基于多平移信息的 vps/imu 组合导航数据的空间同步方法
【技术领域】
[OOOU 本发明设及多导航传感器空间同步技术，具体为基于多平移信息的VPS/IMU组合 导航数据的空间同步方法。
【背景技术】
[0002] 随着技术的发展，不同导航设备之间的组合导航不断完善，使得组合导航结果精 度更高，鲁椿性更好，因此多导航传感器之间的组合得到广泛的实际应用，尤其在地面机器 人的导航，航天器交会对接近程操作等领域。
[000引IMU是一种利用加速度计和巧螺仪测得载体的加速度和角速度，通过导航解算求 得载体即时位姿信息的导航设备，是一种自主式的导航设备。IMU在工作时既不向外发射、 也不接受外界任何电磁波信号。因此，它具有自主、隐蔽、实时及不受地域、时间和气候条件 限制的特点，能够方便的提供载体的六自由度信息，因此得到广泛的应用。但由于巧螺仪和 加速度计本身存在漂移，长时间使用IMU会得到与真实值偏差较大的结果。所W IMU在短 期内精度较高，长期精度较低，可W使用一种与IMU特性互补的传感器对其长期漂移进行 校正。CCD相机因其具有测量范围广、精度高，设备体积小、质量轻、功耗低等优点，并且误差 不会随着时间的推移而递增，所W成为与IMU进行组合导航的理想传感器。
[0004] 但是，IMU -般使用的是当地地理坐标系，与CCD相机设置的世界坐标系并不统 一，在实际应用时，需要通过坐标变换得到当地地理坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵 和平移矢量。理论上设置两个坐标系重合可W简化计算过程。但在工程实际应用中，两者 往往并不能够设置为重合，而且现有技术中采用的直接测量两者之间的旋转角和平移距离 得到的结果并不精确，而且非常的复杂，无法满足组合导航数据的空间同步中对其转换精 度和转换速度的要求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过对实验模型多次平移运动对世 界坐标系与当地地理坐标系进行空间同步的，基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的 空间同步方法。
[0006] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[0007] 本发明基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，对实验体进行 至少四次平移运动，在每次的平移矢量均不平行的前提下，通过数据拟合得到世界坐标系 和当地地理系的变换矩阵和平移矢量，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。
[000引优选的，本发明具体包括如下步骤，
[0009] 步骤1，设置VPS系统中CCD相机的世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并 W左手坐标系规则建立世界坐标系V，W右手坐标系规则建立当地地理坐标系n ;
[0010] 步骤2,对实验体进行至少四次平移运动，分别测量实验体在V系和n系下的位移， 建立对应平移次数的投影等式方程；
[0011] 步骤3,对由步骤2得到的等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在V系和n系下投 影的等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值；
[0012] 步骤4,由变换矩阵的值得到变换矩阵C:不能满足单位正交化的条件，在进行坐标 变换前应对C做单位正交化处理；
[0013] 步骤5,将单位正交后的矩阵q'代入投影等式方程，得到平移矢量<。。；由平移矢 量得到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。
[0014] 进一步，步骤2中，所述的投影等式方程如下，
[00 巧]rV=C:/'+咕。；
[0016] 其中，rV为实验体在V系中的投影坐标，r n为试验体在n系中的投影坐标，G为变 换矩阵，<。"为平移矢量。
[0017] 进一步，进行四次平移后，得到的变换矩阵如下，
[001 引
【主权项】
1. 基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，其特征在于，对实验体 进行至少四次平移运动，在每次的平移矢量均不平行的前提下，通过数据拟合得到世界坐 标系和当地地理系的变换矩阵和平移矢量，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。
2. 根据权利要求1所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法， 其特征在于，具体包括如下步骤， 步骤1，设置VPS系统中CCD相机的世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并W左 手坐标系规则建立世界坐标系V，W右手坐标系规则建立当地地理坐标系n ; 步骤2,对实验体进行至少四次平移运动，分别测量实验体在V系和n系下的位移，建立 对应平移次数的投影等式方程； 步骤3,对由步骤2得到的等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在V系和n系下投影的 等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值； 步骤4,由变换矩阵的值得到变换矩阵C:不能满足单位正交化的条件，在进行坐标变换 前对C:做单位正交化处理； 步骤5,将单位正交后的矩阵q代入投影等式方程，得到平移矢量<。》；由平移矢量得 到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。
3. 根据权利要求2所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法， 其特征在于，步骤2中，所述的投影等式方程如下，
其中，rv为实验体在V系中的投影坐标，r n为试验体在n系中的投影坐标，G为变换矩 阵，嗦。为平移矢量。
4. 根据权利要求2所述的基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法， 其特征在于，进行四次平移后，得到的变换矩阵如下，
其中，ri、r2、rs、r4分别为四次平移对应的平移矢量，V和n的角标分别表示对应矢量 在V系和n系中的投影。
【专利摘要】本发明基于多平移信息的VPS/IMU组合导航数据的空间同步方法，具体包括如下步骤，1、设置VPS系统中世界坐标系原点和IMU中当地地理系原点，并以左手和右手坐标系规则建立世界坐标系v和当地地理坐标系n；2、对实验体进行至少四次平移，分别测量实验体在v系和n系下的位移，建立对应平移次数的投影等式方程；3、对由投影等式方程得到变换矩阵关于平移矢量在v系和n系下投影的等式，通过对实验数据进行拟合得到变换矩阵的值；4、由变换矩阵的值得到变换矩阵不能满足单位正交化的条件；5、将单位正交后的矩阵代入投影等式方程，得到平移矢量；由平移矢量得到坐标系原点之间的距离，完成对VPS/IMU组合导航数据的空间同步。
【IPC分类】G01C21-20
【公开号】CN104596517
【申请号】CN201510023858
【发明人】罗建军, 龚柏春, 范志刚, 朱战霞, 袁建平
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月16日