[发明专利]用于确定物体姿态的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于确定物体姿态的方法及装置。

背景技术

姿态定向参考系统(Attitude Heading Reference System，AHRS)是一种用于提供物体的姿态以及运动方向等信息的系统。物体姿态的信息可以被用于例如自动控制、导航、虚拟现实等应用中。通常地，姿态定向参考系统包括多个多轴传感器，例如陀螺仪、加速度传感器以及磁强计等。姿态定向参考系统通过这些传感器来采集与物体姿态相关的数据信息(例如，角速度、加速度或磁场强度等)，并采用特定的算法来计算并表示物体的姿态和/或运动方向。

在传统的姿态定向参考系统中，物体相对于物体坐标系(即物体自身所在的局部坐标系)的姿态通常由欧拉角(即，对应于三个旋转轴的章动角、进动角以及自旋角)表示。然而，采用欧拉角表示物体的姿态或物体的旋转时，会出现万向节锁定(Gimbal Lock)问题，即，当物体的旋转使得三个旋转轴中的两个旋转轴相互平行时，绕一个旋转轴的旋转可能会覆盖绕另一个旋转轴的旋转，从而失去一个旋转自由度。

一种避免出现万向节锁定的方法采用四元数(Quaternion)参数来描述物体的姿态。四元数由实数与三个元素i、j、k组成，其中i、j、k满足i²+k²+j²＝ijk＝-1的关系，每个四元数都可以表示为1、i、j、k的线性组合。由于四元数的表达式没有类似于欧拉角的奇点，因此，以四元数来描述的物体姿态不会出现万向节锁定的问题。在传统的姿态定向参考系统中，可以利用陀螺仪测量物体运动的角速度，并进一步地对该角速度进行积分，从而得到以四元数参数表示的物体的姿态。

然而，基于陀螺仪的姿态定向参考系统是一种相对姿势定向参考系统，在每次确定物体姿态时，其需要基于前一次或前一时刻物体姿态的参数。考虑到陀螺仪的各种测量误差，例如实际灵敏度误差、灵敏度的非线性、灵敏度的温度漂移等，这种相对姿态定向参考系统所提供的关于物体姿态的信息会累积测量误差，这使得很难在较长的时间内精确地表示物体姿态。

因此，需要一种能够稳定并且精确地确定物体姿态的方法及装置。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定物体姿态的方法，包括：接收重力加速度信号以及地磁场信号，所述重力加速度信号与所述地磁场信号响应于物体的姿态的变化而变化；基于所述重力加速度信号确定物体坐标系中的重力场表示，并基于所述地磁场信号确定物体坐标系中的地磁场表示；基于所述物体坐标系中的所述重力场表示与所述地磁场表示计算所述物体坐标系与地球坐标系之间的坐标系转换参数；基于所述坐标系转换参数确定所述物体的姿态。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于确定物体姿态的装置，包括：接收模块，用于接收重力加速度信号以及地磁场信号，所述重力加速度信号与所述地磁场信号响应于物体的姿态的变化而变化；第一确定模块，用于基于所述重力加速度信号确定物体坐标系中的重力场表示，并基于所述地磁场信号确定物体坐标系中的地磁场表示；转换模块，用于基于所述物体坐标系中的所述重力场表示与所述地磁场表示计算所述物体坐标系与地球坐标系之间的坐标系转换参数；第二确定模块，用于基于所述坐标系转换参数确定所述物体的姿态。

根据本发明的又一方面，还提供了一种姿态定向参考系统，包括前述方面的用于确定物体姿态的装置。

不同于现有技术，在本发明的用于确定物体姿态的方法和装置中，每次确定物体姿态的操作相互独立，这就避免了由于传感器测量误差的累积所引起的偏差，使得能够在长时间内稳定且精确地确定物体姿态；此外，本发明采用四元数的坐标系转换参数来确定物体姿态，由于四元数表达式没有类似于欧拉角的奇点，因此，本发明还避免了万向节锁定的问题。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的标号表示相同或相似的元素。在附图中：

图1示出了适于应用本发明的方法及装置的姿态定向参考系统；

图2示出了根据本发明一个方面的用于确定物体姿态的方法的流程；

图3示出了重力场与地磁场在物体坐标系与地球坐标系中的表示；

图4示出了根据本发明一个方面的用于确定物体姿态的装置。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式