用于增强现实的姿态测量系统及其校正技术研究

论文摘要

增强现实是虚拟现实技术的重要分支,也是近年来国内外研究机构的研究热点,其应用范围逐渐从室内环境向户外系统过渡。姿态测量是增强现实系统中的一项关键技术,但是传统的姿态测量技术跟踪范围有限,容易受到环境磁场干扰,无法应用于户外增强现实系统中。本文研究基于测量地球磁场和重力场的进行姿态确定的地磁姿态测量系统及其校正技术,所研制的系统具有跟踪范围广、体积小、功耗低等优点,不仅可应用于增强现实系统,而且在无人航行器、车辆死区推估、石油钻井等领域也有重要的应用前景。本文详细分析了地磁姿态测量系统的各种误差和干扰源,建立了基于物理原理的磁传感器误差模型,提出了基于椭球拟合和地磁倾角不变原理的磁传感器误差校正方法。所提出的方法在一系列姿态下记录姿态测量系统中加速度传感器和磁传感器的测量值,通过椭球拟合求解环境磁场的硬磁偏置干扰,并同时获得软磁系数中的伸缩矩阵与悬挂矩阵,最后根据地磁倾角不变原理求解软磁系数的对准矩阵。该校正方法可在无航向基准的条件下实现姿态测量系统航向角的自校正。为了去除磁传感器测量中的噪声干扰,本文提出了采用随机采样一致和正交距离判据的方法,保障了校正结果的准确性和稳定性。本文研究了三轴加速度传感器在参考基准下的校正标定方法,讨论了校正姿态的选取方法,并提出了在无基准条件下的加速度传感器偏置的校正方法。本文探讨了姿态测量系统水平状态下基于地磁场测量幅值动态调整卡尔曼滤波器参数以降低磁场瞬间干扰对航向角影响的方法,并进行了混合姿态测量系统的设计。本论文分别设计了基于双轴加速度传感器的地磁姿态测量系统和三轴加速度传感器与三轴陀螺的混合姿态测量系统,对所提算法进行了验证,详细分析了实验结果,实验结果证明所提算法的有效性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 增强现实技术概论
• 1.2 增强现实技术的国内外发展与现状
• 1.3 户外增强现实系统与室内增强现实系统的区别
• 1.4 本课题的研究内容和研究论文结构
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 论文结构
• 第2章 用于增强现实的姿态测量技术
• 2.1 姿态测量系统的性能评价方法
• 2.2 常用的跟踪方法
• 2.2.1 电磁式跟踪器
• 2.2.2 声学式跟踪器
• 2.2.3 惯性式跟踪器
• 2.2.4 光学式跟踪器
• 2.2.5 全球定位系统（GPS）
• 2.2.6 基于地球重力场和磁场的姿态测量技术
• 2.3 基于地球重力场和磁场的姿态测量原理
• 2.3.1 地磁场模型
• 2.3.2 坐标系统
• 2.4 姿态测量原理
• 2.5 系统实现的难点与关键技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 地磁姿态测量系统的实现与误差分析
• 3.1 地磁姿态测量系统的构成
• 3.2 地磁姿态测量系统的性能需求分析
• 3.2.1 姿态测量系统对磁传感器的性能要求
• 3.2.2 姿态测量系统对倾角传感器的性能要求
• 3.3 姿态测量系统传感器的选择
• 3.3.1 磁传感器的选择
• 3.3.2 磁阻传感器性能分析
• 3.3.3 倾角传感器的选择
• 3.3.4 加速度传感器性能分析
• 3.4 姿态测量系统的设计实现
• 3.4.1 加速度传感器的信号处理
• 3.4.2 磁传感器的信号处理
• 3.4.3 信号处理单元
• 3.5 姿态测量系统中的误差分析
• 3.6 姿态测量系统的误差模型及其对姿态测量的影响
• 3.6.1 磁传感器的误差模型
• 3.6.2 磁场误差对航向角测量的影响
• 3.7 加速度传感器的误差分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 磁传感器的误差校正方法
• 4.1 误差补偿原理
• 4.2 磁传感器的误差校准方法
• 4.2.1 给定基准方法
• 4.2.2 冗余传感器法
• 4.2.3 拟和法
• 4.3 基于椭球拟合和地磁倾角不变的校正算法
• 4.3.1 椭球拟合算法
• 4.3.2 硬磁偏置的求解方法
• 4.3.3 软磁补偿系数的求解方法
• 4.4 磁传感器校正的真北性分析
• 4.5 算法仿真试验
• 4.6 测量噪声的抑制方法
• 4.6.1 随机采样一致算法
• 4.6.2 代价函数的选择
• 4.7 校正算法的评价方法
• 4.8 姿态测量系统的磁场校正实验
• 4.8.1 校正算法噪声敏感性分析
• 4.8.2 校正姿态的选取
• 4.8.3 校正残差分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 姿态测量系统倾角测量校正方法
• 5.1 单轴加速度传感器的校正方法
• 5.1.1 重力场1g 静态翻滚试验
• 5.1.2 高g 精密离心机试验
• 5.1.3 振动冲击试验
• 5.2 双轴加速度传感器的校正
• 5.3 三轴加速度传感器的校正
• 5.3.1 加速度传感器校正姿态的选取
• 5.4 加速度传感器的拟合校正方法
• 5.5 加速度传感器测量误差对磁传感器校正的影响
• 5.6 本章小结
• 第6 章混合姿态测量系统
• 6.1 最优估计的数学基础
• 6.1.1 卡尔曼滤波器
• 6.1.2 扩展卡尔曼滤波器
• 6.2 磁传感器—陀螺的融合算法
• 6.2.1 水平面内的融合算法
• 6.3 混合姿态测量系统组成与工作流程
• 6.4 混合姿态测量系统实验
• 6.4.1 陀螺性能测试实验
• 6.4.2 磁场干扰实验
• 6.4.3 融合算法的动态跟踪性能
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 存在的问题与未来展望
• 7.2.1 姿态测量系统的动态测量精度
• 7.2.2 陀螺传感器的校正
• 7.2.3 姿态测量系统的预测性能
• 7.2.4 姿态测量系统的抗干扰能力
• 7.3 姿态测量系统在户外增强现实系统的应用
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文
• 附录 图表清单