五 IMU誤差標定之系統級標定

2021-10-11 00:24:39 字數 2774 閱讀 7836

翻譯之後可能就變得不是很直觀,它實際表達的意思是「互不關聯的」。在標定的任務裡,這個互不關聯,指的就是各個誤差引數的標定可

以互不干擾,因為從原理上,我們只需要不斷地構建方程,就可以把其他變數抵消掉,提取出我們需要的引數,而不需要知道其他引數的值是多少。

本篇文章我們要**的,是另一種原理的方法,叫系統級標定,這個名字就比較直觀,謎底就在迷面上 !

所謂系統級標定就是把所有誤差引數看成是乙個完整系統的一部分,要通過引數辨識估計出系統的所有引數才能得到我們要的值。

注意下面方法表達的意思:

在這裡,這個系統就是導航系統,器件引數誤差必然導致導航系統輸出誤差,即位置、速度有誤差,而導航系統裡誤差傳播規律是已有的,

所以我們可以通過誤差方程反向推算出器件誤差。實際中,這個反向推算一般通過kalman濾波器實現,導航誤差方程 和 器件誤差方程就是它的狀態方程,位置、速度誤差就是它的觀測。

從系統級標定的原理中可以發現,我們需要測量導航系統的位置、速度誤差,而如果慣導系統沒有線運動,那麼它解算出來的位置減掉初始時刻位置便是位置誤差,

速度輸出便直接是速度誤差,即位置、速度的基準值天然存在,並且不需要姿態基準,這也是它可以不依賴轉台的原因。

我們在實際工程中,會發現有些系統級標定也在用轉台做標定,那是因為標定雖然不需要轉台做基準,但也需要翻轉慣導,手工翻,累呀!

我們上次已經分析了一套慣導系統所有的誤差項,包括陀螺儀和加速度計各自的零偏、標度因數、安裝誤差,一共24項。

這次我們要做個減法,把它變成21項,減掉的是3項安裝誤差。

首先,請大家思考乙個問題,乙個慣性器件,它的三個互相垂直的座標軸在哪?好像你找不到這樣的座標軸,或者可以找到無數個這樣的座標軸,也就是說,並沒有硬性規定它必須在哪。

我們在用轉台做標定的時候,轉台的旋轉軸就是它的座標軸,那是因為我們要用轉台做基準輸入,而在系統級標定裡,由於不以輸入做基準,

也就不存在固定的座標軸。利用這樣的誤差模型標定時,kalman濾波器雖然也能夠收斂,給出最終的器件誤差,但這不是因為它找到了唯一解,

而是因為它給出的是它自認為正確的解。這種現象,會導致我們不同次標定的結果可能差別很大。

要解決這樣的問題,就得先把座標系固定,要固定,就得在imu上找到天然存在的座標軸,與它繫結。在imu裡,天然存在的就只有陀螺儀和加速度計的六個敏感軸了,還猶豫什麼,綁它!

綁不能亂綁,imu的三個座標軸是我們規定的三個正交軸,而標定之前,由於安裝誤差的存在,陀螺儀和加速度計的軸都是不正交的。常見的做法是,

把imu的 x軸規定為x方向加速度計的敏感軸,y座標軸放在x加速度計和y加速度計構成的平面裡。這樣,我們的安裝誤差矩陣就變成了下面這個樣子。

所以,我們最終的誤差模型就變成這個樣子啦,注意此處的公式變成了陀螺儀和加速度計輸出中的誤差,而不是他們的輸出值

陀螺儀輸出誤差:

加速度計輸出誤差:

簡化一下,寫成下面的形式。

陀螺儀輸出誤差:

加速度計輸出誤差:

我們上面提到,系統級標定需要已知慣性導航誤差傳播方程,並且使用kalman濾波去反向推算器件誤差;

但是誤差方程和濾波我們都還沒講,那是後面的內容,所以應該換一種思路來介紹這個問題。

kalman濾波本質上可以認為就是在使用遞推的方式來解方程。對於導航誤差傳播方程,我們用f代替,即

dw 和 da的公式都是已知的,這樣整個標定過程,就又變成了熟悉的解方程過程,解方程所需要的條件它都需要。

這裡完全一樣,上次怎麼轉,這次還怎麼轉,當你把所有位置轉完的時候,kalman就把結果給你估計好了,這就是系統級標定。

1)系統級標定由於不需要轉台提供基準,已經使用的越來越廣泛。現在很多導航裝置裡都自帶兩個旋轉軸,其中的乙個重要目的,

就是隨時隨地能夠標定。比如下面這種,它的旋轉精度很難稱得上好,但是卻可以讓標定方便一萬倍,尤其是已經把裝置裝在載體上,

開到荒山野嶺或茫茫大海,離實驗室十萬八千里的時候 !

2)凡事有好就有壞,系統級標定由於使用的是位置和速度誤差,它和器件誤差之間還隔了乙個導航誤差模型,

所以就導致器件引數在這樣的模型裡耦合性更強,沒有分立級標定裡「分立」所帶來的優勢,所以有些時候雖然能夠收斂,

而且狀態**跟蹤觀測量跟蹤得很好,但是並不代表器件引數估計的很精確,有時候可能只是各個耦合引數之間形成的偽平衡而已,

怎樣更好地激勵誤差,減小耦合,一直是標定工作裡的一項重要研究內容。

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