CN114459502A - 一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法 - Google Patents

一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法 Download PDF

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CN114459502A CN202111553099.4A CN202111553099A CN114459502A CN 114459502 A CN114459502 A CN 114459502A CN 202111553099 A CN202111553099 A CN 202111553099A CN 114459502 A CN114459502 A CN 114459502A
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蔡晨光
刘文峰
杨明
***
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夏岩
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Abstract

本发明公开了一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，将由三轴向加速度传感器和三轴向角度传感器构成的惯性测量单元紧固于Stewart平台的动平面中心位置；通过控制Stewart平台分别沿X、Y及Z三个方向产生不同频率和幅值的直线振动，为三轴向加速度传感器提供激励加速度；控制Stewart平台分别绕X、Y及Z三个方向产生不同频率和幅值的角振动，为三轴向角度传感器提供激励角度。利用数据采集设备采集惯性测量单元的输出信号，并进行信号处理；结合机器视觉方法测量的激励信号与数据采集设备采集的输出信号处理结果实现基于Stewart平台的惯性测量单元校准。相比于现有的方法，该方法无需多次重复安装惯性测量单元即可完成校准，具有灵活、简单、高效等优势。

Description

一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法
技术领域
本发明属于振动计量与测试领域，更为具体地讲，尤其涉及基于一种平台运动的惯性测量单元的校准方法。
背景技术
Stewart平台由于刚度大，位置误差不累计，且能产生多种较高精度的复合运动等优势，已经在航空、航天、深海探测等行业有着广泛的应用。惯性测量单元是测量运动物体的位置与姿态的装置，其内部主要由三个单轴向加速度传感器和三轴向角度传感器组成。惯性测量单元是惯性导航***的核心装置，其广泛运用于航空航天等军事领域和无人驾驶技术、智能手机等民用领域，其性能直接决定了导航的精度。传统的加速度传感器和角度传感器的校准通过标准直线振动台和标准转台进行，校准多轴向传感器需要多次手动重复安装，从而引入安装误差。
发明内容
针对传统惯性测量单元的校准方法存在的灵活性差、人为因素干扰较多等不足，本发明提供一种基于Stewart平台的高效、灵活、无需多次重复安装的惯性测量单元校准方法，包括以下步骤：
首先，基于Stewart平台的动平面的中心建立随动坐标系，将惯性测量单元紧固于Stewart平台的动平面中心位置，且保证传感器的灵敏轴方向与动平面的运动方向一致。通过控制Stewart平台的分别使运动平面沿X、Y及Z和俯仰轴、横滚轴及偏航轴产生不同频率及幅值的空间振动，为惯性测量单元内的三轴向加速度传感器和角度传感器提供激励。在Stewart平台上固定一个用于视觉测量的靶标，靶标为一立方体块，其各面均为两个圆形包络一个矩形所构成的图案，靶标、惯性测量单元与运动平面具有一致的运动特性。通过视觉方法对靶标中黑色矩形边缘位置的变化进行测量，利用正弦逼近法处理采集的测量数据，以获得惯性测量单元的激励加速度与角度。测试频率点按照1/3倍频程进行选取，激励加速度和角度幅值参照Stewart平台的交越曲线进行确定。同理，利用正弦逼近法处理采集的惯性测量单元各轴向输出信号，得到输出信号的拟合峰值。利用机器视觉方法测量的惯性测量单元的激励加速度与角度峰值以及各轴向的输出信号峰值解算惯性测量单元的灵敏度，完成惯性测量单元的校准。对于三轴向加速度传感器，运用S2步骤中所得到的拟合的加速度幅值
Figure BDA0003418374420000021
及
Figure BDA0003418374420000022
和S3步骤中所得到三轴向加速度传感器对应轴向的输出电压峰值VX、VY及VZ，运用下式进行传感器灵敏度幅值校准，可计算得到惯性测量单元的三轴向加速度传感器的灵敏度幅值SX、SY、SZ为：
Figure BDA0003418374420000023
对于三轴向角度传感器的校准，由S2步骤中所得到的拟合的角度幅值
Figure BDA0003418374420000024
Figure BDA0003418374420000025
及
Figure BDA0003418374420000026
和S3步骤中所得到的三轴向角度传感器对应轴向的输出角度值θX、θY及θZ，运用下式，得到三轴向角度传感器的灵敏度SP,θ、SQ,θ及SR,θ：
Figure BDA0003418374420000027
本发明基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法具有如下优势：
(1)本发明方法可靠、稳定、便携，适用于多轴向振动传感器灵敏度幅值的校准。
(2)本发明方法可以校准不同型号和尺寸的三轴向加速度传感器、三轴向角度传感器及惯性测量单元。
(3)本发明方法可以实现较宽低频范围内不同类型的三轴向加速度传感器、三轴向角度传感器以及惯性测量单元的灵敏度幅值校准。
(4)本发明方法校准过程简单且高效、一次安装即可完成多轴向振动传感器的灵敏度幅值校准，避免由于多次重复安装所引入的校准不确定度，同时，极大地提升了校准效率。
附图说明
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图。
附图2为基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法的流程图。
附图3为基于Stewart平台的三轴向加速度传感器校准方法流程图。
附图4为基于Stewart平台的三轴向角度传感器校准方法流程图。
具体实施方式
为解决校准多轴向传感器需要多次手动操作，重复安装的问题。并针对传统惯性测量单元的校准方法灵活性差、人为因素干扰较多等不足，本发明提供一种基于Stewart平台的高效、灵活、无需多次重复安装的惯性测量单元校准方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：Stewart平台(1)、运动平面(2)、惯性测量单元(3)、数据采集设备(4)、Stewart平台运动控制设备(5)、靶标(6)、摄像机(7)、数据处理与显示单元(8)。
Stewart平台(1)的运动平面(2)提供空间内轨迹的运动；惯性测量单元(3)与靶标(7)紧固于运动平面(2)上，三者具有一致的运动特性；摄像机(7)架于台面的三个不同方向，用于测量靶标(6)的位姿；数据采集设备(4)用于对惯性测量单元(3)输出数据的采集；Stewart平台运动控制设备(5)用于控制Stewart平台(1)，使其按输入参数产生相应的空间轨迹运动；数据处理与显示单元(8)用于处理数据采集设备(4)所采集的数据和三台摄像机(7)所采集的数据，同时保存与显示运动平面(2)的空间运动参数与惯性测量单元输出参数的值，并输出惯性测量单元校准结果。
参考图2为基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法的流程图。本发明校准方法主要包括以下步骤：
步骤S1:由三轴向加速度传感器与三轴向角度传感器构成的惯性测量单元紧固于Stewart平台的运动平面中心，控制Stewart平台产生空间六自由度的运动轨迹，为惯性测量单元提供激励；
步骤S2:利用由三个摄像机与靶标所构成的机器视觉方法测量Stewart平台为惯性测量单元提供的激励加速度与角度；
步骤S3:采用数据采集设备对不同空间运动轨迹下的惯性测量单元输出信号进行采集，并进行信号的处理；
步骤S4:结合机器视觉方法测量的不同空间运动轨迹下惯性测量单元的激励加速度与角度以及惯性测量单元的输出信号处理结果进行灵敏度解算，保存与显示惯性测量单元的校准结果。
参考图3为基于Stewart平台的惯性测量单元中的三轴向加速度传感器校准方法流程图。其校准方法包括如下步骤：
步骤S11：基于Stewart平台运动平面的中心建立随动坐标系，将惯性测量单元紧固于Stewart平台的动平面中心位置，且保证三轴向加速度传感器的灵敏轴方向与动平面的运动方向一致。然后，通过控制Stewart平台的各个伸缩杆运动，使运动平面分别沿X、Y及Z三个方向产生不同频率和幅值的空间直线振动，用以为惯性测量单元的三轴向加速度传感器提供激励。
步骤S12：利用机器视觉方法测量Stewart平台沿X、Y及Z三个方向的空间直线振动轨迹，获得惯性测量单元三轴向加速度传感器的激励加速度值。
步骤S13：利用数据采集设备采集不同空间运动轨迹下的惯性测量单元中三轴向加速度传感器的输出信号，利用正弦逼近法处理采集的三轴向加速度传感器各轴向的输出信号，得到输出信号的拟合峰值；
步骤S14：对机器视觉方法测量的激励加速度及相应的采样时刻进行正弦逼近拟合：
Figure BDA0003418374420000041
其中aX、aY及aZ为通过视觉测量方法所得到的三轴向加速度传感器在X、Y及Z方向的激励加速度值。tj为第j帧图像的采样时刻，其中下标j＝1，2，…，N，N为采集图像数目；
步骤S15：以求解参数AX、BX、CX及DX为例，基于最小二乘原理求解形如公式(7)第一项由N个aX(tj)与对应tj构成的超定方程组即可得到AX、BX、CX及DX的值。相似地，求解得到其余参数。通过所获得的拟合系数得到激励加速度幅值
Figure BDA0003418374420000051
及
Figure BDA0003418374420000052
如下式所示：
Figure BDA0003418374420000053
步骤S16：运用S14和S15步骤中所得到的拟合的激励加速度幅值
Figure BDA0003418374420000054
及
Figure BDA0003418374420000055
和S13步骤中所得到三轴向加速度传感器中各轴向输出信号的拟合峰值VX、VY及VZ，运用下式进行传感器灵敏度幅值校准，得到三轴向加速度传感器的灵敏度幅值SX、SY、SZ：
Figure BDA0003418374420000056
参考图3为基于Stewart平台的惯性测量单元中的三轴向角度传感器校准方法流程图。其校准方法包括如下步骤：
步骤S21：基于动平台的中心建立随动坐标系，将惯性测量单元按照其轴向固定于动平台中心。然后通过控制Stewart平台的各个伸缩杆运动，使Stewart动平台产生沿俯仰轴、横滚轴及偏航轴的不同频率及不同角度的空间角振动轨迹，用以激励惯性测量单元内的三轴向角度传感器；
步骤S22：利用视觉方法测量Stewart动平台产生的沿三轴向角度传感器的俯仰轴、横滚轴及偏航轴的空间角振动轨迹，得到Stewart动平台的角度幅值；
步骤S23：利用数据采集设备采集不同空间运动轨迹下的惯性测量单元中三轴向角度传感器的输出信号，利用正弦逼近法处理采集的三轴向角度传感器各轴向的输出信号，得到输出信号的拟合峰值；
步骤S24：对机器视觉方法测量的激励角度及相应的采样时刻进行正弦逼近拟合：
Figure BDA0003418374420000057
其中，θP、θQ及θR为通过视觉测量方法所得到的三轴向角度传感器中俯仰轴、横滚轴及偏航轴的激励角度值。tj为第j帧图像的采样时刻，其中下标j＝1，2，…，N，N为采集图像数目；
步骤S25：以求解参数AP、BP、CP及DP为例，基于最小二乘原理求解形如公式(10)第一项由N个θP(tj)与对应tj构成的超定方程组即可得到AP、BP、CP及DP的值。相似地，求解得到其余参数。通过所获得的拟合系数得到三轴向角度幅值
Figure BDA0003418374420000061
及
Figure BDA0003418374420000062
如下式所示：
Figure BDA0003418374420000063
步骤S26：对于三轴向角度传感器的校准，由S24和S25步骤中所得到的拟合的三轴向角度幅值
Figure BDA0003418374420000064
及
Figure BDA0003418374420000065
和S23步骤中所得到的三轴向角度传感器各轴向输出信号的拟合峰值θX、θY及θZ，运用下式，得到三轴向角度传感器的灵敏度SP,θ、SQ,θ及SR,θ：
Figure BDA0003418374420000066
受现有设备的限制，本实施实例装置运用一台工业相机通过多次移动位置拍摄Stewart平台所产生的多种空间运动轨迹；运用三轴向加速度传感器和两轴向倾角传感器组成惯性测量单元，运用频率范围为DC-5Hz、最大峰-峰值位移为200mm的Stewart平台。
为验证本发明基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法的精度，利用本发明方法与基于机器视觉测量的标准直线振动台所校准的三轴向加速度传感器结果进行对比，如表1所示。
表1与基于机器视觉的直线振动台加速度传感器校准结果比较
Figure BDA0003418374420000067
Figure BDA0003418374420000071
运用本方法所得到的两轴倾角传感器两轴灵敏度的校准结果，如表2所示：
表2运用本方法所校准的两轴倾角传感器灵敏度数据
Figure BDA0003418374420000072
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：所述校准方法包括以下步骤，
S1:由三轴向加速度传感器与三轴向角度传感器构成的惯性测量单元紧固于Stewart平台的运动平面中心，控制Stewart平台产生空间六自由度的运动轨迹，为惯性测量单元提供相应的激励；
S2:利用由三个摄像机构成的机器视觉方法测量Stewart平台为惯性测量单元提供的激励加速度与角度；
S3:同时采用数据采集设备对不同空间运动轨迹下的惯性测量单元输出信号进行采集，并进行信号处理；
S4:结合机器视觉方法测量的不同空间运动轨迹下惯性测量单元的激励加速度与角度以及惯性测量单元的输出信号处理结果进行灵敏度解算，保存与显示惯性测量单元的校准结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：
基于Stewart平台提供的惯性测量单元激励加速度与角度，具体包括：
(1)基于Stewart平台的空间直线振动轨迹
首先，基于Stewart平台运动平面的中心建立随动坐标系；然后，通过控制Stewart平台的各个伸缩杆运动，使运动平面分别沿X、Y及Z轴产生不同频率和幅值的空间直线振动，用以为惯性测量单元的三轴向加速度传感器提供激励；
(2)基于Stewart平台的空间角振动轨迹
首先，基于Stewart平台运动平面的中心建立随动坐标系；然后，通过控制Stewart平台的各个伸缩杆运动，使运动平面分别沿三轴向角度传感器的俯仰轴、横滚轴及偏航轴产生不同频率及幅值的空间角振动，用以为惯性测量单元的三轴向角度传感器提供激励。
3.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：
在Stewart平台的运动平面上固定用于视觉测量的靶标，靶标为一立方体块，其各面均为两个圆形包络一个矩形所构成的图案，靶标、惯性测量单元与运动平面具有一致的运动特性；通过机器视觉方法对靶标各表面矩形边缘位置的变化进行测量，以获得惯性测量单元的激励加速度与角度，具体包括：
(1)利用机器视觉方法测量Stewart平台沿X、Y及Z轴的空间直线振动轨迹，获得惯性测量单元三轴向加速度传感器的激励加速度幅值；
(2)利用机器视觉方法测量Stewart平台沿俯仰、横滚及偏航轴的空间角振动轨迹，获得惯性测量单元的激励角度幅值；
对机器视觉方法测量的激励加速度与角度以及相应的采样时刻进行正弦逼近拟合：
Figure FDA0003418374410000021
其中，aX、aY及aZ为机器视觉方法测量的三轴向加速度传感器在X、Y及Z方向的激励加速度值；tj为第j帧图像的采样时刻，其中下标j＝1，2，…，N，N为采集图像数目；θP、θQ及θR为机器视觉方法测量的三轴向角度传感器在俯仰轴、横滚轴及偏航轴的角度；以求解参数AX、BX、CX及DX为例，基于最小二乘原理求解形如公式(1)第一项由N个aX(tj)与对应tj构成的超定方程组即得到AX、BX、CX及DX的值；相似地，求解得到其余参数；通过求解的正弦参数计算得到激励加速度幅值
Figure FDA0003418374410000022
及
Figure FDA0003418374410000023
激励角度幅值
Figure FDA0003418374410000024
及
Figure FDA0003418374410000025
如下式所示：
Figure FDA0003418374410000026
Figure FDA0003418374410000038
4.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：
利用数据采集设备采集不同空间运动轨迹下的惯性测量单元输出信号，测试频率点的选择按照1/3倍频程频率进行选取，激励加速度和角度幅值参照Stewart平台的交越曲线确定；同理，利用正弦逼近法处理采集的惯性测量单元各轴向输出信号，得到输出信号的拟合峰值VX、VY、VZ、θX、θY及θZ。
5.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：
利用机器视觉方法测量的惯性测量单元的激励加速度与角度峰值以及各轴向的输出信号峰值解算惯性测量单元的灵敏度；对于三轴向加速度传感器，运用S2步骤中所得到的拟合的加速度幅值
Figure FDA0003418374410000031
及
Figure FDA0003418374410000032
和S3步骤中所得到三轴向加速度传感器对应轴向的输出电压峰值VX、VY及VZ，可计算得到惯性测量单元的三轴向加速度传感器的灵敏度幅值SX、SY、SZ为：
Figure FDA0003418374410000033
对于三轴向角度传感器的校准，由S2步骤中所得到的拟合的角度幅值
Figure FDA0003418374410000034
Figure FDA0003418374410000035
及
Figure FDA0003418374410000036
和S3步骤中所得到的三轴向角度传感器对应轴向的输出角度值θX、θY及θZ，计算得到惯性测量单元的三轴向角度传感器灵敏度SP,θ、SQ,θ及SR,θ为：
Figure FDA0003418374410000037
6.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的惯性测量单元校准方法，其特征在于：实现该方法的装置包括：Stewart平台(1)、运动平面(2)、惯性测量单元(3)、数据采集设备(4)、Stewart平台运动控制设备(5)、靶标(6)、摄像机(7)、数据处理与显示单元(8)；
Stewart平台(1)的运动平面(2)提供空间内轨迹的运动；惯性测量单元(3)与靶标(7)紧固于运动平面(2)上，三者具有一致的运动特性；摄像机(7)架于台面的三个不同方向，用于测量靶标(6)的位姿；数据采集设备(4)用于对惯性测量单元(3)输出数据的采集；Stewart平台运动控制设备(5)用于控制Stewart平台(1)，使其按输入参数产生相应的空间轨迹运动；数据处理与显示单元(8)用于处理数据采集设备(4)所采集的数据和三台摄像机(7)所采集的数据，同时保存与显示运动平面(2)的空间运动参数与惯性测量单元输出参数的值，并输出惯性测量单元校准结果。
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