一种陀螺间接稳定系统安装偏角标定方法

摘要

一种陀螺间接稳定系统安装偏角标定方法是指将IMU与摄像机同时安装在一个载体上，将摄像机光轴瞄准一个固定目标，控制载体有规律地摇摆，利用间接稳定技术稳定摄像机的光轴，再利用图像处理技术估计摄像机光轴相对于固定目标的偏移信息，利用此偏移信息作为量测，根据安装偏角的估计模型，可准确地估计出间接稳定系统中IMU坐标系与载体坐标系的安装偏角以及摄像机坐标系与载体坐标系的安装偏角。本发明通过载体有规律的摇摆激励安装误差，将安装误差激励成视轴瞄准误差，通过对瞄准误差的测量来反推安装偏角，通过一次实验便可以估计出5个安装偏角，具有准确、高效、易操作、高通用性等特点。通过本方法估计出安装偏角并进行相应的误差补偿后，系统的视轴稳定精度可大大提高。

主权项

1.一种陀螺间接稳定系统安装偏角标定方法，特征在于实现步骤如下：第一步，建立陀螺间接稳定系统中摄像机视轴稳定误差与IMU安装偏角以及摄像机安装偏角之间的模型，所述的模型的建模步骤如下：步骤1：定义IMU相对于载体坐标系的安装偏角${\bar{\delta }}_g={\left[\begin{array}{ccc}{\delta }_{\mathrm{gx}}& {\delta }_{\mathrm{gy}}& {\delta }_{\mathrm{gz}}\end{array}\right]}^T,$载体运动角速率${\bar{\omega }}_b={\left[\begin{array}{ccc}{\omega }_{\mathrm{bx}}& {\omega }_{\mathrm{by}}& {\omega }_{\mathrm{bz}}\end{array}\right]}^T,$得到IMU测量角速度与载体运动角速率之间的关系为：${\bar{\omega }}_{\mathrm{bm}}={\bar{R}}_y\left({\delta }_{\mathrm{gy}}\right){\bar{R}}_x\left({\delta }_{\mathrm{gx}}\right){\bar{R}}_z\left({\delta }_{\mathrm{gz}}\right){\bar{\omega }}_b---\left(1\right)$上式(1)中分别为绕x、y、z轴的欧拉角旋转矩阵，且有：${\bar{R}}_y\left({\delta }_{\mathrm{gy}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -{\delta }_{\mathrm{gy}}\\ 0& 1& 0\\ {\delta }_{\mathrm{gy}}& 0& 1\end{array}\right],$${\bar{R}}_x\left({\delta }_{\mathrm{gx}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& {\delta }_{\mathrm{gx}}\\ 0& -{\delta }_{\mathrm{gx}}& 1\end{array}\right],$${\bar{R}}_z\left({\delta }_{\mathrm{gz}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& {\delta }_{\mathrm{gz}}& 0\\ -{\delta }_{\mathrm{gz}}& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$步骤2：根据陀螺间接稳定技术的原理，摄像机视轴的扰动角速率表示为：${\bar{\omega }}_i={\bar{R}}_x(ϵ+{\delta }_{\mathrm{px}})({\bar{R}}_z(\eta +{\delta }_{\mathrm{pz}}){\bar{\omega }}_b+\overline{\stackrel{·}{\eta }})+\overline{\stackrel{·}{ϵ}}---\left(2\right)$上式中以及分别为间接稳定算法计算得到的框架控制角速率，ε表示摄像机框架的俯仰转角，η表示摄像机框架的方位转角，表示载体的运动角速率，其中$\overline{\stackrel{·}{\eta }}={\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \stackrel{·}{\eta }\end{array}\right]}^T,\overline{\stackrel{·}{ϵ}}={\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \stackrel{·}{ϵ}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$$\stackrel{·}{ϵ}=-\cos \eta {\omega }_{\mathrm{bx}}-\sin \eta {\omega }_{\mathrm{by}}$$\left(4\right)$$\stackrel{·}{\eta }=\sec ϵ(-\sin ϵ\sin \eta {\omega }_{\mathrm{bx}}+\sin ϵ\cos \eta {\omega }_{\mathrm{by}}-\cos ϵ{\omega }_{\mathrm{bz}})$步骤3：由于载体的运动角速度由陀螺测量得到，因此，式(2)中的需要由来替代，将式(1)、式(3)、式(4)代入式(2)，得到视轴的稳定误差相对于安装偏角${\bar{\delta }}_g={\left[\begin{array}{ccc}{\delta }_{\mathrm{gx}}& {\delta }_{\mathrm{gy}}& {\delta }_{\mathrm{gz}}\end{array}\right]}^T$以及${\bar{\delta }}_p={\left[\begin{array}{ccc}{\delta }_{\mathrm{px}}& {\delta }_{\mathrm{py}}& {\delta }_{\mathrm{pz}}\end{array}\right]}^T$的关系式如下：${\bar{\omega }}_i=A{\left[\begin{array}{ccc}{\omega }_{\mathrm{bx}}& {\omega }_{\mathrm{by}}& {\omega }_{\mathrm{bz}}\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$其中，$A=\left[\begin{array}{ccc}({\delta }_{\mathrm{gz}}-{\delta }_{\mathrm{pz}})s_{\eta }& -({\delta }_{\mathrm{gz}}-{\delta }_{\mathrm{pz}})c_{\eta }& {\delta }_{\mathrm{gy}}{c}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{gx}}{s}_{\eta }\\ ({\delta }_{\mathrm{gz}}-{\delta }_{\mathrm{pz}})c_{ϵ}{c}_{\eta }+{\delta }_{\mathrm{px}}{s}_{ϵ}{s}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{gy}}{s}_{ϵ}& ({\delta }_{\mathrm{gz}}-{\delta }_{\mathrm{pz}})c_{ϵ}{s}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{px}}{s}_{ϵ}{c}_{\eta }+{\delta }_{\mathrm{gx}}{s}_{ϵ}& {\delta }_{\mathrm{px}}{c}_{ϵ}-{\delta }_{\mathrm{gy}}{c}_{ϵ}{s}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{gx}}{c}_{ϵ}{c}_{\eta }\\ ({\delta }_{\mathrm{pz}}-{\delta }_{\mathrm{gz}})s_{ϵ}{c}_{\eta }+{\delta }_{\mathrm{px}}{c}_{ϵ}{s}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{gy}}{c}_{ϵ}& ({\delta }_{\mathrm{pz}}-{\delta }_{\mathrm{gz}})s_{ϵ}{s}_{\eta }-{\delta }_{\mathrm{px}}{c}_{ϵ}{c}_{\eta }+{\delta }_{\mathrm{gx}}{c}_{ϵ}& -{\delta }_{\mathrm{px}}{s}_{ϵ}+{\delta }_{\mathrm{gy}}{s}_{ϵ}{s}_{\eta }+{\delta }_{\mathrm{gx}}{s}_{ϵ}{c}_{\eta }\end{array}\right]$s_ε＝sinε，c_ε＝cosε，s_η＝sinη，c_η＝cosη步骤4：只考虑视轴在俯仰和方位方向的扰动角速度，忽略二阶小量，整理式(5)可得：$\left[\begin{array}{c}\Delta {\omega }_x\\ \Delta {\omega }_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}& H_{\mathrm{1,3}}& H_{\mathrm{1,4}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}& H_{\mathrm{2,3}}& H_{\mathrm{2,4}}\end{array}\right]X---\left(6\right)$其中，H_1，1＝0，H_1，2＝-sinηω_bz，H_1，3＝cosηω_bz，H_1，4＝cosηω_by-sin ηω_bxH_2，1＝cosεsinηω_bx-cosεcosηω_by-sinεω_bz，H_2，2＝sinεcosηεω_bz+cosεω_byH_2，3＝-cosεω_bx+sinεsinηω_bz，H_2，4＝sinεcosηω_bx+sinεsinηω_byX＝[δ_px δ_gx δ_gy δ_z]^T，由于δ_pz和δ_gz相对于稳定误差的影响效果相同，故取δ_z＝δ_pz-δ_gz；Δω_x，Δω_z为摄像机视轴在俯仰和航向两个方向的偏离角速度，即视轴稳定误差；第二步，将摄像机视轴瞄准一个固定的目标，控制载体以一定的规律摇摆，利用图像处理技术估计出载体运动过程中摄像机视轴相对于初始瞄准点的误差，也称为视轴稳定误差；第三步，利用测量得到的视轴稳定误差作为量测信息，结合第一步所建立的误差模型，利用递推最小二乘算法估计出系统的安装偏角；第四步，将第三步估计得到的安装偏角进行补偿，重复第二步，观察载体运动过程中的视轴稳定误差，验证安装偏角的估计效果。