CN115372659A - 一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，包括以下步骤：步骤一，初始运行库建立；步骤二，运行库数据更新；步骤三，初始轨迹建立；步骤四，轨迹路径优化；步骤五，速度模型建立；步骤六，模型节点细化；步骤七，时间点速度计算；本发明，通过三轴陀螺仪来采集电池的运行角速度，之后通过计算姿态角来还原电池的运行轨迹，确保了建立后运动轨迹的精度，通过对建立的运行轨迹进行曲率优化，来获取对应时间节点下的电池速度方向，提高了计算方法的实用性，通过对电池运行轨迹上的节点进行细化处理并建立轨迹数据库，之后利用与特定时间点相邻的速度点数据来计算特定时间下的瞬时速度，满足了复杂的实际检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及电池轨迹和速度分析技术领域，具体为一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法。
背景技术
随着单片机技术的成熟，智能仪表技术也逐步发展起来，智能仪表是以微型计算机为主体，将计算机技术和检测技术有机结合所形成的检测设备，因其参数设定简单及编程的可靠性高在电子检测领域得到了广泛的使用，但是现有的电池运行轨迹计算方式数据的来源单一，影响了计算后运行轨迹的精准度，且现有的电池运行轨迹计算方式没有根据时间节点上的加速度对运行轨迹进行曲率优化，难以获取对应时间节点下的电池速度方向，从而影响了计算方法的实用性，同时现有的计算方式以检测节点作为数据的采集分析点，无法计算特定时间下的瞬时速度，难以满足复杂的实际检测需求，因此设计一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，包括以下步骤：步骤一，初始运行库建立；步骤二，运行库数据更新；步骤三，初始轨迹建立；步骤四，轨迹路径优化；步骤五，速度模型建立；步骤六，模型节点细化；步骤七，时间点速度计算；
其中上述步骤一中，首先由加速度仪和三轴陀螺仪分别采集电池的初始加速度和电池的初始角速度，之后根据电池的初始加速度和初始角速度计算电池的初始姿态角，接着根据四元数法计算电池的初始四元数，随后将初始四元数记录并标记在四元数运行库中；
其中上述步骤二中，由三轴陀螺仪采集整个过程中电池的角速度，并对四元数运行库中的数据进行更新，随后通过四元数运行库中的所有节点四元数计算出每个节点所对应的节点姿态角；
其中上述步骤三中，根据四元数运行库中的数据分析每个时间节点下电池的行进方向，并结合角速度计算在该行进方向下的运行距离，随后结合节点的姿态角及运行距离标记下一个时间节点下的轨迹点，之后根据轨迹点建立电池的初始运行轨迹模型；
其中上述步骤四中，由运动相机采集电池运动过程中的视觉图像，之后对视觉图像进行处理计算图像中的特征点，之后将特征点标记运动数据库中，接着结合运动数据库中的特征点、三轴陀螺仪采集的角速度和加速度仪采集的节点加速度建立轨迹误差方程，随后通过非线性优化计算，调整运行轨迹模型中每个节点对应的位置，调整后的轨迹模型即为电池的运行轨迹模型；
其中上述步骤五中，对电池运行轨迹上的节点进行细化处理，细化后的每个点作为速度的提取点，得到电池速度提取模型；
其中上述步骤六中，在电池速度提取模型中进行速度点的单独处理，处理后将每个速度点的运行方向及运行速度记录到轨迹数据库中；
其中上述步骤七中，输入需要查询的速度时间点，之后在步骤六中建立的轨迹数据库中，调取速度时间点所对应的相邻两个时间点的运行速度，之后计算相邻两个时间点的运行速度平均值，即为电池在查询的速度时间点下的运行速度。
优选的，所述步骤一中，加速度仪和三轴陀螺仪的信号采集速率为20ms/次，四元运行库中的更新速率为20ms/次，初始四元数为四元数运行库中的初始数据。
优选的，所述步骤二中，根据采集的角速度更新四元数运行库的过程为：通过四元数法计算每个采集节点所对应的节点四元数，随后将节点四元数依次记录标记在四元数运行库中，完成四元数运行库的数据更新。
优选的，所述步骤三中，电池的运行轨模型的建立过程为：首先建立空间直角坐标系，随后将空间直角坐标系的原点作为电池运行轨迹的起始点，之后提取每个时间节点下的轨迹点，依次标记在建立的空间支脚坐标系中，接着依次连接每个轨迹点形成原始轨迹，随后使用曲率计算消除原始轨迹上的拐点，即形成电池的运行轨迹模型。
优选的，所述步骤四中，运动相机采集视觉图形的采集速率为20ms/次，且运动相机的初始采集时间与三轴陀螺仪的初始采集时间一致。
优选的，所述步骤五中，细化处理的过程为：首先提取第n个节点位置，再提取第n+1个的节点位置，随后计算第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹曲线距离，同时提取加速度仪检测到对应的第n个节点和第n+1个节点的节点加速度，之后根据加速的变化速率，在第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹上细化对应单位时间下的提取点。
优选的，所述步骤六中，对速度点的单独处理过程为：首先标记第m个单独的速度点，随后生成关于第m个速度点在电池速度提取曲线中的单位向量，此单位向量即为此速度点的运行方向，再提取第m+1个和第m-1个的节点位置，随后计算第m+1个和第m-1个节点之间的轨迹曲线距离，之后根据节点间的轨迹曲线距离和节点时间差，计算出第m个速度点的瞬时速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，通过三轴陀螺仪来采集过程中电池的运行角速度，之后通过建立的四元数运行库计算每个时间节点下的姿态角还原电池的运行轨迹，提高了建立的轨迹精度，通过测量的特征点、角速度和加速度建立轨迹误差方程，对建立的运行轨迹进行曲率优化，便于获取对应时间节点下的电池速度方向，提高了计算方法的实用性，通过对电池运行轨迹上的节点进行细化处理来建立电池速度提取模型，之后将每个速度点的运行方向及运行速度记录到轨迹数据库中，随后通过相邻速度点的数据来计算特定时间下的瞬时速度，满足了复杂的实际检测需求。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1，本发明提供的一种技术方案：一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，包括以下步骤：步骤一，初始运行库建立；步骤二，运行库数据更新；步骤三，初始轨迹建立；步骤四，轨迹路径优化；步骤五，速度模型建立；步骤六，模型节点细化；步骤七，时间点速度计算；
其中上述步骤一中，首先由加速度仪和三轴陀螺仪分别采集电池的初始加速度和电池的初始角速度，之后根据电池的初始加速度和初始角速度计算电池的初始姿态角，接着根据四元数法计算电池的初始四元数，随后将初始四元数记录并标记在四元数运行库中，加速度仪和三轴陀螺仪的信号采集速率为20ms/次，四元运行库中的更新速率为20ms/次，初始四元数为四元数运行库中的初始数据；
其中上述步骤二中，由三轴陀螺仪采集整个过程中电池的角速度，并对四元数运行库中的数据进行更新，根据采集的角速度更新四元数运行库的过程为：通过四元数法计算每个采集节点所对应的节点四元数，随后将节点四元数依次记录标记在四元数运行库中，完成四元数运行库的数据更新，随后通过四元数运行库中的所有节点四元数计算出每个节点所对应的节点姿态角；
其中上述步骤三中，根据四元数运行库中的数据分析每个时间节点下电池的行进方向，并结合角速度计算在该行进方向下的运行距离，随后结合节点的姿态角及运行距离标记下一个时间节点下的轨迹点，之后根据轨迹点建立电池的初始运行轨迹模型，电池的初始运行轨模型的建立过程为：首先建立空间直角坐标系，随后将空间直角坐标系的原点作为电池运行轨迹的起始点，之后提取每个时间节点下的轨迹点，依次标记在建立的空间支脚坐标系中，接着依次连接每个轨迹点形成原始轨迹，随后使用曲率计算消除原始轨迹上的拐点，即形成电池的初始运行轨迹模型；
其中上述步骤四中，由运动相机采集电池运动过程中的视觉图像，运动相机采集视觉图形的采集速率为20ms/次，且运动相机的初始采集时间与三轴陀螺仪的初始采集时间一致，之后对视觉图像进行处理计算图像中的特征点，之后将特征点标记运动数据库中，接着结合运动数据库中的特征点、三轴陀螺仪采集的角速度和加速度仪采集的节点加速度建立轨迹误差方程，随后通过非线性优化计算，调整运行轨迹模型中每个节点对应的位置，调整后的轨迹模型即为电池的运行轨迹模型；
其中上述步骤五中，对电池运行轨迹上的节点进行细化处理，细化处理的过程为：首先提取第n个节点位置，再提取第n+1个的节点位置，随后计算第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹曲线距离，同时提取加速度仪检测到对应的第n个节点和第n+1个节点的节点加速度，之后根据加速的变化速率，在第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹上细化对应单位时间下的提取点，细化后的每个点作为速度的提取点，得到电池速度提取模型；
其中上述步骤六中，在电池速度提取模型中进行速度点的单独处理，对速度点的单独处理过程为：首先标记第m个单独的速度点，随后生成关于第m个速度点在电池速度提取曲线中的单位向量，此单位向量即为此速度点的运行方向，再提取第m+1个和第m-1个的节点位置，随后计算第m+1个和第m-1个节点之间的轨迹曲线距离，之后根据节点间的轨迹曲线距离和节点时间差，计算出第m个速度点的瞬时速度，处理后将每个速度点的运行方向及运行速度记录到轨迹数据库中；
其中上述步骤七中，输入需要查询的速度时间点，之后在步骤六中建立的轨迹数据库中，调取速度时间点所对应的相邻两个时间点的运行速度，之后计算相邻两个时间点的运行速度平均值，即为电池在查询的速度时间点下的运行速度。
基于上述，本发明的优点在于，本发明在使用时，通过三轴陀螺仪来采集整个过程中电池的运行角速度，之后通过建立并更新的四元数运行库计算每个时间节点下的姿态角，再根据姿态角来还原电池的运行轨迹，提高了建立后轨迹的精度，通过结合测量的特征点、角速度和加速度来建立轨迹误差方程对运行轨迹进行曲率优化，便于获取对应时间节点下的电池速度方向，提高了计算方法的实用性，通过对电池运行轨迹上的节点进行细化处理来建立电池速度提取模型，之后将每个速度点的运行方向及运行速度记录到轨迹数据库中，接着利用与特定时间点相邻的速度点数据来计算特定时间下的瞬时速度，满足了复杂的实际检测需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，包括以下步骤：步骤一，初始运行库建立；步骤二，运行库数据更新；步骤三，初始轨迹建立；步骤四，轨迹路径优化；步骤五，速度模型建立；步骤六，模型节点细化；步骤七，时间点速度计算；其特征在于：
其中上述步骤一中，首先由加速度仪和三轴陀螺仪分别采集电池的初始加速度和电池的初始角速度，之后根据电池的初始加速度和初始角速度计算电池的初始姿态角，接着根据四元数法计算电池的初始四元数，随后将初始四元数记录并标记在四元数运行库中；
其中上述步骤二中，由三轴陀螺仪采集整个过程中电池的角速度，并对四元数运行库中的数据进行更新，随后通过四元数运行库中的所有节点四元数计算出每个节点所对应的节点姿态角；
其中上述步骤三中，根据四元数运行库中的数据分析每个时间节点下电池的行进方向，并结合角速度计算在该行进方向下的运行距离，随后结合节点的姿态角及运行距离标记下一个时间节点下的轨迹点，之后根据轨迹点建立电池的初始运行轨迹模型；
其中上述步骤四中，由运动相机采集电池运动过程中的视觉图像，之后对视觉图像进行处理计算图像中的特征点，之后将特征点标记运动数据库中，接着结合运动数据库中的特征点、三轴陀螺仪采集的角速度和加速度仪采集的节点加速度建立轨迹误差方程，随后通过非线性优化计算，调整运行轨迹模型中每个节点对应的位置，调整后的轨迹模型即为电池的运行轨迹模型；
其中上述步骤五中，对电池运行轨迹上的节点进行细化处理，细化后的每个点作为速度的提取点，得到电池速度提取模型；
其中上述步骤六中，在电池速度提取模型中进行速度点的单独处理，处理后将每个速度点的运行方向及运行速度记录到轨迹数据库中；
其中上述步骤七中，输入需要查询的速度时间点，之后在步骤六中建立的轨迹数据库中，调取速度时间点所对应的相邻两个时间点的运行速度，之后计算相邻两个时间点的运行速度平均值，即为电池在查询的速度时间点下的运行速度。
2.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤一中，加速度仪和三轴陀螺仪的信号采集速率为20ms/次，四元运行库中的更新速率为20ms/次，初始四元数为四元数运行库中的初始数据。
3.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤二中，根据采集的角速度更新四元数运行库的过程为：通过四元数法计算每个采集节点所对应的节点四元数，随后将节点四元数依次记录标记在四元数运行库中，完成四元数运行库的数据更新。
4.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤三中，电池的运行轨模型的建立过程为：首先建立空间直角坐标系，随后将空间直角坐标系的原点作为电池运行轨迹的起始点，之后提取每个时间节点下的轨迹点，依次标记在建立的空间支脚坐标系中，接着依次连接每个轨迹点形成原始轨迹，随后使用曲率计算消除原始轨迹上的拐点，即形成电池的运行轨迹模型。
5.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤四中，运动相机采集视觉图形的采集速率为20ms/次，且运动相机的初始采集时间与三轴陀螺仪的初始采集时间一致。
6.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤五中，细化处理的过程为：首先提取第n个节点位置，再提取第n+1个的节点位置，随后计算第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹曲线距离，同时提取加速度仪检测到对应的第n个节点和第n+1个节点的节点加速度，之后根据加速的变化速率，在第n个节点和第n+1个节点之间的轨迹上细化对应单位时间下的提取点。
7.根据权利要求1所述的一种通过三轴陀螺仪进行电池运动轨迹和速度计算的方法，其特征在于：所述步骤六中，对速度点的单独处理过程为：首先标记第m个单独的速度点，随后生成关于第m个速度点在电池速度提取曲线中的单位向量，此单位向量即为此速度点的运行方向，再提取第m+1个和第m-1个的节点位置，随后计算第m+1个和第m-1个节点之间的轨迹曲线距离，之后根据节点间的轨迹曲线距离和节点时间差，计算出第m个速度点的瞬时速度。
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