋轉誤差模組
153‧‧‧四元數旋轉補償模組
160‧‧‧量測資料校正單元
170‧‧‧濾波單元
210‧‧‧擷取來自該加速規、磁力計、以及陀螺儀的原始資料
220‧‧‧校正該原始資料之訊號尺度及偏移量
230‧‧‧根據該校正後的加速規及磁力計資料，建立一方向餘弦矩陣且將該方向餘弦矩陣轉換為一加速規及磁力計四元數，並且根據該校正後的陀螺儀資料，建立一陀螺儀四元數且對陀螺儀該四元數執行逆轉換運算
240‧‧‧根據轉換後的陀螺儀四元數之倒數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差
250‧‧‧根據該旋轉誤差利用控制理論計算四元數旋轉補償量，並利用轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉補償量進行四元數旋轉補償
260‧‧‧更新該陀螺儀四元數
270‧‧‧根據更新後的陀螺儀四元數，輸出一物件向量資訊
圖1所示為本發明之慣性式物件姿態測量系統的結構示意圖。 圖2所示為本發明之慣性式物件姿態測量方法的流程圖。

Claims (10)

  1. 一種慣性式物件姿態測量系統，包括： 一加速規、一磁力計、一陀螺儀、一物件向量資訊計算單元、以及一旋轉補償單元； 其中，該物件向量資訊計算單元係分別連接於該加速規、磁力計及陀螺儀，以接收來自該加速規、磁力計及陀螺儀的量測資料並計算出至少一物件向量資訊；該旋轉補償單元係連接至該物件向量資訊計算單元以接收該至少一物件向量資訊，並計算且輸出一旋轉補償後之物件向量資訊； 其中，該物件向量資訊計算單元更包含：一方向餘弦矩陣(DCM)模組、一四元數(Quaternion)模組、以及一方向餘弦矩陣轉四元數 (DCM to Quaternion) 模組；該方向餘弦矩陣模組係分別連接於該加速規及磁力計，以建立一方向餘弦矩陣；該方向餘弦矩陣轉四元數模組係連接於該方向餘弦矩陣模組，以將該方向餘弦矩陣轉換為一四元數並傳至該旋轉補償單元；該四元數模組係連接於該方向餘弦矩陣轉四元數模組、該陀螺儀、該旋轉補償單元，以進行四元數的建立與更新；該旋轉補償單元分別連接至該方向餘弦矩陣轉四元數模組及四元數模組，以執行四元數的旋轉補償運算並將旋轉補償後的四元數以一旋轉補償後之物件向量資訊輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之測量系統，更包括： 一量測資料校正單元，分別連接於該加速規、磁力計及陀螺儀與該物件向量資訊計算單元之間，先將擷取自該加速規、磁力計及陀螺儀的原始量測資料分別進行偏移量(offset)與訊號尺度(scale)的校正，然後再由該物件向量資訊計算單元計算出至少一物件向量資訊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之測量系統，更包括： 一濾波單元，對該加速規及磁力計進行低通濾波以達到磁傾角校正，其校正結果再經由該方向餘弦矩陣模組建立一方向餘弦矩陣，該濾波單元同時對該陀螺儀進行高通濾波以執行積分運算，其結果再藉由該四元數模組以產生一陀螺儀四元數；其中該方向餘弦矩陣經過該方向餘弦矩陣轉四元數模組143轉換成一加速規及磁力計四元數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之測量系統，其中該 旋轉補償單元更包括： 一陀螺儀四元數逆轉換模組、一四元數計算旋轉誤差模組、以及一四元數旋轉補償模組； 其中，陀螺儀四元數逆轉換模組係連接於該四元數模組，以針對該陀螺儀四元數執行逆轉換運算； 該四元數計算旋轉誤差模組係連接於該陀螺儀四元數逆轉換模組與該方向餘弦矩陣轉四元數模組，並且根據逆轉換運算後的該陀螺儀四元數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差； 該四元數旋轉補償模組係分別連接於該陀螺儀四元數逆轉換模組與該四元數計算旋轉誤差模組，並且根據該逆轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉誤差，進行四元數旋轉補償。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種慣性式物件姿態測量系統，其中該方向餘弦矩陣轉換模組可藉由一旋轉矩陣來實現。
  6. 一種慣性式物件姿態測量方法，適用於一加速規、一磁力計、以及一陀螺儀，包括下列步驟： 擷取來自該加速規、磁力計、以及陀螺儀的原始資料； 校正該原始資料之訊號尺度及偏移量； 根據該校正後的加速規及磁力計資料，建立一方向餘弦矩陣且將該方向餘弦矩陣轉換為一加速規及磁力計四元數，並且根據該校正後的陀螺儀資料，建立一陀螺儀四元數且對陀螺儀該四元數執行逆轉換運算； 根據轉換後的陀螺儀四元數之倒數與該加速規及磁力計四元數，執行四元數相乘並計算旋轉誤差； 根據該旋轉誤差利用控制理論計算四元數旋轉補償量，並利用轉換運算後的陀螺儀四元數與該旋轉補償量進行四元數旋轉補償；更新該陀螺儀四元數；以及 根據更新後的陀螺儀四元數，輸出一物件向量資訊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之測量方法，其在校正該原始資料之訊號尺度及偏移量步驟中，更包含使用一濾波器濾除訊號雜訊。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之測量方法，其中係利用重力與磁北方向彼此正交之特性，將該校正後的加速規及磁力計資料，建立一方向餘弦矩陣。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之測量方法，其中將該方向餘弦矩陣轉換為一加速規及磁力計四元數的運算可藉由一旋轉矩陣來實現。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之測量方法，其中根據該校正後的陀螺儀資料所建立的陀螺儀四元數，係以表示此物體於附體座標系之轉動情形；之後須利用原先用來表示物體旋轉姿態的四元數之倒數與該陀螺儀該四元數相乘，以執行逆轉換運算以得出該物體於全域座標系中實際的轉動量。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI747195B (zh) * 2020-03-11 2021-11-21 國立臺灣大學 載具即時精準位置校正系統

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109596143A (zh) * 2018-11-07 2019-04-09 深圳市欧盛自动化有限公司 陀螺仪的测试方法、系统、设备及计算机可读存储介质
CN109579836B (zh) * 2018-11-21 2022-09-06 阳光凯讯(北京)科技有限公司 一种基于mems惯性导航的室内行人方位校准方法
CN109990776B (zh) * 2019-04-12 2021-09-24 武汉深海蓝科技有限公司 一种姿态测量方法及装置
CN109883451A (zh) * 2019-04-15 2019-06-14 山东建筑大学 一种用于行人方位估计的自适应增益互补滤波方法及系统
CN110398256B (zh) * 2019-06-19 2021-12-03 北京摩高科技有限公司 一种人体单一姿态的初始校正方法
CN110849344B (zh) * 2019-11-21 2022-10-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种三轴光纤陀螺精密分频方法
CN111025330B (zh) * 2019-12-16 2022-04-26 奥比中光科技集团股份有限公司 一种基于深度图的目标倾斜角检测方法及设备
CN112014062A (zh) * 2020-08-19 2020-12-01 中国航天空气动力技术研究院 一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统和测量方法
CN112113564B (zh) * 2020-09-21 2022-08-02 上海大学 一种基于图像传感器和惯性传感器的定位方法及系统
CN112461224B (zh) * 2020-11-10 2021-09-14 武汉大学 一种基于已知姿态角的磁力计标定方法
CN112525144B (zh) * 2020-11-13 2023-03-21 恒鸿达科技有限公司 一种非线性姿态检测补偿方法及终端
CN112577518A (zh) * 2020-11-19 2021-03-30 北京华捷艾米科技有限公司 一种惯性测量单元标定方法及装置
CN113063416B (zh) * 2021-02-05 2023-08-08 重庆大学 一种基于自适应参数互补滤波的机器人姿态融合方法
CN114216456B (zh) * 2021-11-27 2023-12-08 北京工业大学 一种基于imu与机器人本体参数融合的姿态测量方法
CN114608517B (zh) * 2022-03-14 2023-11-10 东南大学 一种应用于农用无人机植保作业的姿态解算方法
CN115670445A (zh) * 2022-11-09 2023-02-03 山东大学 一种人体姿态检测识别系统及方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6415223B1 (en) * 1999-11-29 2002-07-02 American Gnc Corporation Interruption-free hand-held positioning method and system thereof
US6477465B1 (en) * 1999-11-29 2002-11-05 American Gnc Corporation Vehicle self-carried positioning method and system thereof
US6480152B2 (en) * 2000-07-20 2002-11-12 American Gnc Corporation Integrated GPS/IMU method and microsystem thereof
TWI262295B (en) * 2005-10-24 2006-09-21 Fei-Bin Hsiao Low cost attitude reference system
US8548766B2 (en) * 2009-09-14 2013-10-01 Honeywell International Inc. Systems and methods for gyroscope calibration
US10228263B2 (en) * 2013-03-15 2019-03-12 Google Llc System and method for attitude correction
TWI564129B (zh) * 2015-11-27 2017-01-01 財團法人工業技術研究院 行動輔助機器人之姿態估測方法
US10788672B2 (en) * 2016-03-01 2020-09-29 Mirus Llc Augmented visualization during surgery
US20170273665A1 (en) * 2016-03-28 2017-09-28 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Pose Recovery of an Ultrasound Transducer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI747195B (zh) * 2020-03-11 2021-11-21 國立臺灣大學 載具即時精準位置校正系統

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