惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置及标定方法制造方法及图纸

惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置及标定方法，涉及导航技术领域，解决现有惯性测量单元标定设备成本高，标定方法复杂，并且现有地磁传感器的补偿技术由于存在误差导致测量精度低等问题，将高分辨率的长焦工业相机与双天线GNSS/SINS组合导航系统固连，基准组合导航系统测量地球系位置和当地地理系姿态角，查表获得理论地磁场强度值，计算理论比力和角速度，经光学基准传递，计算标定对象载体系上标称值，采集被测IMU和地磁传感器的测量值，任意放置六面体工装，得到多组被标定对象标称值和测量值，建立方程组，求取标定参数，完成标定。本发明专利技术避免了直接的机械安装以及标定装置对地磁传感器严重的电磁干扰，提高了地磁传感器标定的准确性和可信度。

Inertial measurement unit and geomagnetic sensor integral calibration device and calibration method

The inertial measurement unit and geomagnetic sensor calibration device and calibration method, which relates to the technical field of navigation, to solve the existing inertial measurement unit calibration equipment calibration method of complex, high cost, and the existing geomagnetic sensor compensation due to the existence of error due to the low measurement accuracy and other issues, will be fixed with high resolution telephoto industrial camera with dual antenna GNSS/SINS integrated navigation the benchmark system, integrated navigation system to measure the earth's position and attitude angle of the local geography department, check the table to obtain the theory value of the magnetic field strength, the calculation theory of specific force and angular velocity, the quasi optical transmission, the calibration object loading system called superscript value measurement measured IMU and geomagnetic sensor values, arbitrarily placed hexahedral tooling get, set the nominal value of the calibration object and the measurement equations are established, calculate the calibration parameters, calibration. The invention avoids the serious electromagnetic interference caused by the direct mechanical installation and the calibration device to the geomagnetic sensor, and improves the accuracy and reliability of the calibration of the geomagnetic sensor.

【技术实现步骤摘要】
惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置及标定方法
本专利技术涉及导航
，具体涉及一种惯性器件和地磁传感器整体标定装置及其标定方法。
技术介绍
惯性测量单元(IMU)和地磁传感器广泛应用于智能手机等电子消费品，以及无人机和无人驾驶车等机器人系统中。IMU是惯性导航的基础测量装置，由三轴陀螺和三轴加速度计组成，固联于载体之上，实现对载体角速度和比力的感知，通过力学编排的微分方程，能够实时计算出载体的位置、速度和姿态角。但是，民用惯性器件的精度差，难以实现方位角的测量和对准。因此，采用三轴地磁传感器(例如磁通门传感器和磁阻传感器等)，感知当地磁场强度，实现方位角的计算。但是惯性导航的精度严重依赖惯性器件的精度，即使与GNSS(全球导航卫星系统，例如GPS和北斗等)接收机构成组合导航系统，也存在室内或城市峡谷等无GNSS信号环境。地磁传感器的测量精度受载体的电磁环境的影响明显，因此方位角的精度难以保证。为了提高惯导和方位角的解算精度，对惯性器件实现精确的标定和补偿是最普遍的方法。传统IMU的标定通过三轴惯导测试转台和精密离心机实现。在陀螺标定过程中，IMU的坐标系与转台坐标系重合，建立标定模型计算陀螺的零偏，通过陀螺对多个基准角速度输入的响应，计算刻度因数，安装耦合系统和非线性度等标定系数。同样地，通过精密离心机能够标定出加速度计的零偏、刻度因数和耦合误差等标定系数。但是，三轴惯性转台和精密离心机的造价高，需要特定的隔离地基，标定过程复杂。地磁传感器的标定，目前无相关标准，通常采用圆周运动补偿方法，使标定对象的航向角在0～360°范围内变化，对地磁传感器进行连续采样，根据采样点最大和最小值，推导刻度系数和零位偏置。这种方法只能对地磁传感器进行定性的补偿，属于经验方法，不能保证补偿的系数的准确性。中国专利公开号CN105180968A，公开日2015年12月23日，专利技术创造的名称为《一种IMU/磁强计安装失准角在线滤波标定方法》，公开了一种IMU/磁强计安装失准角在线滤波标定方法，应用卡尔曼滤波方法得到捷联惯导系统IMU相对磁强计安装失准角全部误差参数；利用六面体或其它相似的可翻转装置即可完成现场标定试验，克服了传统实验室标定的不足，提高了系统实际使用精度。但是这种方法无法避免标定装置的软磁效应和硬磁效应对地磁传感器标定误差的影响，无法获得较高的精度和足够的标定参数。
技术实现思路
本专利技术为解决现有惯性测量单元标定设备成本高，标定方法复杂，并且现有地磁传感器的补偿技术由于存在误差导致测量精度低等问题，提供一种惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置及标定方法。惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，包括双天线GNSS/SINS组合导航系统、标定处理系统、工业相机和六面体工装，标定对象安装在六面体工装中，作为标定六面体工装，所述标定六面体工装的六个表面上分别贴有不同ID的增强现实合作目标；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统作为基准组合导航系统与工业相机固连，所述基准组合导航系统中IMU和工业相机安装于两个GNSS接收机天线的中点位置；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统测量当地地理位置和基准坐标系相对于当地地理坐标系的姿态角；所述标定处理系统采集双天线GNSS/SINS组合导航系统的测量值、标定对象中加速度、陀螺以及地磁传感器的测量值以及工业相机采集标定六面体工装表面的增强现实合作目标图像信息，所述标定处理系统计算当前增强现实合作目标相对相机坐标系的姿态角；所述标定处理系统计算基准坐标系和当地地理坐标系的方向余弦矩阵，目标坐标系和相机坐标系的方向余弦矩阵；获得载体坐标系相对于当地地理坐标系的方向余弦矩阵；计算所述载体坐标系三轴传感器的标称值；将标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器标称值和标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器的测量值建立方程组，实现对惯性测量单元和地磁传感器的整体标定。惯性测量单元和地磁传感器整体标定方法，该方法由以下步骤实现：步骤一、将标定对象安装于标定六面体工装内，所述标定六面体工装、双天线GNSS/SINS组合导航系统以及工业相机处于同一平面，并且所述增强现实合作目标位于工业相机的视场中心位置；步骤二、建立标定对象中加速度计、陀螺以及磁场传感器的标定模型；步骤三、在所述工业相机视场内以任意姿态放置标定六面体工装，保证至少有一个面上的增强现实合作目标落在工业相机的视场中；步骤四、所述标定处理系统采集基准组合导航系统输出的当地地理位置和基准坐标系相对于当地地理坐标系的姿态角，并采集标定对象中加速度、陀螺以及地磁传感器的测量值；所述工业相机采集所述标定六面体工装表面的增强现实合作目标的图像，并将所述合作目标的图像传送至标定处理系统，所述标定处理系统计算当前增强现实合作目标相对相机坐标系的姿态角；步骤五、标定处理系统计算基准坐标系和当地地理坐标系的方向余弦矩阵，目标坐标系和相机坐标系的方向余弦矩阵；获得载体坐标系相对于当地地理坐标系的方向余弦矩阵；步骤六、计算所述载体坐标系三轴传感器的标称值；将标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器标称值和步骤四获得的标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器的测量值带入步骤二中的标定模型；步骤六、判断所述测量值是否满足最小测量次数限制，如果是，则执行步骤七，如果否，返回执行步骤三；步骤七、将标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器的标称值和测量值建立方程组，实现对惯性测量单元和地磁传感器的整体标定。本专利技术的有益效果：本专利技术中将高分辨率的长焦工业相机与双天线GNSS/SINS组合导航系统固连在一起，基准组合导航系统测量地球系位置和当地地理系姿态角，查表获得理论地磁场强度值，计算理论比力和角速度，经过光学基准传递，计算标定对象载体系上标称值，采集被测IMU和地磁传感器的测量值，任意放置六面体工装，得到多组被标定对象标称值和测量值，建立方程组，根据最小二乘法，求取标定参数，完成标定。具体优点如下：一、本专利技术采用双天线GNSS/SINS组合导航系统作为标定基准，克服了传统IMU标定手段采用三轴转台和高精度离心机设备昂贵，场地受限，标定流程和数据处理复杂的缺点。双天线GNSS/SINS组合导航系统测量精确的地球系位置，基准系相对于当地地理系的姿态角，获得精确计算比力、角速度和地磁场强度理论值。二、本专利技术采用高分辨率相机对增强现实合作目标所呈图像进行测量，计算标定对象与基准装置的相对位姿，采用光学方式实现了基准传递，避免了传统机械方式基准传递对空间的局限。除了有效地降低了成本，还避免了直接的机械安装，以及标定装置对地磁传感器严重的电磁干扰，提高了地磁传感器标定的准确性和可信度。三、本专利技术提出了能够通过光学与机器视觉方式实现精密测量的标定六面体。六面体外涂敷高精度加工的二维正方形增强现实合作目标，每一个平面上的合作目标ID各不相同，将标定对象安装于标定六面体中，确定二者几何关系，同时采集标定对象和基准标定装置输出，将高分辨率相机采集的增强现实图像进行解码和测量作为基准传递媒介，采用最小二乘法求解标定模型方程组，计算标定参数和标定噪声协方差。附图说明图1为本专利技术所述的惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置的机械结构示意图；图2为本专利技术的基准组合导航系统的基准坐标系与当地地理坐标系定本文档来自技高网...

【技术保护点】
惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，包括双天线GNSS/SINS组合导航系统、标定处理系统、工业相机和六面体工装，其特征是，标定对象安装在六面体工装中，作为标定六面体工装，所述标定六面体工装的六个表面上分别贴有不同ID的增强现实合作目标；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统作为基准组合导航系统与工业相机固连，所述基准组合导航系统中IMU和工业相机安装于两个GNSS接收机天线的中点位置；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统测量当地地理位置和基准坐标系相对于当地地理坐标系的姿态角；所述标定处理系统采集双天线GNSS/SINS组合导航系统的测量值、标定对象中加速度、陀螺以及地磁传感器的测量值以及工业相机采集标定六面体工装表面的增强现实合作目标图像信息，所述标定处理系统计算当前增强现实合作目标相对相机坐标系的姿态角；所述标定处理系统计算基准坐标系和当地地理坐标系的方向余弦矩阵，目标坐标系和相机坐标系的方向余弦矩阵；获得载体坐标系相对于当地地理坐标系的方向余弦矩阵；计算所述载体坐标系三轴传感器的标称值；将标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器标称值和标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器的测量值建立方程组，实现对惯性测量单元和地磁传感器的整体标定。...

【技术特征摘要】
1.惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，包括双天线GNSS/SINS组合导航系统、标定处理系统、工业相机和六面体工装，其特征是，标定对象安装在六面体工装中，作为标定六面体工装，所述标定六面体工装的六个表面上分别贴有不同ID的增强现实合作目标；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统作为基准组合导航系统与工业相机固连，所述基准组合导航系统中IMU和工业相机安装于两个GNSS接收机天线的中点位置；所述双天线GNSS/SINS组合导航系统测量当地地理位置和基准坐标系相对于当地地理坐标系的姿态角；所述标定处理系统采集双天线GNSS/SINS组合导航系统的测量值、标定对象中加速度、陀螺以及地磁传感器的测量值以及工业相机采集标定六面体工装表面的增强现实合作目标图像信息，所述标定处理系统计算当前增强现实合作目标相对相机坐标系的姿态角；所述标定处理系统计算基准坐标系和当地地理坐标系的方向余弦矩阵，目标坐标系和相机坐标系的方向余弦矩阵；获得载体坐标系相对于当地地理坐标系的方向余弦矩阵；计算所述载体坐标系三轴传感器的标称值；将标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器标称值和标定对象中加速度计、陀螺和地磁传感器的测量值建立方程组，实现对惯性测量单元和地磁传感器的整体标定。2.根据权利要求1所述的惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，其特征在于，所述基准组合导航系统中的基准IMU的精度至少优于标定对象中IMU的精度一个量级。3.根据权利要求1所述的惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，其特征在于，所述增强现实合作目标为正方形二维增强现实合作目标。4.根据权利要求1所述的惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置，其特征在于，所述基准组合导航系统与工业相机通过金属板杆固定。5.根据权利要求1至4任意一项所述的惯性测量单元和地磁传感器整体标定装置的标定方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：步骤一、将标定对象安装于标定六面体工装内，所述标定六面体工装、双天线GNSS/SINS组合导航系统以及工业相机处于同一平面，并且所述增强现实合作目标位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延东，张恩阳，马经纬，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22