基于MEMS传感器的姿态测量系统设计

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1、万方数据文章编号：1671—4598(2015)02一0362一03中图分类号：TP212文献标识码：A基于MEMS传感器的姿态测量系统设计张鑫，来智勇，张志毅，翟贝贝(西北农林科技大学信息工程学院，陕西杨凌712100)摘要：为解决单目三维扫描装置摄像机标定完成后姿态不能改变的问题，针对单目三维扫描装置使用过程中的运动方式与特点，设计了一款基于MEMS传感器的姿态测量系统；采用四元数对姿态进行解算，通过三轴姿态确定(TRAlD)算法构建量测模型，以无迹卡尔曼滤波(uKF)算法进行数据融合，能有效抑制姿态解算过程中陀螺仪的漂移问题；实验结果表明，利用该系统进行姿态测量时静

2、态误差低于上o．2。，动态误差低于±1。，系统实时性好、适用于动态三维扫描系统。关键词：三维扫描装置；姿态测量；三轴姿态确定；无迹卡尔曼滤波DesignOfAttitudeMeasurementSystemBasedonMEMSSensorsZhangXin，LaiZhiyong，ZhangZhiyi，ZhaiBeibei(CollegeofInformationEngineering，NorthwestA&FUniversity，Yangling712100，China)Abstmct：1nourstudy，anMEMSsensorsattitudemeasuremen

3、tsystemwasdesignedtosolvetheproblemthattheattitudeofMonocu—lar3Dscanningcameracannotbechangedaftercalibration．Thissystemistargetedtothemotionmodeandfeaturesofthemonocular3Dscanningdevice．Tosuppressthegyroscopedriftinattitudesolutionprocessefficiently，theattitudeofoursystemiscalculatedbyqu

4、aterni—ons．Thethree—axisattitudedetermine(TRAID)algorithmisusedtobuildtheobservationmodel．TheunscentedKalmanfilter(UKF)al—gorithmisusedfordatafusion．Theexperimentalresultsshowthatthemarginofstaticerrorisunder±O．2。，andthemarginofdynamicer—rorun“r±1。usingoursystem．Itdemonstratedthecapabilit

5、yofoursystemforhighprecision，real—timeperformance，user—f“endly，andsuitabIeforthe3Dscanningsystem．Keyword5：3Dscanning；attitudemeasurement；TRAID；UKF0引言单目三维扫描装置[11是一种通过摄像机获取图像信息来计算三维空间中物体的几何信息的装置。摄像机成像的几何模型决定了三维空间上某点的三维几何位置与其在图像中对应点的相互关系[2]，摄像机标定是为了确定空间物体表面某点在图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系对应关系。单目三维扫描装置在

6、完成摄像机标定后摄像机姿态就不能变动，一旦摄像机姿态发生了改变，物体表面上某点在3个坐标系中的对应关系就会发生改变，为精确实时的获得摄像机姿态信息，以便于跟踪修正这种对应关系，MEMs传感器是一个有效选择。MEMs因其体积小、质量轻、功耗低等特点在姿态检测方面运用越来越广泛[3]，是用于单目三维扫描装置姿态测量的理想器件。然而，目前常用的MEMS陀螺仪时间漂移严重，单独用其测量载体姿态误差比较大[4_5]。本文针对单目三维扫描装置的运动方式与特点，采用MEMs陀螺仪、MEMS加速度计和MEMs磁强计为惯性核心部件设计了一种姿态测量系统，用于测定摄像机姿态改变，可收稿日期：

7、2014一06—25；修回日期：2014—07—26。基金项目：陕西省农业科技创新项目(2012NKc01—20)。作者简介：张鑫(1988一)，男，河南省兰考县人，硕士研究生，主要从事嵌人式系统方向的研究。来智勇(1959一)，男，陕西省礼泉人，教授，硕士生导师，主要从事嵌入式计算机系统方向的研究。张志毅(1974一)，男，山西省夏县人，副教授，博士生导师，主要从事计算机图形学方向的研究。实时修正摄像机姿态改变后三个坐标系的对应关系。1系统总体设计该系统由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS磁强计、Zi曲ee发送模块和