一种低成本的物体姿态监测系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106403945A(43)申请公布日2017.02.15(21)申请号201610916467.X(22)申请日2016.10.20(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人刘晓锋孙旭罗晨爽黎延熹张东旭安斯奇袁野(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人成金玉卢纪(51)Int.Cl.G01C21/16(2006.01)G01C25/00(2006.01)G01P21/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图9页(54)发明名称一种低成本的物体姿态监测系统及方法(57)摘要一种低成本的物体姿态监测系统，包括：姿态测量装置和上位机模块；姿态测量装置由测量模块、输出模块和存储模块组成；测量模块包括主测量系统和辅助测量系统，主测量系统由三轴陀螺仪构成，辅助测量系统由三轴加速度计和电子罗盘构成；对三轴陀螺仪、三轴加速度计的和电子罗盘的测量误差，包括初始误差和安装误差进行校准及滤波；再将主测量系统和辅助测量系统的测量值经过姿态解算和信息融合得到准确姿态角信息；输出模块实现姿态角信息蓝牙传输；存储模块将准确姿态角信息和系统状态参数以文本方式存储；上位机模块使用蓝牙无线接收测量装置的输出模块测量结果，实时渲染输出物体3D模拟运动、姿态角信息及系统状态参数，通过设置自定义阈值实现物体危险状态判断，完成预警监控。CN106403945ACN106403945A权利要求书1/2页1.一种低成本的物体姿态监测系统，其特征在于包括：姿态测量装置和上位机；姿态测量装置由测量模块、输出模块和存储模块组成；测量模块包括主测量系统和辅助测量系统，主测量系统由三轴陀螺仪构成，辅助测量系统由三轴加速度计和电子罗盘构成；对三轴陀螺仪、三轴加速度计的和电子罗盘的初始误差进行校准及滤波，其中保证三轴陀螺仪、三轴加速度计和电子罗盘测量精度，使输出的测量值具有良好鲁棒性，得到准确角速度和加速度；再将主测量系统和辅助测量系统的测量值经过四元数法姿态解算和卡尔曼滤波的信息融合，使辅助测量系统实时校准主测量系统，获得了较好的测量结果，从而得到准确的姿态角；输出模块实现姿态角、角速度、加速度的测量数据无线传输；存储模块将测量数据以文本方式存储，测量数据包括运行时间、角速度、加速度和姿态角；上位机无线接收姿态测量装置输出模块的测量数据，实时渲染输出物体3D模拟运动和测量数据，通过设置自定义阈值实现物体危险状态判断，完成预警监控。2.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述三轴陀螺仪和三轴加速度计初始误差的校准采用线性偏差模型补偿，并通过最小二乘法进行参数辨识的校准算法，具体如下：采用转台实验进行校准，三轴加速度计的X轴在转台上分别沿X、Y、Z正负半轴放置，可得到三轴加速度计的6组理论值与测量值，即得到6组独立方程，通过最小二乘法进行参数辨识得到零偏误差和非正交误差矩阵各参数的值，已知测量值，求解矩阵方程即可得准确测量值。3.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述电子罗盘测量误差的校准采用基于磁场补偿模型的校准算法，具体如下：电子罗盘与三轴加速度计、三轴陀螺仪正交安装，分别绕三轴旋转电子罗盘，最大与最小值的均值即为线性偏移误差，电子罗盘测量值减去所述线性偏移误差即为准确测量值。4.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量值滤波时采用滑动均值滤波器，特别是五阶滑动均值滤波器，使三轴陀螺仪和三轴加速度计的输出具有了抗干扰和振动的鲁棒性。5.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述电子罗盘测量值滤波采用中值滤波器，特别是三阶中值滤波器，能够更有效去除突变值。6.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述信息融合采用卡尔曼滤波，使用辅助测量系统实时校准主测量系统，获得了较好的测量结果。7.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述上位机基于Processing设计，具有数据输出、信息校核、3D姿态可视化显示、自定义预警阈值、危险状态记录及状态3D模拟功能，包括示波器模块、预警模块、数据记录与3D模拟仿真模块。8.根据权利要求1所述的低成本的物体姿态监测系统，其特征在于：所述姿态测量装置的嵌入式开发载体是开源硬件Arduino平台；Arduino使用低价微处理器(ATmega8或ATmega128)，集成了类似于Java、C语言的开发环境；上位机使用基于Java的开源平台Processing库进行开发，使用了OpenGL渲染技术，代码简单，开发周期短，成本较低。9.一种低成本的物体姿