惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其是一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法、装置及介质。

背景技术

惯导RTK接收机为融合了IMU惯性测量单元的GNSS接收机，IMU惯性测量单元安装在RTK接收机内的数据版上，由于存在IMU模块安装工艺误差及数据板安装工艺误差，IMU坐标系相对于RTK安装后的测量坐标系存在着水平两个方向上的偏差角度，GNSS/IMU融合解算直接得到的是IMU的姿态，通过补偿IMU相对于RTK载体坐标系的水平安装角度后，才能得到RTK接收机高精度的姿态。现今，基于加速度计对IMU偏差角进行标定或者通过GNSS/IMU组合解算对偏差角进行估计，前者容易受加速度计零偏重复性误差的影响，后者需要在能收到GNSS卫星信号的室外作业才能完成，操作复杂。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题的至少之一，本发明的目的是提供一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法、装置及介质，操作简单。

本发明实施例提供了惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法，惯导RTK接收机中内置有IMU，包括：

通过所述IMU获取所述惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据；

通过所述IMU获取所述惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据；

根据所述第一陀螺角速率数据以及所述第二陀螺角速率数据进行积分计算；

根据积分计算结果计算所述惯导RTK接收机与所述IMU之间的安装偏差角。

进一步，所述惯导RTK接收机的第一坐标系具有第一坐标轴，所述通过所述IMU获取所述惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据，包括：

控制所述惯导RTK接收机绕所述第一坐标轴旋转以使所述惯导RTK接收机进入旋转状态；

在所述旋转状态下，通过所述IMU获取所述惯导RTK接收机的第二陀螺角速率数据。

进一步，所述根据所述第一陀螺角速率数据以及所述第二陀螺角速率数据进行积分计算，包括：

根据所述第一陀螺角速率数据计算零偏；

根据所述零偏对所述第二陀螺角速率数据进行补偿处理，得到第三陀螺角速率数据；

对所述第三陀螺角速率数据进行角速率积分。

进一步，所述根据所述第一陀螺角速率数据计算零偏，具体为：

其中，所述第一陀螺角速率数据包括k个历元的第一陀螺角速率，

进一步，所述根据所述零偏对所述第二陀螺角速率数据进行补偿处理，得到第三陀螺角速率数据，包括：

计算所述第二陀螺角速率数据与所述零偏的差值；

根据所述差值与预设标定误差矩阵的乘积，确定所述第三陀螺角速率数据。

进一步，所述对所述第三陀螺角速率数据进行角速率积分，具体为：

其中，所述第三陀螺角速率数据包括多个历元的第三陀螺角速率，Φ

进一步，所述惯导RTK接收机的第一坐标系具有第二坐标轴和第三坐标轴，所述根据积分计算结果计算所述惯导RTK接收机与所述IMU之间的安装偏差角，包括：

根据积分计算结果计算所述第二坐标轴的第一分量以及所述第三坐标轴的第二分量；

根据所述第一分量计算第一偏差角，以及根据所述第二分量计算第二偏差角；

其中，所述第一坐标系绕所述第三坐标轴旋转所述第一偏差角且绕所述第二坐标轴旋转所述第二偏差角后与所述IMU的第二坐标系重合。

本发明实施例还提供惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置，包括：

IMU，用于获取惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据以及获取惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据；

第一计算模块，用于根据所述第一陀螺角速率数据以及所述第二陀螺角速率数据进行积分计算；

第二计算模块，用于根据积分计算结果计算所述惯导RTK接收机与所述IMU之间的安装偏差角。

本发明实施例还提供一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置，所述惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现所述方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现所述方法。

本发明的有益效果是：

通过IMU获取惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据以及获取惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据，根据第一陀螺角速率数据以及第二陀螺角速率数据进行积分计算，根据积分计算结果计算惯导RTK接收机与IMU之间的安装偏差角，相对现有技术不受加速度计零偏重复性误差的影响，也不依赖GNSS卫星定位，操作简单，有利于提高效率以及提高安装偏差角的准确性。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法的步骤流程示意图；

图2为本发明具体实施例惯导RTK接收机的安装示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1所示，本发明实施例提供一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法，包括步骤S100-S400：

S100、通过IMU获取惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据。

本发明实施例中，惯导RTK接收机内置有IMU，如图2所示，惯导RTK接收机的坐标系为第一坐标系m，第一坐标系m具有第一坐标轴(Z轴)、第二坐标轴(X轴)以及第三坐标轴(Y轴)，X轴和Y轴构成平面与Z轴垂直。其中，惯导RTK接收机100安装在标定装置200的测量杆上，标定装置200的测量杆的延伸方向为第一坐标轴(Z轴)的方向。

本发明实施例中，将惯导RTK接收机100安装在标定装置200的测量杆后，不驱动标定装置200而使惯导RTK接收机处于静置状态，然后通过IMU获取惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据。可选地，第一陀螺角速率数据可以包括k个历元的第一陀螺角速率

S200、通过IMU获取惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据。

本发明实施例中，标定装置200可以采用电机驱动或者手工驱动的方式使得惯导RTK接收机绕第一坐标系m的第一坐标轴(Z轴)旋转，从而使得惯导RTK接收机进入旋转状态。可选地，在旋转状态下获取第二陀螺角速率数据后，使惯导RTK接收机处于静置状态。

可选地，步骤S200包括步骤S210-S220：

S210、控制惯导RTK接收机绕第一坐标轴旋转以使惯导RTK接收机进入旋转状态。

S220、在旋转状态下，通过IMU获取惯导RTK接收机的第二陀螺角速率数据。

具体地，当惯导RTK接收机进入旋转状态，通过IMU获取惯导RTK接收机的第二陀螺角速率数据。可选地，第二陀螺角速率数据可以包括多个历元的第二陀螺角速率。需要说明的是，第二陀螺角速率数据与第一陀螺角速率数据的历元数量可以相同也可以不相同，本发明实施例中以第二陀螺角速率数据与第一陀螺角速率数据的历元数量相同为例进行方便说明，记第二陀螺角速率数据包括k个历元的第二陀螺角速率

S300、根据第一陀螺角速率数据以及第二陀螺角速率数据进行积分计算。

可选地，步骤S300包括步骤S310-S330：

S310、根据第一陀螺角速率数据计算零偏。

具体地，计算零偏的公式为：

其中，第一陀螺角速率数据包括k个历元的第一陀螺角速率，

S320、根据零偏对第二陀螺角速率数据进行补偿处理，得到第三陀螺角速率数据。

可选地，步骤S320包括步骤S3201-S3202：

S3201、计算第二陀螺角速率数据与零偏的差值。

S3202、根据差值与预设标定误差矩阵的乘积，确定第三陀螺角速率数据。

需要说明的是，预设标定误差矩阵可以预先利用标定装置标定获得，第三陀螺角速率数据的计算公式为：

其中，第三陀螺角速率数据包括多个历元的第三陀螺角速率

S3203、对第三陀螺角速率数据进行角速率积分。

需要说明的是，角速率积分结果即积分计算结果Φ

S400、根据积分计算结果计算惯导RTK接收机与IMU之间的安装偏差角。

可选地，步骤S400包括步骤S410-S420：

S410、根据积分计算结果计算第二坐标轴的第一分量以及第三坐标轴的第二分量。

具体地，当计算得到积分计算结果Φ

S420、根据第一分量计算第一偏差角，以及根据第二分量计算第二偏差角。

具体地，第一偏差角Δγ以及第二偏差角Δθ的计算公式为：

需要说明的是，IMU的坐标系是第二坐标系b，惯导RTK接收机的第一坐标系m与IMU的第二坐标系b固联在一起，两者存在安装偏差角(水平安装偏差角)，安装偏差角包括第一偏差角Δγ以及第二偏差角Δθ，第一坐标系m绕第三坐标轴(Y轴)旋转第一偏差角Δγ，然后再绕第二坐标轴(X轴)旋转第二偏差角Δθ，惯导RTK接收机的第一坐标系m与IMU的第二坐标系b重合在一起。

本发明实施例中，第一偏差角Δγ以及第二偏差角Δθ的计算公式的具体推导过程如下：

定义标定装置的标定坐标系h，标定坐标系h的Z轴与第一坐标系m的第一坐标轴(Z轴)同向，标定坐标系h的X、Y轴与标定坐标系h的Z轴垂直，构成右手系。标定坐标系h在标定过程中不随RTK接收机的旋转发生变化，其轴向保持不动。由定义可知，标定坐标系h与第一坐标系m两者Z轴同向，XY轴构成平面平行，两者的区别在于，标定过程中第一坐标系m绕Z轴旋转变化，而标定坐标系h保持不动。

由两者的旋转关系，第二坐标系b到第一坐标系m的旋转矩阵

定义第一坐标系m的角速率积分Φ

式中，

考虑到：

上式中，

整理有：

考虑

其中，

代入公式有：

在实际计算中还要考虑补偿后的陀螺角速率

其中，I表示单位阵，S表示标定矩阵补偿后残余的陀螺标度因数误差。

其中，S

记符号

绕着第一坐标系m的Z轴旋转n圈，则：

联合公式有：

/>

T为转置，展开有：

考虑Δθ，Δγ都为小角，整理有：

记符号

考虑标度因数残余误差S

因此，得到了计算第一偏差角Δγ以及第二偏差角Δθ的计算公式。

相对于现有技术，本发明实施例的惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法，不依赖加速度计的信息，也不需要GNSS卫星定位作为约束，通过陀螺角速率积分的方式即可完成安装偏差角的确定，该方法不受加速度零偏重复性误差的影响，在室内就可以完成标定工作，操作简单，有利于提高效率以及提高安装偏差角的准确性。

同时，本发明实施例的方法不需要高精度的水平台，基于陀螺角速率积分标定安装偏差角，其标定精度主要取决于陀螺角速率的积分精度。而影响角速率积分误差的因数为零偏和预设标定误差矩阵，零偏采用静置估计的方法在旋转前计算出来，避免陀螺零偏重复性误差的影响，预设标定误差矩阵可以在IMU批量标定阶段在转台上完成标定，因此，陀螺角速率积分精度可以达到较高精度。

另外，本发明实施例的方法对出厂后惯导RTK接收机维修非常友好，如果惯导RTK接收机需要替换IMU完成维修，只需要将维修后的惯导RTK接收机安置于普通的测量基座上，按照标定流程操作即可完成安装偏差角的标定。对于没有任何标定参数的IMU，该方法同样适用，该方法不受陀螺零偏重复性误差的影响，不受陀螺标度因数误差影响。对于没有经过转台标定的IMU，该方法标定误差主要为陀螺相对于加计的失准角误差，一般而言该值优于0.3°，基本满足惯导RTK作业精度要求。

本发明实施例还提供一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置，包括：

IMU，用于获取惯导RTK接收机在静置状态下的第一陀螺角速率数据以及获取惯导RTK接收机在旋转状态下的第二陀螺角速率数据；

第一计算模块，用于根据第一陀螺角速率数据以及第二陀螺角速率数据进行积分计算；

第二计算模块，用于根据积分计算结果计算惯导RTK接收机与IMU之间的安装偏差角。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同，不再赘述。

本发明实施例还提供了另一种惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置，该惯导RTK接收机IMU安装角度标定装置包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前述实施例的惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同，不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前述实施例的惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法。

本发明实施例还提供一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前述实施例的惯导RTK接收机IMU安装角度标定方法。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括多指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序的介质。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。