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专利号: 2020114116973
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于多IMU融合的姿态检测方法,其特征在于,所述姿态检测方法运行在嵌入式系统中,该嵌入式系统包括硬件和软件,所述硬件包括嵌入式处理器、一个主IMU和若干辅IMU,其中主IMU挂载了电子罗盘,辅IMU无需挂载电子罗盘,所述软件运行在嵌入式微处理器上;所述姿态检测方法的具体步骤如下:S1、姿态检测开始时,先进行初始化,分别校准主IMU和辅IMU的加速度计和陀螺仪,同时校准挂载在主IMU下的电子罗盘;

S2、根据电子罗盘采集的磁场强度,计算磁场干扰强度,并根据磁场干扰强度确定偏航角的初始值:

S21、设电子罗盘测量到其所在环境的三轴磁场强度为M(mx,my,mz),则磁场强度m的表达式为:

S22、设地磁强度为m地,则磁场干扰强度m扰的表达式为:m扰=m‑m地

并记录初始磁场干扰强度为m初;

S23、如果磁场干扰强度m扰大于设定的阈值,则偏航角有效位置0,同时将偏航角初值设为0,并记录在变量Y中;

S24、如果磁场干扰强度m扰小于设定的阈值,则偏航角有效位置1,主IMU结合电子罗盘数据使用AHRS姿态解算算法解算得到当前偏航角,将解算得到的当前偏航角作为偏航角的初始值,并记录在变量Y中;

S3、运行多IMU融合削弱偏航角漂移的算法,计算主IMU和辅IMU的倾斜角,使用倾斜角最接近45度或135度的一个IMU来观测偏航角增量,得到多IMU融合的弱漂移的偏航角:S31、采用6轴IMU姿态解算算法解算得到第i个IMU的三轴姿态欧拉角,即横滚角Ri、俯仰角Pi和偏航角Yi,其中i=0、1、2……,i=0时代表主IMU的数据,i=1、2……代表辅IMU的数据;

S32、根据步骤S31中每一个IMU的横滚角和偏航角计算出其Z轴与垂直于地平面向上的法向量的夹角,即倾斜角Ti:

S33、为了方便比较各IMU倾斜角的大小以选取用于观测的IMU,将步骤S32中第i个IMU的倾斜角Ti转化为用于比较的倾斜角Di:S34、设第i个IMU的偏航角增量为ΔYi,选择步骤S33中用于比较的倾斜角的绝对值最小的IMU的偏航角作为观测偏航角,则观测偏航角的增量ΔY观为:ΔY观=ΔYk(k=index(min(|Di|)))则弱漂移的偏航角的增量ΔY测为:ΔY测=sign(ΔY0ΔY观)ΔY观多IMU融合的弱漂移的偏航角为:Y=Y+ΔY测;

S4、运行多IMU融合抗磁干扰的偏航角测量算法,根据磁场干扰、加速度或角速度突变情况计算干扰系数S和突变因子I,再将AHRS姿态解算算法解算的偏航角和步骤S3中多IMU融合的弱漂移的偏航角融合,获得多IMU融合抗磁干扰的偏航角:S41、根据步骤S2中方法计算磁场干扰强度m扰,结合步骤S22中得到的初始磁场干扰强度m初,得到磁场干扰强度变化m变的表达式为:m变=m扰‑m初

设磁场变化影响系数为k,由此得到干扰系数S的表达式为:S=km变+(1‑k)m扰;

S42、根据主IMU加速度计采集到的加速度A(ax,ay,az)和陀螺仪采集到的角速度W(wx,wy,wz),用加速度的增量dA(ax,ay,az)、加速度的突变阈值dAMax、角速度的增量dW(wx,wy,wz)和角速度的突变阈值dWMax将突变进行量化,得到突变因子I的表达式为:其中,h为加速度突变影响系数;

S43、根据步骤S41和步骤S42得到的干扰系数S和突变因子I,设干扰阈值为SMax、设突变阈值为IMax,计算融合系数v的表达式为:S44、根据干扰系数S是否达到干扰阈值SMax,以及突变因子I是否达到突变阈值IMax,得到融合后的偏航角Y的表达式:

其中,ΔY测为步骤S34中得到的弱漂移的偏航角的增量,ΔY为主IMU结合电子罗盘数据使用AHRS姿态解算算法解算得到的偏航角与当前偏航角Y的差值;

S5、主IMU使用6轴IMU姿态解算算法解算得到装置的俯仰角和横滚角;

S6、重复步骤S3至步骤S5,完成装置姿态的实时检测。

2.根据权利要求1所述的基于多IMU融合的姿态检测方法,其特征在于,在步骤S1中,量化了磁场干扰,并根据量化的磁场干扰获得了初始偏航角。

3.根据权利要求1所述的基于多IMU融合的姿态检测方法,其特征在于,在步骤S3中,6轴IMU姿态解算算法为使用三轴加速度计和三轴陀螺仪数据解算姿态的算法,其中也选择使用卡尔曼滤波算法或互补滤波算法。

4.根据权利要求1所述的基于多IMU融合的姿态检测方法,其特征在于,在多IMU融合抗磁干扰的偏航角测量算法中,通过计算干扰系数和突变因子,融合主IMU和副IMU的数据,得到检测装置的抗磁干扰的偏航角。

5.一种利用权利要求1‑4中任一项所述的基于多IMU融合的姿态检测方法的姿态检测装置,其特征在于,所述多IMU融合削弱偏航角漂移的算法和所述多IMU融合抗磁干扰的偏航角测量算法均运行在采用多IMU融合削弱偏航角漂移的IMU安装方法制作的装置中;其中多IMU融合削弱偏航角漂移的IMU安装方法,即各IMU的安装保持一定的角度关系,使得测量装置在运动中总有一个IMU的Z轴与垂直于地平面向上的法向量和地平面都有不小于20度的夹角,电子罗盘的坐标轴与主IMU的坐标轴平行且方向一致。