基于高斯牛顿的三轴加速度计自动校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器校准技术领域，具体涉及一种几乎无成本的基于高斯牛顿的三 轴加速度计自动校准方法，可以应用在常规要求的具有加速度计的领域，比如说体感游戏、 虚拟增强现实、机器人、无人机等需要分析系统运动的领域。
【背景技术】
[0002] 随着微电子机械系统技术的进步和广泛运用，传感器朝着重量小，性能高价格低 的方向迅速发展。这也使得传感器的运用扩展到更广泛的领域。三轴加速度计可以测量运 动物体的加速度，可以对物体的运动进行分析，得到物体的位置和方向。加速度计和陀螺仪 结合组成的惯性测量单元，是运动系统最基本的传感器。加速度计的输出的准确性在这些 运动系统中是至关重要的。加速度计校准能够提高加速度计的输出精度，提高这些运动系 统的性能。但是，目前常规的校准都需要昂贵的校准平台和控制系统。因此，一个成本低的， 操作方便的校准方法具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于高斯牛顿的三轴加速度计自动校 准方法，其可以准确有效方便的校准加速度计，减少加速度计误差带来的影响，具有操作简 单，不需要任何昂贵的校准设备的优点。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0005] -种基于高斯牛顿的三轴加速度计自动校准方法，所述自动校准方法只考虑三轴 加速度计的零漂误差、比例误差和非正交误差，而不考虑温度变化和随机漂移带来的误差， 其包括以下步骤：
[0006] 步骤1、建立校准模型：
[0007] V=KNA+B(1)
[0008] 式（1)中：V为三轴加速度计测量输出值：
[0009] V=[VxVyVjT ⑵
[0010] K为比例误差矩阵：
[0011] K=diag{Kx，Ky，Kz} (3)
[0012] N为非正交误差矩阵：
【主权项】
1.基于高斯牛顿的三轴加速度计自动校准方法，其特征在于，所述自动校准方法只考 虑三轴加速度计的零漂误差、比例误差和非正交误差，而不考虑温度变化和随机漂移带来 的误差，其包括以下步骤： 步骤1、建立校准模型： V =KNA+B (1) 式（1)中：V为三轴加速度计测量输出值： V = [VxVyVJT (2) K为比例误差矩阵： K =diag{Kx,Ky,Kj (3) N为非正交误差矩阵：
(4) A为加速度计理想输出的值： A = [AxAyAJt (5) B为零漂误差矩阵： B = [BxByBJt (6) 步骤2、在不考虑温度变化的影响下，比例误差矩阵K和非正交误差矩阵N均为常矩阵， 把二者合并成一个矩阵，此时，式（1)可以改写成： A =M(V-B) (7) 其中：
(8) 步骤3、当三轴加速度计静止时测量的是重力加速度常量g= 9. 8m/s2,所以在理想情 况下有： Ax2+Ay2+Az2=g2 (9) 在校准过程中，把三轴加速度计静止放置在n个不同朝向的位置进行n次测量，采集三 轴加速度计的输出数据，定义第k次测量的误差ek为： ek=Vxk2+Vyk2+Vzk2-g2 (1〇) 式（10)中：1 <k<n，n要大等于校准参数个数； 因此，n次测量的总体误差函数为最小二乘形式：
Ml) 式（11)中，P为校准参数，P=[Pi ? ? ? P9]= [MxxMxyMxzMyyMyzMzzBxByBJt; 由式（11)可知，所述总体误差函数为校准参数的非线性方程，式（11)可以写成： f(p) =e(p)Te(p) (12) 式（12)中，e(p) = [ejp)e2(p) ...en(p)]T; 步骤4、通过建立牛顿迭代方程采用牛顿迭代法求解式（12)，牛顿迭代法具有二次收 敛的特性，只需要提供一个初始校准参数值即可对式（12)进行求解，式（12)通过式（13) 的牛顿迭代方程对解迭代：
(13) 式（13)中：pt为校准参数组成的向量p在第t次的迭代值，V/V)为总体误差函数的 梯度，为总体误差函数的海森矩阵，《为阻尼系数； 迭代的终止条件为：
(14) 式（14)中，e为阈值，所述阈值e= 1.5X10_6; 步骤5、通过雅克比矩阵对式（13)进行简化，所述雅克比矩阵为：
(15) 则总体误差方程的梯度和海森矩阵采用雅克比矩阵表示为：
(16) C17) 将式（16)和式（17)代入式（13)进行简化，获得简化后的迭代方程，如式（18)所示：
(18) 步骤6、设置初始校准参数，并将该初始校准参数代入简化后的迭代方程，以（14)为条 件求解校准参数P，其中，初始校准参数Pci= [1 〇 〇 1 〇 1 〇 〇 〇] T。
【专利摘要】本发明公开了一种基于高斯牛顿最优迭代的三轴加速度计校准方法，该算法考虑了三轴加速度计的零漂误差，比例误差和非正交误差；其包括以下步骤：步骤1、建立校准模型；步骤2、简化校准模型；步骤3、把三轴加速度计静止放置在n个不同朝向的位置进行n次测量，采集三轴加速度计的输出数据；步骤4、采用牛顿迭代法求解；步骤5、通过雅克比矩阵简化牛顿迭代方程，即高斯-牛顿算法；步骤6、设置初始校准参数，获取校准参数以及三轴加速度计校准后的输出数据。本发明的校准过程只需要采集几组不同朝向静止的加速度计数据，具有操作简便，不需要高昂的校准设备和控制系统，是一种可以普遍运用的加速度计校准方法。
【IPC分类】G01P21-00
【公开号】CN104614555
【申请号】CN201510033373
【发明人】张宝先, 曹永军, 曾文武
【申请人】广东省自动化研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月22日