CN110873578A - 一种基于转台传递的六面体棱镜和imu安装误差标定方法 - Google Patents

一种基于转台传递的六面体棱镜和imu安装误差标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，首先通过结构件将六面体棱镜与惯性测量单元IMU固连后，安装于三轴转台轴中心处；然后通过陀螺仪标定六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系；再通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系；最后根据六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系、IMU与转台轴系之间的相对角度关系，通过坐标转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系。本发明的方法可以解决实际应用中安装误差角标定精度和实施操作难以保证的问题，不仅操作简单易于实现，且标定精度较高。

Description

一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法。
背景技术
随着高精度POS（位置和姿态测量***，Position and Orientation System）技术的发展，高精度、小型化的POS在机载SAR（合成孔径雷达，Synthetic Aperture Radar）***上逐渐得到了应用。
本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：
高精度POS与SAR固连，通过POS测量获取精确的位置和姿态信息转换得到天线相位中心的位置和姿态，进而辅助得到高质量SAR图像。由于SAR天线与IMU（惯性测量单元，Inertial Measurement Unit）安装失准角的标定精度直接制约SAR***精度，而传统的SAR标定方法是在机场将飞机调平，通过光学设备和标靶等装置，测量SAR与飞机惯导之间的安装关系，获得安装失准角，标定周期长、技术难度大。
由此可知，现有技术中的方法存在实施困难以及标定精度不够的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，用以解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的实施困难以及标定精度不够技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，包括：
步骤S1：通过结构件将六面体棱镜与惯性测量单元IMU固连后，安装于三轴转台轴中心处，惯性测量单元IMU包括陀螺仪和加速度计；
步骤S2：通过陀螺仪标定六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S3：通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S4：根据六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系、IMU与转台轴系之间的相对角度关系，通过坐标转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系。
在一种实施方式中，将垂直于棱镜的
Figure 109736DEST_PATH_IMAGE001
轴的面作为镜面1，将垂直于棱镜的
Figure 445034DEST_PATH_IMAGE002
轴的面作为镜面2，步骤S2具体包括：
步骤S2.1：将转台转动至预设固定位置，获得转台输出姿态值
Figure 347131DEST_PATH_IMAGE003
，并获得该姿 态对应的姿态矩阵
Figure 873796DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S2.2：对陀螺仪进行初始化后，调整角度瞄准镜面1至光线与镜面1垂直，获得陀螺 仪的第一水平角
Figure 962975DEST_PATH_IMAGE005
和第一仰角
Figure 351231DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤S2.3：调整陀螺仪的角度至光线与镜面2垂直，获得陀螺仪输出的第二水平角
Figure 592987DEST_PATH_IMAGE007
和第二仰角
Figure 775707DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S2.4：根据第一水平角
Figure 617761DEST_PATH_IMAGE005
、第一仰角
Figure 544129DEST_PATH_IMAGE006
、第二水平角
Figure 141857DEST_PATH_IMAGE007
和第二仰角
Figure 761057DEST_PATH_IMAGE008
，计算棱 镜的姿态角，具体公式如下：
Figure 559249DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 305619DEST_PATH_IMAGE010
分别表示六面体棱镜的俯仰角、横滚角和航向角，并获得棱 镜姿态矩阵
Figure 240077DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤S2.5：根据转台的姿态矩阵与棱镜姿态矩阵，计算六面体棱镜与转台之间的姿态关系，即为六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系，计算公式为：
Figure 30178DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 830513DEST_PATH_IMAGE013
表示六面体棱镜与转台之间相对角度关系的矩阵。
在一种实施方式中，步骤S3具体包括：
步骤S3.1：控制三轴转台依次绕三轴在0到360度之间不同的角位置静止预设时长，每隔预设角度为一个位置，获得不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.2：控制三轴转台依次绕IMU各轴按照固定角速率旋转预设时长，获得不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.3：根据不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、角度以及角速率，计算IMU与转台之间的相对角度关系。
在一种实施方式中，在步骤S3.3之后，所述方法还包括：
将计算得到的IMU与转台之间相对角度关系在POS的输出端进行补偿。
在一种实施方式中，在步骤S4之后，所述方法还包括：
将得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系在POS的输出端进行补偿。
在一种实施方式中，所述方法还包括：
根据六面体棱镜与IMU之间的角度关系以及SAR预先测量出的自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系，获取SAR与IMU之间的安装误差角。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明提供的一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，首先通过结构件将六面体棱镜与惯性测量单元IMU固连后，安装于三轴转台轴中心处；接着通过陀螺仪标定六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系；然后通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系；最后根据六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系、IMU与转台轴系之间的相对角度关系，通过坐标转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系。
由于本发明提供的方法，通过引入高精度的三轴转台和陀螺仪，可以保证各中间姿态测量的准确性，解决高精度POS与SAR雷达之间安装误差角标定的实际需求问题，本方法不仅操作简单易于实现，且标定精度较高，试验结果显示，其航向角和姿态角标定重复性优于5″。
进一步地，可以根据六面体棱镜与IMU之间的角度关系以及SAR预先测量出的自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系，获取SAR与IMU之间的安装误差角，有助于提高POS***与SAR雷达实际应用的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法流程图；
图2为本发明实施例中基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法的整体流程图；
图3为本发明实施例六面体棱镜示意图。
具体实施方式
针对高精度POS***与SAR在实际应用中安装误差角标定精度和实施操作难以保证的问题，提出一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，解决了高精度POS与SAR雷达之间安装误差角标定的实际需求问题，本方法不仅操作简单易于实现，且标定精度较高。
为了达到上述目的，本发明的主要构思如下：
通过设计紧固可靠的结构件将六面体棱镜与IMU固连，即本方案的高精度POS***自带六面体棱镜结构；首先通过高精度陀螺经纬仪测量六面体棱镜轴系与转台轴系之间的角度关系；然后通过高精度转台的多位置和速率方法测量IMU轴系与转台轴系之间的关系；最后通过坐标系转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系。由于SAR可有效便捷地测量出自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系，通过本发明测量得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系，最终获取SAR与IMU之间的安装误差角。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，请参见图1，该方法包括：
步骤S1：通过结构件将六面体棱镜与惯性测量单元IMU固连后，安装于三轴转台轴中心处，惯性测量单元IMU包括陀螺仪和加速度计。
步骤S2：通过陀螺仪标定六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S3：通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S4：根据六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系、IMU与转台轴系之间的相对角度关系，通过坐标转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系，即为六面体棱镜和IMU之间的安装误差。
步骤S5：将得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系在POS的输出端进行补偿。
本发明提出的一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，可以精确标定出的六面体棱镜与高精度POS***之间的安装角度关系，SAR雷达可方便快捷地获取自身轴系与六面体棱镜之间的准确关系，本发明有助于提高POS***与SAR雷达实际应用的精度和标定效率。
具体地，请参见图2，为本发明实施例中基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法的整体流程图。其中，将得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系在POS的输出端进行补偿，是指将得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系与POS的输出结果相加，得到的结果即为标定结果。通过本发明的方法，最终可以使POS输出姿态与棱镜各轴姿态一致。
在一种实施方式中，将垂直于棱镜的
Figure 98683DEST_PATH_IMAGE001
轴的面作为镜面1，将垂直于棱镜的
Figure 153227DEST_PATH_IMAGE002
轴的面作为镜面2，步骤S2具体包括：
步骤S2.1：将转台转动至预设固定位置，获得转台输出姿态值
Figure 379809DEST_PATH_IMAGE003
，并获得该姿 态对应的姿态矩阵
Figure 637746DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S2.2：对陀螺仪进行初始化后，调整角度瞄准镜面1至光线与镜面1垂直，获得陀螺 仪的第一水平角
Figure 709607DEST_PATH_IMAGE005
和第一仰角
Figure 884237DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤S2.3：调整陀螺仪的角度至光线与镜面2垂直，获得陀螺仪输出的第二水平角
Figure 750561DEST_PATH_IMAGE014
和第二仰角
Figure 545996DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S2.4：根据第一水平角
Figure 155969DEST_PATH_IMAGE005
、第一仰角
Figure 185105DEST_PATH_IMAGE006
、第二水平角
Figure 238643DEST_PATH_IMAGE014
和第二仰角
Figure 986019DEST_PATH_IMAGE008
，计算棱 镜的姿态角，具体公式如下：
Figure 399683DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 798172DEST_PATH_IMAGE010
分别表示六面体棱镜的俯仰角、横滚角和航向角，并获得棱 镜姿态矩阵
Figure 271878DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤S2.5：根据转台的姿态矩阵与棱镜姿态矩阵，计算六面体棱镜与转台之间的姿态关系，即为六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系，计算公式为：
Figure 506551DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 458326DEST_PATH_IMAGE013
表示六面体棱镜与转台之间相对角度关系的矩阵。
具体来说，六面体棱镜示意图参见附图3，其中面
Figure 212787DEST_PATH_IMAGE015
近似垂直于棱镜的
Figure 857395DEST_PATH_IMAGE001
轴，记作镜面1，面
Figure 313784DEST_PATH_IMAGE016
近似垂直于棱镜的
Figure 587027DEST_PATH_IMAGE002
轴，记作镜面2。将转台转动到预设固定 位置后，可以得到转台在该位置的姿态，用对应的姿态矩阵表示。
在步骤S2.5中，棱镜姿态矩阵
Figure 445261DEST_PATH_IMAGE011
即棱镜坐标系与地理坐标系之间的余弦矩阵，
Figure 260770DEST_PATH_IMAGE004
即转台坐标系与地理坐标系之间的余弦矩阵，通过这两个矩阵表示的角度关系，可以计 算出棱镜坐标系与转台坐标系之间的相对角度矩阵
Figure 220767DEST_PATH_IMAGE013
，从而获得棱镜与转台之间的角度 关系。
在一种实施方式中，步骤S3具体包括：
步骤S3.1：控制三轴转台依次绕三轴在0到360度之间不同的角位置静止预设时长，每隔预设角度为一个位置，获得不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.2：控制三轴转台依次绕IMU各轴按照固定角速率旋转预设时长，获得不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.3：根据不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、角度以及角速率，计算IMU与转台之间的相对角度关系。
具体来说，预设时长、预设角度等可以根据实际情况进行选取，步骤S3.1是进行多位置试验，即通过选取不同的位置（角度）测量IMU输出的数据，步骤S3.2是进行多速率试验，即通过设置不同角速率，测量IMU输出的数据。接下来根据得到的多组不同位置的IMU输出的数据、多组不同速率下的IMU输出的数据以及通过转台记录的角度和速率进行解算，得到IMU与转台之间的相对角度关系
在一种实施方式中，在步骤S3.3之后，所述方法还包括：
将计算得到的IMU与转台之间相对角度关系在POS的输出端进行补偿。
具体来说，是将计算得到的IMU与转台之间相对角度关系对POS输出的姿态进行补偿。具体实施过程中，是将计算得到的IMU与转台之间相对角度关系与POS的输出的结果相加，从而得到补偿结果。
在一种实施方式中，所述方法还包括：
根据六面体棱镜与IMU之间的角度关系以及SAR预先测量出的自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系，获取SAR与IMU之间的安装误差角。
具体来说，SAR预先测量出的自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系的具体实现过程为：调整SAR光轴的角度，直至光轴与镜面垂直，输出此时SAR光轴的角度，即为SAR自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系。
总体来说，本方法标定出的六面体棱镜与高精度POS***之间的安装角度关系，有助于提高POS***与SAR雷达实际应用的精度。高精度转台和陀螺经纬仪的引入保证了各中间姿态测量的准确性，解决高精度POS与SAR雷达之间安装误差角标定的实际需求问题，本方法不仅操作简单易于实现，且标定精度较高，试验结果显示，其航向角和姿态角标定重复性优于5″。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通过结构件将六面体棱镜与惯性测量单元IMU固连后，安装于三轴转台轴中心处，惯性测量单元IMU包括陀螺仪和加速度计；
步骤S2：通过陀螺仪标定六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S3：通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系；
步骤S4：根据六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系、IMU与转台轴系之间的相对角度关系，通过坐标转换得到六面体棱镜与IMU之间的角度关系；
步骤S5：将得到的六面体棱镜与IMU之间的角度关系在POS的输出端进行补偿。
2.如权利要求1所述的基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，其特征在于，将垂直于棱镜的
Figure 196728DEST_PATH_IMAGE001
轴的面作为镜面1，将垂直于棱镜的
Figure 238502DEST_PATH_IMAGE002
轴的面作为镜面2，步骤S2具体包括：
步骤S2.1：将转台转动至预设固定位置，获得转台输出姿态值
Figure 221502DEST_PATH_IMAGE003
，并获得该姿态对应的姿态矩阵
Figure 85552DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S2.2：对陀螺仪进行初始化后，调整角度瞄准镜面1至光线与镜面1垂直，获得陀螺仪的第一水平角
Figure 818366DEST_PATH_IMAGE005
和第一仰角
Figure 375250DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤S2.3：调整陀螺仪的角度至光线与镜面2垂直，获得陀螺仪输出的第二水平角
Figure 563654DEST_PATH_IMAGE007
和第二仰角
Figure 496975DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S2.4：根据第一水平角
Figure 634696DEST_PATH_IMAGE005
、第一仰角
Figure 549431DEST_PATH_IMAGE006
、第二水平角
Figure 507023DEST_PATH_IMAGE007
和第二仰角
Figure 165406DEST_PATH_IMAGE008
，计算棱镜的姿态角，具体公式如下：
Figure 892054DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 980620DEST_PATH_IMAGE010
分别表示六面体棱镜的俯仰角、横滚角和航向角，并获得棱镜姿态矩阵
Figure 691087DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤S2.5：根据转台的姿态矩阵与棱镜姿态矩阵，计算六面体棱镜与转台之间的姿态关系，即为六面体棱镜与转台轴系之间的相对角度关系，计算公式为：
Figure 435052DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 999894DEST_PATH_IMAGE013
表示六面体棱镜与转台之间相对角度关系的矩阵。
3.如权利要求1所述的基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
步骤S3.1：控制三轴转台依次绕三轴在0到360度之间不同的角位置静止预设时长，每隔预设角度为一个位置，获得不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.2：控制三轴转台依次绕IMU各轴按照固定角速率旋转预设时长，获得不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息；
步骤S3.3：根据不同位置上IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、不同速率下IMU输出的陀螺信息和加速度计信息、角度以及角速率，计算IMU与转台之间的相对角度关系。
4.如权利要求3所述的基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，其特征在于，在步骤S3.3之后，所述方法还包括：
将计算得到的IMU与转台之间相对角度关系在POS的输出端进行补偿。
5.如权利要求1所述的基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据六面体棱镜与IMU之间的角度关系以及SAR预先测量出的自身轴系与六面体棱镜之间的角度关系，获取SAR与IMU之间的安装误差角。
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