WO2022077284A1 - 用于可移动平台的位置姿态确定方法、相关装置和系统 - Google Patents

用于可移动平台的位置姿态确定方法、相关装置和系统 Download PDF

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WO2022077284A1
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inertial measurement
movable platform
attitude
compensation amount
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PCT/CN2020/120949
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刘虎成
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深圳市大疆创新科技有限公司
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    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
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    • G01C21/183—Compensation of inertial measurements, e.g. for temperature effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of parameter measurement of moving objects, and more particularly, to a method for measuring the position and attitude of a movable platform and related devices and systems.
  • a position and attitude system is used to measure the position and attitude of the movable platform, so as to obtain required relevant data information according to the measured relevant position data and attitude data.
  • the position and attitude system in the related art usually includes two sensors, namely a position and velocity measurement module that obtains high-precision position and velocity information in real time through dynamic carrier phase difference technology, and an inertial high-frequency measurement of the three-axis angular rate and acceleration information of the movable platform. measurement module.
  • the position and velocity measurement module and the inertial measurement module are connected in a relatively fixed manner, that is, a rigid connection is used between the two to obtain relevant dynamic data respectively, and the data obtained by the two are combined in order to obtain Continuous complete position, velocity and attitude information of the mobile platform. Due to the rigid connection requirements between the position and velocity measurement modules and the inertial measurement modules, certain constraints are imposed on the installation of the position and velocity measurement modules and the inertial measurement modules. For some specific applications, such requirements bring about practical system design. Many inconveniences.
  • the embodiments of the present disclosure provide a method, device and system for determining a position and attitude for a movable platform, which can eliminate the need for the inertial measurement unit and the position and velocity measurement unit to be arranged on the same component, and have a more flexible relative installation position, Provides convenience for the design of movable platforms.
  • an embodiment of the present disclosure provides a method for determining a position and attitude for a movable platform, wherein an inertial measurement unit and a position and velocity measurement unit are provided on the movable platform, and the inertial measurement unit and the The position and velocity measurement unit is set in a form capable of relative movement; the method includes: acquiring first position data and first motion velocity data measured by the position and velocity measurement unit; acquiring a position compensation amount for the inertial measurement unit and the motion speed compensation amount; calculate the second position data of the inertial measurement unit according to the first position data and the position compensation amount, and calculate the second movement speed data of the inertial measurement unit; and determining the position and attitude of the movable platform according to the second position data and the second movement speed data.
  • an embodiment of the present disclosure provides a computer-readable storage medium, where executable instructions are stored in the computer-readable storage medium, wherein the executable instructions are executed to implement the above-mentioned method for a mobile platform. Position and attitude determination method.
  • an embodiment of the present disclosure provides a position and attitude determination device for a movable platform, the position and attitude determination device comprising: an inertial measurement unit, the inertial measurement unit is provided on the movable platform; position and velocity measurement unit, the position and velocity measurement unit is arranged on the movable platform for acquiring first position data and first movement velocity data, the inertial measurement unit and the position and velocity measurement unit are arranged to be able to move relatively; the position a compensation amount acquisition unit for acquiring a position compensation amount for the inertial measurement unit; a motion speed compensation amount acquisition unit for acquiring a motion speed compensation amount for the inertial measurement unit; a second position data calculation unit, the The second position data calculation unit calculates the second position data of the inertial measurement unit according to the first position data and the position compensation amount; the second movement speed data calculation unit calculates the second movement speed data according to the the first movement speed data and the movement speed compensation amount to calculate the second movement speed data of the inertial measurement unit; and a position and attitude determination
  • an embodiment of the present disclosure provides a position and attitude determination system for a movable platform, wherein the position and attitude determination system includes an inertial measurement unit and a position and velocity measurement unit arranged on the movable platform, so The inertial measurement unit and the position and velocity measurement unit are configured to be able to move relatively; the position and attitude determination system further includes a processor and a memory, the memory is used for storing executable instructions, and the processor calls and stores in the memory
  • the executable instructions in are used to perform the following operations: obtain the first position data and the first movement speed data measured by the position and speed measurement unit; obtain the position compensation amount and the movement speed compensation amount for the inertial measurement unit; Calculate the second position data of the inertial measurement unit according to the first position data and the position compensation amount, and calculate the second position data of the inertial measurement unit according to the first motion speed data and the motion speed compensation amount movement speed data; and determining the position and attitude of the movable platform according to the second position data and the second movement speed data.
  • the inertial measurement unit and the position and velocity measurement unit on the movable platform are arranged in a form capable of relative movement, thereby making the inertial measurement unit and the position and velocity measurement unit two It does not need to be installed on the same part, so it has a more flexible relative installation position. It only needs to know the relative motion relationship between the two, and then the compensation value of the relative motion data between the two can be obtained. The obtained data is based on the relevant data of the inertial measurement unit obtained after the relevant compensation is performed. Therefore, the design of the movable platform is facilitated, so that the method for determining the position and attitude of the present disclosure has wider application scenarios.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for determining a position and attitude of a movable platform according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a movable platform according to the present disclosure.
  • FIG. 3 is a structural block diagram of a computer-readable storage medium according to the present disclosure.
  • FIG. 4 is a structural block diagram of a position and attitude determination device for a movable platform according to the present disclosure.
  • FIG. 5 is a structural block diagram of a position and attitude determination system for a movable platform according to the present disclosure.
  • first and second are only used for description purposes, and cannot be interpreted as indicating or implying relative importance or implicitly indicating the number of indicated technical features. Thus, features defined as “first”, “second” may expressly or implicitly include one or more of said features.
  • “plurality” means two or more, unless expressly and specifically defined otherwise.
  • the terms “installed”, “connected” and “connected” should be understood in a broad sense, unless otherwise expressly specified and limited, for example, it may be a fixed connection or a detachable connection Connection, or integral connection; it can be a mechanical connection, an electrical connection or can communicate with each other; it can be directly connected or indirectly connected through an intermediate medium, it can be the internal communication of two elements or the interaction of two elements relation.
  • installed should be understood in a broad sense, unless otherwise expressly specified and limited, for example, it may be a fixed connection or a detachable connection Connection, or integral connection; it can be a mechanical connection, an electrical connection or can communicate with each other; it can be directly connected or indirectly connected through an intermediate medium, it can be the internal communication of two elements or the interaction of two elements relation.
  • the present disclosure provides a method for determining a position and attitude for a movable platform, which can solve the problem in the related art that two sensors can only be installed relatively fixedly, so that the position and velocity measurement units used to form the position and attitude system and The inertial measurement units are assembled together in a manner capable of relative motion, thereby providing a more convenient design solution for the mobile platform equipped with this position and attitude system. That is to say, the position and attitude determination method for the movable platform according to the present disclosure can allow the position velocity measurement unit and the inertial measurement unit to be arbitrarily arranged on the movable platform, and can be based on the relative position measured by the position velocity measurement unit. The velocity data and the relative rotation data measured by the inertial measurement unit are used to obtain relative motion data for the movable platform to determine the position and attitude of the movable platform.
  • S1 may be performed first, as shown in FIG.
  • the measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 are arranged in a form capable of relative movement, as shown in FIG. 2 , which shows a schematic structural diagram of the movable platform 100 .
  • the position and velocity measurement unit 20 may be an RTK (Real Time Kinematic, real-time dynamic) antenna
  • the inertial measurement unit 40 may be an IMU (Inertial Measurement Unit) component.
  • Both the position-velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 are arranged in a form capable of relative motion, which may include both being arranged in a manner capable of relative translation, in a manner of relative rotation, and in a manner capable of both relative translation and relative rotation.
  • a form capable of relative motion which may include both being arranged in a manner capable of relative translation, in a manner of relative rotation, and in a manner capable of both relative translation and relative rotation.
  • the method for determining the position and attitude according to the present disclosure further includes (as shown in FIG.
  • S2 acquiring the first position data and the first movement speed data measured by the position and velocity measuring unit 20, that is, the position and velocity measuring unit 20
  • the position data and the movement speed data with the center of the sensor of the position and speed measurement unit 20 as the measurement point are directly acquired as the first position data and the first movement speed data.
  • perform S3 to obtain the position compensation amount and the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 40.
  • the speed data is based on the relative adjustment of the position data and the motion speed data of the inertial measurement unit 40 , so that the compensated motion data of the inertial measurement unit 40 can be obtained.
  • any point on the movable platform can be selected as the measurement point for measurement, as long as the relative motion relationship between the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 and the measurement point can be determined, by determining the position and velocity measurement unit 20 and the relative motion relationship between the inertial measurement unit 40 and the measurement point to determine the relative data compensation amount for the measurement point, thereby combining the relevant data measured by the position velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 into a parameter group of the measurement point , thereby determining the position and attitude of the measurement point, and the position and attitude data of the measurement point can be used as the position and attitude data of the movable platform.
  • the position compensation amount and the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 40 can be obtained by a computer vision system. That is to say, the relative motion relationship between the inertial measurement unit 40 and the position-velocity measurement unit 20 can be identified by the computer vision system, and the position data and motion-velocity data measured by the position-velocity measurement unit 20 can be compared according to the relative motion relationship. Corresponding compensation is performed to obtain the second position data and the second movement speed data of the inertial measurement unit 40, thereby obtaining the position and attitude data of the movable platform.
  • the relative motion relationship between the inertial measurement unit 40 and the position and velocity measurement unit 20 can be identified by the computer vision system, and the position data and motion of the inertial measurement unit 40 can be obtained according to the position and movement velocity data measured by the position and velocity measurement unit 20
  • the inertial measurement unit 40 and the position and velocity measurement unit 20 do not need to be relatively fixedly arranged, that is, they do not need to be rigidly connected, and any relative motion can be generated between them.
  • arranging the inertial measurement unit 40 and the position-velocity measurement unit 20 to be capable of relative movement may include pivotally connecting the inertial measurement unit 40 and the position-velocity measurement unit 20 with a pivot 60 .
  • the position and velocity measurement unit 20 can be arranged on the first carrier 120 of the movable platform 100, and correspondingly, the inertial measurement unit 40 can be arranged on the second carrier 140 of the movable platform 100.
  • the first carrier 120 and the second carrier 140 The carriers 140 may be connected together by the pivot shaft 60 , thereby enabling a pivotal connection between the position velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 .
  • the position and velocity measurement unit 20 can be set on the body of the unmanned aerial vehicle, that is, the first carrier 120 is equivalent to the body of the unmanned aerial vehicle, and the inertial measurement unit 40 can be set on the cloud connected to the body of the unmanned aerial vehicle.
  • the second carrier 140 is equivalent to the gimbal of the unmanned aerial vehicle.
  • the gimbal can be connected to the body of the UAV by pivoting.
  • obtaining the position compensation amount for the inertial measurement unit 40 may include obtaining the attitude rotation matrix measured by the inertial measurement unit 40, and calculating the distance between the position velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40. equivalent distance.
  • the position compensation amount of the inertial measurement unit 40 relative to the position and velocity measurement unit 20 can be obtained by combining the above-mentioned equivalent distance with the attitude rotation matrix directly obtained by the inertial measurement unit 40 .
  • the distance between the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 is a fixed value, which can be directly obtained by measurement, while the distance between the position and velocity measurement unit 20 is a fixed value.
  • the equivalent distance between the two needs to be determined according to the relative motion relationship between the two. The process of obtaining the position compensation amount will be described in detail below.
  • the equivalent distance between the position velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 can be calculated by the following formula (1):
  • the position compensation amount for the inertial measurement unit 40 can be calculated by the following formula (2):
  • P COMP is the position compensation amount for the inertial measurement unit 40
  • R(t) is the attitude rotation matrix at time t measured by the inertial measurement unit 40, which is the inertial measurement unit 40 sensed by the inertial measurement unit 40. own attitude rotation matrix.
  • calculating the second position data of the inertial measurement unit 40 according to the first position data and the position compensation amount may include calculating the second position data by the following formula (3):
  • P IMU is the second position data of the inertial measurement unit 40
  • P RTK is the first position data measured by the position and velocity measurement unit 20
  • the position and velocity measurement unit 20 can directly obtain its own position data for calculating The basis for the second position data of the inertial measurement unit 40 .
  • the equivalent rotational angular rate of the inertial measurement unit 40 can be calculated by the following formula (4):
  • ⁇ (t) is the equivalent rotational angular rate of the inertial measurement unit 40; ⁇ 0 (t) is the absolute rotational angular rate measured by the inertial measurement unit 40, that is, the rotational angular rate of the inertial measurement unit 40 itself; R 1 (t) is the relative attitude rotation matrix of the position and velocity measurement unit 20 relative to the inertial measurement unit 40, which can be obtained by the inertial measurement unit 40.
  • the relative attitude rotation matrix of the inertial measurement unit 40; ⁇ 1 (t) is the relative rotational angular rate of the position-velocity measurement unit 20 relative to the inertial measurement unit 40, which can also be controlled by the position-velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40.
  • the relative motion data are obtained.
  • the equivalent distance between the position velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 can be calculated by the following formula (5):
  • ⁇ 1 is the equivalent distance between the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40
  • ⁇ 10 is the rotation of the inertial measurement unit 40 and the pivot shaft 60 The distance between the axes
  • the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 40 can be calculated by the following formula (6):
  • V COMP ⁇ (t) ⁇ l (6)
  • V COMP is the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 40 .
  • the motion speed of the inertial measurement unit 40 can be compensated by the calculated motion speed compensation amount. That is, calculating the second movement speed data of the inertial measurement unit according to the first movement speed data and the movement speed compensation amount can calculate the second movement speed data by the following formula (7):
  • V IMU V RTK - V COMP (7)
  • V IMU is the second movement speed data of the inertial measurement unit 40
  • V RTK is the first movement speed data measured by the position and speed measurement unit 20, that is, its own movement speed measured by the position and speed measurement unit 20 data.
  • the relative attitude rotation matrix R 1 (t) of the position and velocity measurement unit 20 relative to the inertial measurement unit 40 is the relative rotation angle ⁇ 1 (t) of the position and velocity measurement unit 20 relative to the inertial measurement unit 40 .
  • function, ie R 1 (t) R ⁇ 1 (t) ⁇ , where ⁇ 1 (t) is the relative rotation angle of the position and velocity measurement unit 20 relative to the inertial measurement unit 40 at time t.
  • the components l x , ly and l z of ⁇ l on the X, Y and Z axes can be calculated by the above formula.
  • the parameter with the subscript x represents the distance along the X axis
  • the parameter with the subscript y represents the distance along the Y axis
  • the parameter with the subscript z represents the distance along the Z axis.
  • the position and attitude determination method for the movable platform may further include acquiring the absolute rotation angle and the absolute rotation angular rate measured by the inertial measurement unit 40 .
  • the position and velocity measurement unit 20 obtains its own position data and movement velocity data, and by compensating the above data, the second position data and second movement velocity data of the inertial measurement unit 40 are obtained, and the inertial measurement unit 40 obtains the second position data and second movement velocity data through the inertial measurement unit 40 has measured the data of its own rotation angle and rotation angular rate, so that the position and attitude data of the inertial measurement unit 40 can be obtained through the above-mentioned four sets of data, and this is used as the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40.
  • the position and attitude data of the movable platform are obtained to obtain the position and attitude information of the movable platform.
  • the above-mentioned movable platform may include an unmanned aerial vehicle, and advantageously, the unmanned aerial vehicle includes a body and a pan/tilt connected to the body, that is, Fig. 2
  • the movable platform 100 in the above is regarded as an unmanned aerial vehicle
  • the first carrier 120 is regarded as the body of the unmanned aerial vehicle
  • the second carrier 140 is regarded as the gimbal of the unmanned aerial vehicle
  • the inertial measurement unit 40 is arranged on the gimbal
  • the position and velocity measurement unit 20 is arranged on the body of the unmanned aerial vehicle.
  • the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40 are arranged on the body of the UAV at the same time, that is, there is no need to rigidly connect the position and velocity measurement unit 20 and the inertial measurement unit 40, so that the The connection mode that can move relatively, that is, the non-rigid connection mode, thus expands the application scenarios of the position and attitude determination method.
  • the position and velocity measurement unit 20 can also be arranged on the pan/tilt
  • the inertial measurement unit 40 can also be arranged on the body of the unmanned aerial vehicle.
  • the above-mentioned method according to the present disclosure is also applicable to a plurality of position and velocity measurement units 20 and/or multiple inertial measurement units 40.
  • the method according to the present disclosure is also applicable to the following situations, such as global navigation satellite system (GNSS) single-point positioning without base station, pseudo-range differential positioning, precise single-point positioning and related applications of pure position compensation and velocity compensation .
  • GNSS global navigation satellite system
  • the present disclosure also relates to a computer-readable storage medium 200, as shown in FIG. 3, the computer-readable storage medium 200 stores executable instructions 220, wherein the executable instructions 220 are executed to implement any of the above-mentioned functions.
  • the present disclosure also provides a position and attitude determination device 400 for a movable platform, the position and attitude determination device 400 includes: an inertial measurement unit 440, the inertial measurement unit 440 is arranged on the movable platform; position and velocity measurement unit 420, the position and velocity measurement unit 420 is arranged on the movable platform, and is used to obtain the first position data and the first movement velocity data, the inertial measurement unit 440 and the position and velocity measurement unit 420 are arranged to be able to move relatively; the position compensation amount is obtained
  • the unit 460 is used to obtain the position compensation amount of the inertial measurement unit 440;
  • the motion speed compensation amount acquisition unit 480 is used to obtain the motion speed compensation amount of the inertial measurement unit 440;
  • the second position data calculation unit 500 calculates the second position data of the inertial measurement unit 440 according to the first position data and the position compensation amount;
  • the second motion speed data calculation unit 520 calculates the second motion speed data according to the first motion speed data and the motion
  • the inertial measurement unit 440 and the position and velocity measurement unit 420 can be connected in any way.
  • the inertial measurement unit 440 and the position and velocity measurement unit 420 can be respectively arranged on different parts of the movable platform, so as to realize the connection between the two. of mutually movable connections.
  • the mutual movement between the two can also be arbitrarily limited, for example, the two can be relative translation, relative rotation, or both relative translation and relative rotation. It is only necessary to determine the relative motion relationship between the two. The above position compensation amount and motion speed compensation amount.
  • the position and attitude determination device 400 for a movable platform according to the position data and motion speed data measured by the position and speed measurement unit 420 , and according to the relative motion relationship between the position and speed measurement unit 420 and the inertial measurement unit 440 , determine the position compensation amount and the speed compensation amount for the inertial measurement unit 440, so as to determine the second position data and the second movement speed data of the inertial measurement unit 440, and use them as the position data and movement speed data of the movable platform.
  • the position compensation amount acquisition unit 460 and/or the motion speed compensation amount acquisition unit 480 of the position and attitude determination apparatus 400 for a movable platform according to the present disclosure may include a computer vision system. That is to say, the position compensation data and the motion speed compensation data of the inertial measurement unit 440 relative to the position and velocity measurement unit 420 can be obtained directly through the computer vision system, and the computer vision system can obtain the above-mentioned by recognizing the relative motion relationship between the two. Compensation data.
  • the position and attitude determination device 400 for a movable platform pivotally connects the inertial measurement unit 440 and the position-velocity measurement unit 420 together using a pivot.
  • the position of the inertial measurement unit 440 can be performed in the manner described above with reference to the position and attitude determination method for a movable platform
  • the acquisition of the compensation amount and the motion speed compensation amount, and the second position data and the second motion speed data of the inertial measurement unit 440 are obtained based on the first position data and the first motion speed data acquired by the position and speed measurement unit 420. Repeat.
  • the position and attitude determination device 400 for a movable platform may further include an absolute rotation angle acquisition unit and an absolute rotation angular rate acquisition unit, and the absolute rotation angle acquisition unit is used to acquire the measured value by the inertial measurement unit 440.
  • the absolute rotation angle, the absolute rotation angular rate acquisition unit is used to acquire the absolute rotation angular rate measured by the inertial measurement unit 440 .
  • the position and attitude information of the inertial measurement unit 440 can be obtained through the acquired second position data and second motion speed data, absolute rotation angle and absolute rotation angular rate of the inertial measurement unit 440 .
  • the above-mentioned movable platform may include an unmanned aerial vehicle, that is, the position and attitude determination device 400 may be used to determine the position and attitude information of the unmanned aerial vehicle.
  • the UAV may include a body and a pan/tilt connected to the body, wherein the inertial measurement unit 440 is provided on the pan/tilt, and the position and velocity measurement unit 420 is provided on the body of the UAV.
  • the present disclosure also relates to a position and attitude determination system 600 for a movable platform, as shown in FIG. 5 , wherein the position and attitude determination system 600 includes an inertial measurement unit 640 and a position and velocity measurement unit 620 arranged on the movable platform , the inertial measurement unit 640 and the position and velocity measurement unit 640 are configured to be able to move relatively; the position and attitude determination system 600 further includes a processor 660 and a memory 680, the memory 680 is used to store executable instructions 682, and the processor 660 calls and stores in the memory 680
  • the executable instructions 682 in are used to perform the following operations: obtain the first position data and the first movement speed data measured by the position speed measurement unit 620; obtain the position compensation amount and the movement speed compensation amount for the inertial measurement unit 640; The first position data and the position compensation amount calculate the second position data of the inertial measurement unit 640, and calculate the second motion speed data of the inertial measurement unit 640 according to the first motion speed data and the motion speed
  • the position and attitude determination system 600 for a movable platform may further include a computer vision system for acquiring the position compensation amount and the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 640 . That is, by obtaining the relative motion relationship between the position and velocity measurement unit 620 and the inertial measurement unit 640 through the computer vision system, the above-mentioned position compensation amount and motion speed compensation amount can be obtained.
  • the inertial measurement unit 640 and the position velocity measurement unit 620 may be pivotally connected by means of a pivot.
  • other connection methods can also be used to realize the non-rigid connection between the inertial measurement unit 640 and the position-velocity measurement unit 620.
  • the connection between the above two units can be realized through other servo mechanisms such as multi-stage series mechanisms. non-rigid connection.
  • the processor 660 of the position and attitude determination system 600 for a movable platform can also obtain the position compensation amount and the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 640 by calling the executable instructions 682 stored in the memory 680 .
  • the manner in which the position compensation amount and the motion speed compensation amount for the inertial measurement unit 640 are obtained in this embodiment is the same as that in the method for determining the position and attitude of the movable platform of the present disclosure, which will not be repeated here.
  • the processor 660 of the position and attitude determination system 600 for a movable platform invokes the executable instructions 682 stored in the memory 680 to further perform the following operations, obtaining the absolute rotation angle measured by the inertial measurement unit 640 and Absolute rotation angular rate.
  • the position and attitude determination system 600 can determine the inertial measurement according to the obtained second position data and second motion velocity data of the inertial measurement unit 640 and the relative data of the absolute rotation angle and absolute rotation angular rate measured by the inertial measurement unit 640
  • the position information and attitude information of the unit 640 can be regarded as the position and attitude information of the movable platform.
  • the movable platform may include an unmanned aerial vehicle, and the unmanned aerial vehicle may include a body and a pan/tilt connected to the body, wherein the inertial measurement unit 640 is provided on the pan/tilt, and the position and velocity measurement unit 620 is provided on the body . Since the pan/tilt and the body are in a mutually movable connection manner, the mutual movement connection between the position and velocity measurement unit 620 and the inertial measurement unit 640 is realized. There is no need to dispose the position velocity measurement unit 620 and the inertial measurement unit 640 on the body at the same time as in the related art, so as to ensure a relatively fixed connection between the two.
  • the design of the position and attitude determination system 600 for a movable platform is more flexible, which can set the position velocity measurement unit 620 and the inertial measurement unit 640 on any relevant parts of the UAV, so as to realize the motion of both The combination of data to obtain the required position data and attitude data.
  • the method for determining the position and attitude of the movable platform involved in the present disclosure can be used in combination.
  • one or more position and velocity measurement units and/or one or more inertial measurement units may be set on the movable platform.
  • the above position and velocity measurement units It can be connected to the inertial measurement unit in a relative motion, and the required relevant position data and movement speed data can be obtained through the position and velocity measurement unit, and the required relevant rotation angle data and rotation angular rate data can be obtained through the inertial measurement unit.
  • the compensation converts these data into relevant motion data at the measurement point on the movable platform, such as the measurement point can be the center of gravity of the movable platform, of course, the measurement point can be any position of interest related to the mobile platform.
  • This design also realizes the relative movement of the position and velocity measurement unit and the inertial measurement unit on the movable platform.
  • a computer program product includes one or more computer instructions.
  • the computer may be a general purpose computer, a special purpose computer, a computer network, or other programmable device.
  • Computer instructions may be stored in or transmitted over a computer-readable storage medium.
  • Computer instructions may be sent from one website site, computer, server, or data center to another website site, computer, via wire (eg, coaxial cable, fiber optic, digital subscriber line (DSL)) or wireless (eg, infrared, wireless, microwave, etc.) , server or data center for transmission.
  • a computer-readable storage medium can be any available medium that can be accessed by a computer or a data storage device such as a server, a data center, or the like that includes an integration of one or more available media.
  • Useful media may be magnetic media (eg, floppy disks, hard disks, magnetic tapes), optical media (eg, DVDs), or semiconductor media (eg, solid state disks (SSDs)), and the like.

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Abstract

本公开涉及一种用于可移动平台的位置姿态确定方法、位置姿态确定装置系统和位置姿态确定系统，该位置姿态确定方法包括：在可移动平台上设置惯性测量单元和位置速度测量单元，将惯性测量单元和位置速度测量单元设置成能够相对运动的形式；该方法还包括：获取由位置速度测量单元测得的第一位置数据和第一运动速度数据；获取对惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量；根据第一位置数据和位置补偿量计算惯性测量单元的第二位置数据，并根据第一运动速度数据和运动速度补偿量计算惯性测量单元的第二运动速度数据；以及根据第二位置数据和第二运动速度数据确定可移动平台的位置姿态。本公开通过将惯性测量单元和位置速度测量单元设置成非刚性连接的形式，为可移动平台的设计提供了便利，同时扩大了可移动平台的应用场景。

Description

用于可移动平台的位置姿态确定方法、相关装置和系统 技术领域
本公开涉及运动物体的参数测量领域，更具体地，涉及一种可移动平台的位置和姿态的测量的方法以及相关装置和系统。
背景技术
对于无人驾驶的汽车、自动飞行的无人机、移动测量载体和其他移动工程平台等移动平台，需要实时连续的获取可移动平台的位置信息和姿态信息，这是实现反馈控制和安全监控的核心步骤。相关技术中利用位置姿态系统对可移动平台的位置和姿态进行测量，以便根据所测量得到的相关位置数据和姿态数据获取所需的相关数据信息。相关技术中的位置姿态系统通常包括两个传感器，即通过动态载波相位差分技术实时获取高精度位置和速度信息的位置速度测量模块和高频测量可移动平台的三轴角速率和加速度信息的惯性测量模块。
一般情况下，位置速度测量模块和惯性测量模块以相对固定的方式连接，也就是两者之间采用刚性连接的方式，各自获取相关的动态数据，并对两者获取的数据进行组合，以便获得移动平台的连续完整的位置、速度和姿态信息。由于位置速度测量模块和惯性测量模块之间的刚性连接要求，因此对位置速度测量模块和惯性测量模块的安装带来一定的约束，对于一些具体应用而言，这样的要求给实际系统设计带来诸多不便。
发明内容
本公开实施例提供一种用于可移动平台的位置姿态确定方法、装置和系统，可以使惯性测量单元和位置速度测量单元两者无需设置在同一部件上，具有了更加灵活的相对安装位置，为可移动平台的设计提供了便利。
第一方面，本公开实施例提供一种用于可移动平台的位置姿态确定方法，其中，在所述可移动平台上设置惯性测量单元和位置速度测量单元，将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动的形式；所述方法包括：获取由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据和第一运动速度数据；获取对所述惯性测量单元的 位置补偿量和运动速度补偿量；根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据，并根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
第二方面，本公开实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，其中，执行所述可执行指令以实现如上所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法。
第三方面，本公开实施例提供一种用于可移动平台的位置姿态确定装置，该位置姿态确定装置包括：惯性测量单元，所述惯性测量单元设置在所述可移动平台上；位置速度测量单元，所述位置速度测量单元设置在所述可移动平台上，用于获取第一位置数据和第一运动速度数据，所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动；位置补偿量获取单元，用于获取对所述惯性测量单元的位置补偿量；运动速度补偿量获取单元，用于获取对所述惯性测量单元的运动速度补偿量；第二位置数据计算单元，所述第二位置数据计算单元根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据；第二运动速度数据计算单元，所述第二运动速度数据计算单元根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及位置姿态确定单元，所述位置姿态确定单元根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
第四方面，本公开实施例提供一种用于可移动平台的位置姿态确定系统，其中，所述位置姿态确定系统包括设置在所述可移动平台上的惯性测量单元和位置速度测量单元，所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动；所述位置姿态确定系统还包括处理器和存储器，所述存储器用于存储可执行指令，所述处理器调用存储在所述存储器中的可执行指令用于执行以下操作：获取由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据和第一运动速度数据；获取对所述惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量；根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据，并根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
本公开实施例提供的用于可移动平台的位置姿态确定方法，可移动平台上的惯性测量单元和位置速度测量单元设置成能够相对运动的形式，由此使得惯性测量单元和 位置速度测量单元两者无需设置在同一部件上，因此具有了更加灵活的相对安装位置，只需要获知两者的相对运动关系，即可获得两者之间的相对运动数据的补偿值，从而以位置速度测量单元测得的数据为依据进行相关补偿后获得惯性测量单元的相关数据。由此为可移动平台的设计提供了便利，使得根据本公开的位置姿态确定方法具有更加广泛的应用场景。
附图说明
图1为根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法的流程图。
图2为根据本公开的可移动平台的结构示意图。
图3为根据本公开的计算机可读存储介质的结构框图。
图4为根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定装置的结构框图。
图5为根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定系统的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开内容，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅 为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本公开提供一种用于可移动平台的位置姿态确定方法，该方法能够解决相关技术中存在的两个传感器只能相对固定地安装的问题，使得用于组成位置姿态系统的位置速度测量单元和惯性测量单元以能够相对运动的方式组装在一起，从而为搭载这种位置姿态系统的移动平台提供更加便利的设计方案。也就是说，根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法可以允许位置速度测量单元和惯性测量单元任意地设置在可移动平台上，并能够根据位置速度测量单元所测得的相关位置速度数据以及惯性测量单元测得的相关旋转数据获得针对可移动平台的相关运动数据，以确定可移动平台的位置姿态。
在根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法中，可以首先执行S1，如图1所示，在可移动平台100上设置位置速度测量单元20和惯性测量单元40，可以将位置速度测量单元20和惯性测量单元40设置成能够相对运动的形式，如图2所示，示出该可移动平台100的结构示意图。在此，位置速度测量单元20可以为RTK(Real Time Kinematic，实时动态)天线，惯性测量单元40可以为IMU(Inertial Measurement Unit)组件。位置速度测量单元20和惯性测量单元40两者以能够相对运动的形式设置可以包括两者以能够相对平动的方式设置、以相对转动的方式设置以及以既能够相对平动也能够相对转动的方式设置，在此仅需要确定两者之间的相对运动关系即可，在确定两者之间的相对运动关系之后即可实现两者之间的相关运动参数的相互转换。根据本公开的位置姿态确定方法进一步包括(如图2所示)：S2，获取由位置速度测量单元20测得的第一位置数据和第一运动速度数据，也就是可以通过位置速度测量单元20直接获取以位置速度测量单元20的传感器的中心为测量点的位置数据和运动速度数据，作为第一位置数据和第一运动速度数据。然后，执行S3，获取对惯性测量单元40的位置补偿量和运动速度补偿量，在此，以惯性测量单元40为测量中心，以通过位置速度测量单元20获取的第一位置数据和第一运动速度数据为依据对惯性测量单元40的位置数据和运动速度数据进行相关调整，从而能够获得惯性测量单元40的补偿后的运动数据。也就是执行S4，根据第一位置数据和位置补偿量计算惯性测量单元40的第二位置数据，并根据第一运动速度数据和运动速度补偿量计算惯性测量单元40的第 二运动速度数据。最后执行S5，根据第二位置数据和第二运动速度数据确定可移动平台的位置姿态。在此需要说明的是，通过对惯性测量单元40的位置补偿和运动速度补偿，获得了惯性测量单元40的位置数据和运动速度数据，并将上述位置数据和运动速度数据作为该可移动平台的相关数据。
在此，可以选择可移动平台上的任意点作为进行测量的测量点，只要能够确定位置速度测量单元20和惯性测量单元40与该测量点的相对运动关系即可，通过确定位置速度测量单元20和惯性测量单元40与测量点的相对运动关系来确定对测量点进行的相关数据补偿量，由此将通过位置速度测量单元20和惯性测量单元40测得的相关数据组合成测量点的参数组，由此确定测量点的位置和姿态，并且可以以该测量点的位置和姿态数据作为可移动平台的位置和姿态数据。有利地，可以通过计算机视觉系统来获取对惯性测量单元40的位置补偿量和运动速度补偿量。也就是说，可以通过计算机视觉系统来识别惯性测量单元40与位置速度测量单元20之间的相对运动关系，并根据该相对运动关系对由位置速度测量单元20测得的位置数据和运动速度数据进行相应补偿，以获得惯性测量单元40的第二位置数据和第二运动速度数据，从而获得可移动平台的位置和姿态数据。因此，可以通过计算机视觉系统来识别惯性测量单元40与位置速度测量单元20的相对运动关系，并根据位置速度测量单元20测得的位置和运动速度数据来获得惯性测量单元40的位置数据和运动速度数据，而在可移动平台的设计过程中无需将惯性测量单元40与位置速度测量单元20相对固定地设置，也即无需使两者实现刚性连接，两者之间可以产生任意的相对运动。
有利地，将惯性测量单元40和位置速度测量单元20设置成能够相对运动的形式可以包括利用枢轴60将惯性测量单元40和位置速度测量单元20枢转地连接。比如，可以将位置速度测量单元20设置在可移动平台100的第一载体120上，相应地，将惯性测量单元40设置在可移动平台100的第二载体140上，第一载体120和第二载体140可以通过枢轴60连接在一起，由此使得位置速度测量单元20和惯性测量单元40之间实现了枢转连接。惯性测量单元40和位置速度测量单元20的这种设置方式对于搭载有摄像单元的无人飞行器是特别有利的。比如，可以将位置速度测量单元20设置在无人飞行器的机体上，也就是第一载体120相当于无人飞行器的机体，同时将惯性测量单元40设置在与无人飞行器的机体相连接的云台上，也就是第二载体140相当于无人飞行器的云台。云台可以通过枢转的方式连接到无人飞行器的机体上。
进一步地，在根据本公开的方法中，获取对惯性测量单元40的位置补偿量可以 包括获取由惯性测量单元40测得的姿态旋转矩阵，以及计算位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离。可以通过由惯性测量单元40直接获取的姿态旋转矩阵结合上述等效距离来获得相对于位置速度测量单元20对惯性测量单元40的位置补偿量。在位置速度测量单元20与惯性测量单元40为刚性连接的情况下，位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的距离即为定值，可以通过测量直接获得，而在位置速度测量单元20与惯性测量单元40为相对运动连接的情况下，则需要根据两者之间的相对运动关系来确定两者之间的等效距离。以下将详细说明获取位置补偿量的过程。
可以通过下式(1)计算位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离：
δl＝δl 0+R 1(t)δl 1        (1)
其中，δl为位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离，在此该等效距离δl为三维参数；δl 0为惯性测量单元40与枢轴60的旋转轴线之间的距离，可以在可移动平台的设计过程中确定；R 1(t)为位置速度测量单元20在时刻t相对于惯性测量单元40的相对姿态旋转矩阵，其可以由惯性测量单元40进行获取，其通常为三阶方阵；δl 1为位置速度测量单元20与枢轴60的旋转轴线之间的距离，其可以在可移动平台的设计过程中确定。
接着，在计算出位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离之后，可以通过下式(2)计算对惯性测量单元40的位置补偿量：
P COMP＝R(t)×δl          (2)
其中，P COMP为对惯性测量单元40的位置补偿量；R(t)为由惯性测量单元40测得的时刻t的姿态旋转矩阵，其为由惯性测量单元40感测到的惯性测量单元40自身的姿态旋转矩阵。
进一步地，根据第一位置数据和位置补偿量计算惯性测量单元40的第二位置数据可以包括通过下式(3)计算第二位置数据：
P IMU＝P RTK-P COMP       (3)
其中，P IMU为惯性测量单元40的第二位置数据；P RTK为由位置速度测量单元20测得的第一位置数据，位置速度测量单元20可以直接获取其自身的位置数据，用于作为计算惯性测量单元40的第二位置数据的依据。
在获取对惯性测量单元40的位置补偿量以计算其第二位置数据的同时，获取对 该惯性测量单元40的运动速度补偿量，这可以包括计算惯性测量单元40的等效转动角速率，以及计算位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离。在此，可以通过下式(4)计算惯性测量单元40的等效转动角速率：
ω(t)＝ω 0(t)+R 1(t)×ω 1(t)       (4)
其中，ω(t)为惯性测量单元40的等效转动角速率；ω 0(t)为由惯性测量单元40测得的绝对转动角速率，即惯性测量单元40自身的转动角速率；R 1(t)为位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对姿态旋转矩阵，其可以由惯性测量单元40获取，比如通过控制两者的相对运动的相关数据可以获得位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对姿态旋转矩阵；ω 1(t)为位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对转动角速率，这也可以通过控制位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的相对运动的数据来获取。
进一步地，可以通过下式(5)计算位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离：
δl＝δl 0+R 1(t)×δl 1       (5)
在此，与通过式(1)计算的等效距离类似，其中，δl为位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离；δl 0为惯性测量单元40与枢轴60的旋转轴线之间的距离；δl 1为位置速度测量单元20与枢轴60的旋转轴线之间的距离。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法，可以通过下式(6)计算对惯性测量单元40的运动速度补偿量：
V COMP＝ω(t)×δl       (6)
其中，V COMP为对惯性测量单元40的运动速度补偿量。
最后，可以通过计算出的运动速度补偿量对惯性测量单元40的运动速度进行补偿。即，根据第一运动速度数据和运动速度补偿量计算惯性测量单元的第二运动速度数据可以通过下式(7)计算第二运动速度数据：
V IMU＝V RTK-V COMP        (7)
其中，V IMU为惯性测量单元40的第二运动速度数据；V RTK为由位置速度测量单元20测得的第一运动速度数据，即由位置速度测量单元20所测得的其自身的运动速度数据。
在此需要说明的是，位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对姿态旋转矩阵R 1(t)是位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对旋转角度θ 1(t)的函 数，即R 1(t)＝R{θ 1(t)}，其中，θ 1(t)为t时刻位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40的相对旋转角度。假定t时刻位置速度测量单元20相对于惯性测量单元40沿X轴、Y轴和Z轴的旋转角分别为α、β和γ，则有：
Figure PCTCN2020120949-appb-000001
则
Figure PCTCN2020120949-appb-000002
Figure PCTCN2020120949-appb-000003
那么，位置速度测量单元20与惯性测量单元40之间的等效距离δl的计算过程如下：假设惯性测量单元40与枢轴60的旋转轴线之间的距离δl 0为：
Figure PCTCN2020120949-appb-000004
并且，位置速度测量单元20与枢轴60的旋转轴线之间的距离δl 1为：
Figure PCTCN2020120949-appb-000005
则δl＝δl 0+R 1(t)×δl 1的计算过程即为：
Figure PCTCN2020120949-appb-000006
通过上式即可计算得出δl在X、Y和Z轴上的分量l x、l y和l z。在上述计算过程中，下标为x的参数代表沿X轴线的距离，下标为y的参数代表沿Y轴线的距离，下标为z的参数代表沿Z轴线的距离。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法还可以包括获取通过惯性测量单元40测得的绝对转动角度和绝对转动角速率。在此，通过位置速度测量单元20 获取其自身的位置数据和运动速度数据，并通过对上述数据进行补偿获得了惯性测量单元40的第二位置数据和第二运动速度数据，又通过惯性测量单元40测得了自身的转动角度和转动角速率的数据，由此通过上述四组数据即可获得惯性测量单元40的位置姿态数据，并以此作为搭载该位置速度测量单元20和惯性测量单元40的可移动平台位置姿态数据，从而获得可移动平台的位置姿态信息。
在根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法中，上述可移动平台可以包括无人飞行器，有利地，该无人飞行器包括机体和连接至机体的云台，即可以将附图2中的可移动平台100视为无人飞行器，将第一载体120视为无人飞行器的机体，将第二载体140视为无人飞行器的云台，其中，惯性测量单元40设置在云台上，位置速度测量单元20设置在无人飞行器的机体上。由此，无需将位置速度测量单元20和惯性测量单元40同时设置在无人飞行器的机体上，也就是无需对位置速度测量单元20和惯性测量单元40进行刚性连接，实现了两者之间的可相对运动的连接方式，即非刚性连接方式，从而扩大了该位置姿态确定方法的应用场景。当然，在此也可以将位置速度测量单元20设置在云台上，同时将惯性测量单元40设置在无人飞行器的机体上。
在上述实施例中，位置速度测量单元20与惯性测量单元40均为单个的情况下，根据本公开的上述方法同样适用于具有多个位置速度测量单元20和/或多个惯性测量单元40的情况。另外，根据本公开的方法同样适用于以下情况下，比如全球导航卫星系统(GNSS)无基站下的单点定位、伪距差分定位、精密单点定位以及单纯的位置补偿和速度补偿的相关应用。上述情况同样适用于本公开的以下所述实施例。
本公开还涉及一种计算机可读存储介质200，如图3所示，该计算机可读存储介质200存储有可执行指令220，其中，执行可执行指令220以实现如上所述的任一种用于可移动平台的位置姿态确定方法。
进一步地，本公开还提供了一种用于可移动平台的位置姿态确定装置400，该位置姿态确定装置400包括：惯性测量单元440，该惯性测量单元440设置在可移动平台上；位置速度测量单元420，该位置速度测量单元420设置在可移动平台上，用于获取第一位置数据和第一运动速度数据，惯性测量单元440和位置速度测量单元420设置成能够相对运动；位置补偿量获取单元460，用于获取对惯性测量单元440的位置补偿量；运动速度补偿量获取单元480，用于获取对惯性测量单元440的运动速度补偿量；第二位置数据计算单元500，该第二位置数据计算单元500根据第一位置数据和位置补偿量计算惯性测量单元440的第二位置数据；第二运动速度数据计算单元 520，该第二运动速度数据计算单元520根据第一运动速度数据和运动速度补偿量计算惯性测量单元440的第二运动速度数据；以及位置姿态确定单元540，该位置姿态确定单元540根据第二位置数据和第二运动速度数据确定可移动平台的位置姿态。在此，惯性测量单元440和位置速度测量单元420可以通过任意方式进行连接，比如，惯性测量单元440和位置速度测量单元420可以分别设置在可移动平台的不同部件上，以实现两者之间的可相互运动的连接关系。两者之间的相互运动也可以任意限定，比如两者之间可以是相对平动、相对转动或者可以即相对平动也相对转动，只需要确定两者之间的相对运动关系，即可确定上述位置补偿量和运动速度补偿量。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定装置400通过根据位置速度测量单元420测量得到的位置数据和运动速度数据，以及根据位置速度测量单元420和惯性测量单元440之间的相对运动关系，确定对惯性测量单元440的位置补偿量和速度补偿量，从而确定惯性测量单元440的第二位置数据和第二运动速度数据，并以此作为可移动平台的位置数据和运动速度数据。从而无需确保位置速度测量单元420和惯性测量单元440之间的相对固定的连接关系，即两者之间可以实现非刚性连接关系，从而有助于用于可移动平台的位置姿态确定装置400的硬件设计，使其具有更大的设计弹性。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定装置400的位置补偿量获取单元460和/或运动速度补偿量获取单元480可以包括计算机视觉系统。也就是在此可以直接通过计算机视觉系统获取相对于位置速度测量单元420对于惯性测量单元440的位置补偿数据和运动速度补偿数据，计算机视觉系统通过识别两者之间的相对运动关系即可获得上述补偿数据。
有利地，根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定装置400利用枢轴将惯性测量单元440和位置速度测量单元420枢转地连接在一起。在通过枢轴将惯性测量单元440和位置速度测量单元420枢转地连接在一起的情况下，可以通过以上参照用于可移动平台的位置姿态确定方法中描述的方式进行惯性测量单元440的位置补偿量和运动速度补偿量的获取，并基于由位置速度测量单元420获取的第一位置数据和第一运动速度数据获取惯性测量单元440的第二位置数据和第二运动速度数据，在此不再赘述。
进一步地，根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定装置400还可以包括绝对转动角度获取单元和绝对转动角速率获取单元，绝对转动角度获取单元用于获取通 过惯性测量单元440测得的绝对转动角度，绝对转动角速率获取单元用于获取通过惯性测量单元440测得的绝对转动角速率。由此，通过所获取的惯性测量单元440的上述第二位置数据和第二运动速度数据以及绝对转动角度和绝对转动角速率，即可获取惯性测量单元440的位置和姿态信息。
有利地，上述可移动平台可以包括无人飞行器，即所述位置姿态确定装置400可用于确定无人飞行器的位置和姿态信息。该无人飞行器可以包括机体和连接至机体的云台，其中，惯性测量单元440设置在云台上，位置速度测量单元420设置在无人飞行器的机体上。
本公开还涉及一种用于可移动平台的位置姿态确定系统600，如图5所示，其中，该位置姿态确定系统600包括设置在可移动平台上的惯性测量单元640和位置速度测量单元620，惯性测量单元640和位置速度测量单元640设置成能够相对运动；该位置姿态确定系统600还包括处理器660和存储器680，存储器680用于存储可执行指令682，处理器660调用存储在存储器680中的可执行指令682用于执行以下操作：获取由位置速度测量单元620测得的第一位置数据和第一运动速度数据；获取对惯性测量单元640的位置补偿量和运动速度补偿量；根据第一位置数据和位置补偿量计算惯性测量单元640的第二位置数据，并根据第一运动速度数据和运动速度补偿量计算惯性测量单元640的第二运动速度数据；以及根据第二位置数据和第二运动速度数据确定可移动平台的位置姿态。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定系统600还可以包括计算机视觉系统，用于获取对惯性测量单元640的位置补偿量和运动速度补偿量。即，通过计算机视觉系统获取位置速度测量单元620与惯性测量单元640之间的相对运动关系，即可获得上述位置补偿量和运动速度补偿量。
有利地，可以利用枢轴将惯性测量单元640和位置速度测量单元620枢转地连接。当然，在此也可以采用其他连接方式实现惯性测量单元640和位置速度测量单元620之间的非刚性连接，例如可以通过比如为多级串联机构的其他伺服机构来实现上述两个单元之间的非刚性连接。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定系统600的处理器660还可以通过调用存储在存储器680中的可执行指令682以获取对惯性测量单元640的位置补偿量和运动速度补偿量。在该实施例中获取对惯性测量单元640的位置补偿量和运动速度补偿量的方式与本公开的用于可移动平台的位置姿态确定方法中的方式相同，在此不 再赘述。
根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定系统600的处理器660调用存储在存储器680中的可执行指令682还用于执行以下操作，获取通过惯性测量单元640测得的绝对转动角度和绝对转动角速率。该位置姿态确定系统600能够根据所获得的惯性测量单元640的第二位置数据和第二运动速度数据以及由惯性测量单元640测得的绝对转动角度和绝对转动角速率的相关数据来确定惯性测量单元640的位置信息和姿态信息，并可以将此作为该可移动平台的位置和姿态信息。
进一步地，所述可移动平台可以包括无人飞行器，该无人飞行器可以包括机体和连接至机体的云台，其中，惯性测量单元640设置在云台上，位置速度测量单元620设置在机体上。由于云台与机体为可相互运动的连接方式，由此实现了位置速度测量单元620和惯性测量单元640之间的相互运动连接。而无需像相关技术那样需要将位置速度测量单元620和惯性测量单元640同时设置在机体上，以保证两者之间相对固定的连接方式。根据本公开的用于可移动平台的位置姿态确定系统600的设计更加灵活，其可以将位置速度测量单元620和惯性测量单元640设置在无人飞行器的任意相关部件上，以便实现两者的运动数据的组合，从而获得所需的位置数据和姿态数据。
本公开所涉及的用于可移动平台的位置姿态确定方法可以进行组合使用，比如可以在可移动平台上设置一个以上的位置速度测量单元和/或一个以上的惯性测量单元，上述位置速度测量单元和惯性测量单元可以相对运动地连接，并通过位置速度测量单元获取所需的相关位置数据和运动速度数据，通过惯性测量单元获取所需的相关转动角度数据和转动角速率数据，可以通过对数据的补偿将这些数据转换成可移动平台上的测量点处的相关运动数据，比如该测量点可以为可移动平台的重心，当然，该测量点可以是与移动平台相关的任何所感兴趣的位置。这种设计同样实现了位置速度测量单元和惯性测量单元在可移动平台上的可相对运动的连接方式。
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。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计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例的流程或功能。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。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过计算机可读存储介质进行传输。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。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。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。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (46)

  1. 一种用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，在所述可移动平台上设置惯性测量单元和位置速度测量单元，将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动的形式；所述方法包括：
    获取由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据和第一运动速度数据；
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量；
    根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据，并根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及
    根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
  2. 根据权利要求1所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量包括通过计算机视觉系统进行获取。
  3. 根据权利要求1所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动的形式包括利用枢轴将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元枢转地连接。
  4. 根据权利要求3所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量包括获取由所述惯性测量单元测得的姿态旋转矩阵，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  5. 根据权利要求4所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    通过下式(1)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)δl 1   (1)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；R 1(t)为所述位置速度测量单元 在时刻t相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；δl 1为所述位置速度测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  6. 根据权利要求5所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    通过下式(2)计算对所述惯性测量单元的位置补偿量：
    P COMP＝R(t)×δl  (2)
    其中，P COMP为对所述惯性测量单元的位置补偿量；R(t)为由所述惯性测量单元测得的时刻t的姿态旋转矩阵。
  7. 根据权利要求6所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据包括通过下式(3)计算所述第二位置数据：
    P IMU＝P RTK-P COMP  (3)
    其中，P IMU为所述惯性测量单元的第二位置数据；P RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据。
  8. 根据权利要求3所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的运动速度补偿量包括计算所述惯性测量单元的等效转动角速率，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  9. 根据权利要求8所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    通过下式(4)计算所述惯性测量单元的等效转动角速率：
    ω(t)＝ω 0(t)+R 1(t)×ω 1(t)  (4)
    其中，ω(t)为所述惯性测量单元的等效转动角速率；ω 0(t)为由所述惯性测量单元测得的绝对转动角速率；R 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；ω 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对转动角速率。
  10. 根据权利要求9所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    通过下式(5)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)×δl 1  (5)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；δl 1为所述位置速度测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  11. 根据权利要求10所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    通过下式(6)计算对所述惯性测量单元的运动速度补偿量：
    V COMP＝ω(t)×δl  (6)
    其中，V COMP为对所述惯性测量单元的运动速度补偿量。
  12. 根据权利要求11所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据包括通过下式(7)计算所述第二运动速度数据：
    V IMU＝V RTK-V COMP  (7)
    其中，V IMU为所述惯性测量单元的第二运动速度数据；V RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一运动速度数据。
  13. 根据权利要求1所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    还包括获取通过所述惯性测量单元测得的绝对转动角度和绝对转动角速率。
  14. 根据权利要求1所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    所述可移动平台包括无人飞行器。
  15. 根据权利要求14所述的用于可移动平台的位置姿态确定方法，其特征在于，
    所述无人飞行器包括机体和连接至所述机体的云台，其中，所述惯性测量单元设置在所述云台上，所述位置速度测量单元设置在所述机体上。
  16. 一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，其特征在于，
    执行所述可执行指令以实现根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
  17. 一种用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，包括：
    惯性测量单元，所述惯性测量单元设置在所述可移动平台上；
    位置速度测量单元，所述位置速度测量单元设置在所述可移动平台上，用于获取第一位置数据和第一运动速度数据，所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动；
    位置补偿量获取单元，用于获取对所述惯性测量单元的位置补偿量；
    运动速度补偿量获取单元，用于获取对所述惯性测量单元的运动速度补偿量；
    第二位置数据计算单元，所述第二位置数据计算单元根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据；
    第二运动速度数据计算单元，所述第二运动速度数据计算单元根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及
    位置姿态确定单元，所述位置姿态确定单元根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
  18. 根据权利要求17所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    所述位置补偿量获取单元和/或所述运动速度补偿量获取单元包括计算机视觉系统。
  19. 根据权利要求17所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    利用枢轴将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元枢转地连接。
  20. 根据权利要求19所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量包括获取由所述惯性测量单元测得的姿态旋转矩阵，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  21. 根据权利要求20所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    通过下式(1)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)δl 1  (1)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为 所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；R 1(t)为所述位置速度测量单元在时刻t相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；δl 1为所述位置速度测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  22. 根据权利要求21所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    通过下式(2)计算对所述惯性测量单元的位置补偿量：
    P COMP＝R(t)×δl  (2)
    其中，P COMP为对所述惯性测量单元的位置补偿量；R(t)为由所述惯性测量单元测得的时刻t的姿态旋转矩阵。
  23. 根据权利要求22所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    所述第二位置数据计算单元根据下式(3)计算所述第二位置数据：
    P IMU＝P RTK-P COMP  (3)
    其中，P IMU为所述惯性测量单元的第二位置数据；P RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据。
  24. 根据权利要求19所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的运动速度补偿量包括计算所述惯性测量单元的等效转动角速率，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  25. 根据权利要求24所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    通过下式(4)计算所述惯性测量单元的等效转动角速率：
    ω(t)＝ω 0(t)+R 1(t)×ω 1(t)  (4)
    其中，ω(t)为所述惯性测量单元的等效转动角速率；ω 0(t)为由所述惯性测量单元测得的绝对转动角速率；R 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；ω 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对转动角速率。
  26. 根据权利要求25所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    通过下式(5)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)×δl 1  (5)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；δl 1为所述位置速度测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  27. 根据权利要求26所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    通过下式(6)计算对所述惯性测量单元的运动速度补偿量：
    V COMP＝ω(t)×δl  (6)
    其中，V COMP为对所述惯性测量单元的运动速度补偿量。
  28. 根据权利要求27所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    所述第二运动速度数据计算单元根据下式(7)计算所述第二运动速度数据：
    V IMU＝V RTK-V COMP  (7)
    其中，V IMU为所述惯性测量单元的第二运动速度数据；V RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一运动速度数据。
  29. 根据权利要求17所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，还包括：
    绝对转动角度获取单元，用于获取通过所述惯性测量单元测得的绝对转动角度，以及
    绝对转动角速率获取单元，用于获取通过所述惯性测量单元测得的绝对转动角速率。
  30. 根据权利要求17所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    所述可移动平台包括无人飞行器。
  31. 根据权利要求30所述的用于可移动平台的位置姿态确定装置，其特征在于，
    所述无人飞行器包括机体和连接至所述机体的云台，其中，所述惯性测量单元设置在所述云台上，所述位置速度测量单元设置在所述机体上。
  32. 一种用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，所述位置姿态确定系统包括设置在所述可移动平台上的惯性测量单元和位置速度测量单元，所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元设置成能够相对运动；所述位置姿态确定系统还包括处理器和存储器，所述存储器用于存储可执行指令，所述处理器调用存储在所述存储器中的可执行指令用于执行以下操作：
    获取由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据和第一运动速度数据；
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量；
    根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据，并根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据；以及
    根据所述第二位置数据和所述第二运动速度数据确定所述可移动平台的位置姿态。
  33. 根据权利要求32所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    还包括计算机视觉系统，用于获取对所述惯性测量单元的位置补偿量和运动速度补偿量。
  34. 根据权利要求32所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    利用枢轴将所述惯性测量单元和所述位置速度测量单元枢转地连接。
  35. 根据权利要求34所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的位置补偿量包括获取由所述惯性测量单元测得的姿态旋转矩阵，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  36. 根据权利要求35所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    通过下式(1)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)δl 1  (1)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；R 1(t)为所述位置速度测量单元在时刻t相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；δl 1为所述位置速度测量单元 与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  37. 根据权利要求36所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    通过下式(2)计算对所述惯性测量单元的位置补偿量：
    P COMP＝R(t)×δl  (2)
    其中，P COMP为对所述惯性测量单元的位置补偿量；R(t)为由所述惯性测量单元测得的时刻t的姿态旋转矩阵。
  38. 根据权利要求37所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    根据所述第一位置数据和所述位置补偿量计算所述惯性测量单元的第二位置数据包括通过下式(3)计算所述第二位置数据：
    P IMU＝P RTK-P COMP  (3)
    其中，P IMU为所述惯性测量单元的第二位置数据；P RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一位置数据。
  39. 根据权利要求34所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    获取对所述惯性测量单元的运动速度补偿量包括计算所述惯性测量单元的等效转动角速率，以及计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离。
  40. 根据权利要求39所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    通过下式(4)计算所述惯性测量单元的等效转动角速率：
    ω(t)＝ω 0(t)+R 1(t)×ω 1(t)  (4)
    其中，ω(t)为所述惯性测量单元的等效转动角速率；ω 0(t)为由所述惯性测量单元测得的绝对转动角速率；R 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对姿态旋转矩阵；ω 1(t)为所述位置速度测量单元相对于所述惯性测量单元的相对转动角速率。
  41. 根据权利要求40所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    通过下式(5)计算所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离：
    δl＝δl 0+R 1(t)×δl 1  (5)
    其中，δl为所述位置速度测量单元与所述惯性测量单元之间的等效距离；δl 0为所述惯性测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离；δl 1为所述位置速度测量单元与所述枢轴的旋转轴线之间的距离。
  42. 根据权利要求41所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    通过下式(6)计算对所述惯性测量单元的运动速度补偿量：
    V COMP＝ω(t)×δl  (6)
    其中，V COMP为对所述惯性测量单元的运动速度补偿量。
  43. 根据权利要求42所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    根据所述第一运动速度数据和所述运动速度补偿量计算所述惯性测量单元的第二运动速度数据包括通过下式(7)计算所述第二运动速度数据：
    V IMU＝V RTK-V COMP  (7)
    其中，V IMU为所述惯性测量单元的第二运动速度数据；V RTK为由所述位置速度测量单元测得的第一运动速度数据。
  44. 根据权利要求32所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    还包括获取通过所述惯性测量单元测得的绝对转动角度和绝对转动角速率。
  45. 根据权利要求32所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    所述可移动平台包括无人飞行器。
  46. 根据权利要求45所述的用于可移动平台的位置姿态确定系统，其特征在于，
    所述无人飞行器包括机体和连接至所述机体的云台，其中，所述惯性测量单元设置在所述云台上，所述位置速度测量单元设置在所述机体上。
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