一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法
阅读说明：本技术 一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法 (Heating method for inertial sensor of unmanned robot ) 是由 李佳乘 高京哲 朱誉品 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法,所述无人控制机器人的惯性传感器加热方法包括：控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度；获取惯性传感器的工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的本地存储装置中获取惯性传感器在工作温度的零偏参数；根据零偏参数对传感数据进行补偿,获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据对无人控制机器人进行定位操作。采取本方法可以有效降低惯性传感器的标定和生产成本。(An inertial sensor heating method of an unmanned robot, comprising: controlling a heating device to heat the inertial sensor to a working temperature; acquiring sensing data output by the working temperature of the inertial sensor; acquiring a zero offset parameter of an inertial sensor at a working temperature from a local storage device of the unmanned robot; compensating the sensing data according to the zero-offset parameter to obtain compensated sensing data; and carrying out positioning operation on the unmanned robot according to the compensated sensing data. By adopting the method, the calibration and production cost of the inertial sensor can be effectively reduced.)
技术领域
本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法。
背景技术
惯性传感器是无人控制机器人的导航系统中的关键组成部分，其工作性能对于导航系统的精度有着较为重要的影响，无人控制机器人可包括无人机、无人驾驶汽车、无人船等。
惯性传感器的测量存在零偏，为了准确测量，需要通过标定的方式确定惯性传感器的零偏参数，使用零偏参数对惯性传感器输出的传感数据进行补偿。然而，目前对惯性传感器的加热效率不高，导致惯性传感器在较长的时间后才能达到工作温度。这样，为了有效地实现准确的定位，无人控制机器人的本地存储装置中存储多个不同温度下的零偏参数，意味着工厂在生产惯性传感器时，需要标定所述惯性传感器在多个不同温度下的零偏参数，导致惯性传感器的标定和生产成本较高。
发明内容
本发明实施例提供了一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法，可降低惯性传感器的标定和生产成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法，其中，无人控制机器人包括惯性传感器和用于对惯性传感器进行加热的加热装置，该方法包括：控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度；获取惯性传感器在工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数，其中，本地存储装置中不存储除工作温度之外的其他温度的零偏参数；根据零偏参数对传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。
第二方面，本发明实施例提供了一种无人控制机器人，包括：
存储器、处理器、惯性传感器以及加热装置；
所述存储器存储程序代码；
所述处理器，调用所述程序代码，当程序代码被执行时，用于执行以下操作：
控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度；获取惯性传感器在工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数，其中，本地存储装置中不存储除工作温度之外的其他温度的零偏参数；根据零偏参数对所述传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。
第三方面，本发明提供了一种无人控制机器人系统，其特征在于，包括：
如第二方面所述无人控制机器人；
控制终端，用于响应用户的控制操作，并对所述无人机控制机器人进行控制。
本发明实施例中，将惯性传感器加热至工作温度；获取所述惯性传感器在工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数，其中，本地存储装置中不存储除工作温度之外的其他温度的零偏参数；根据零偏参数对传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。另外，传统方法中，无人控制机器人进行定位操作时，惯性传感器的温度未加热至工作温度，需要根据惯性传感器在多个温度下的零偏参数，对惯性传感器在不同温度时输出的传感数据进行补偿，基于此，需要预先标定惯性传感器在多个温度下的零偏参数，而本发明实施例仅需标定惯性传感器在一个工作温度下的零偏参数，可降低惯性传感器的标定和生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为目前的一种惯性传感器的加热速度曲线图；
图2为目前的一种惯性传感器的加速度计在坐标轴的零偏变化曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种无人控制系统的架构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种无人机执行任务时的一个应用场景图；
图5为本发明实施例提供的一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法；
图6为惯性传感器的工作温度为65度时，惯性传感器的升温曲线图；
图7为惯性传感器的工作温度为65度时，惯性传感器的加速度计在坐标轴的零偏变化曲线图；
图8为本发明实施例提供的一种无人控制机器人的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
目前，在惯性传感器的温度稳定之前，由于惯性传感器加热速度较慢，导致惯性传感器进行定位操作时，惯性传感器温度未达到稳定，即惯性传感器温度仍在缓慢上升。例如，目前的一种惯性传感器的加热速度曲线如图1所示，t1时刻对应的温度T工作温度为无人控制机器人的工作温度。如图可以看出，由于惯性传感器的加热速度较慢，导致无人控制机器人在进行定位操作时刻t0时，惯性传感器的温度未达到工作温度，即惯性传感器的温度仍在缓慢上升，导致随着温度变化的零偏影响惯性传感器的测量精度。零偏受温度影响，在惯性传感器的温度上升的过程中，零偏参数会随温度的变化而变化。图2为目前的惯性传感器(Inertial Measurement Unit，IMU)在升温过程中，三个坐标轴(即x轴、y轴以及z轴)的零偏(bias)变化曲线。可以看出，随着温度的升高，三个坐标轴的零偏都在增加，其中z轴的零偏变化最为明显。因此，为消除零偏对定位操作的影响，需要获得惯性传感器在到达工作温度之前的多个不同温度点对应多个零偏参数，根据各个零偏参数在对应的温度点对对应的传感数据进行多次补偿。为了实现上述方案，无人控制机器人需要在本地存储装置中存储多个不同温度下的零偏参数，意味着工厂在生产惯性传感器时，需要测量和标定所述惯性传感器在多个不同温度下的零偏参数，使得惯性传感器的生产需要投入较大的标定和生产成本。
本发明实施例提出了一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法。该方法中，当无人控制机器人的被开启时，无人控制机器人响应于所述无人控制机器人的开机信号，控制加热装置在预设时间内，将惯性传感器加热至工作温度；获取所述惯性传感器在工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数，其中，本地存储装置中不存储除工作温度之外的其他温度的零偏参数；根据零偏参数对传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。无人控制机器人可控制加热装置，将惯性传感器在预设时间内加热到工作温度，使得无人控制机器人只需要根据一个工作温度下的零偏参数，对惯性传感器输出的传感数据进行补偿，并在工作温度下根据补偿后的传感数据对无人控制机器人进行定位操作，从而无人控制机器人的本地存储装置中只存储惯性传感器在工作温度下的零偏参数。在惯性传感器被加热到工作温度之前，不使用零偏参数对惯性传感器输出的传感数据进行补偿。该方式可提高惯性传感器的测量精度和降低惯性传感器的标定和生产成本。
为了更好的理解本发明实施例公开的一种无人控制机器人的惯性传感器加热方法，下面首先对本发明实施例适用的无人机控制机器人的架构进行描述。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种无人控制系统的架构示意图。如图3所示，该无人控制系统30由无人控制机器人301和控制终端302组成。其中，无人控制机器人301包括惯性传感器3011和加热装置3012。控制终端302用于控制无人控制机器人进行运动。惯性传感器3011是一种测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动传感器，用于输出传感数据。加热装置3012用于加热所述惯性传感器3011，加热装置3012可以为加热电阻、陶瓷发热片或电热涂料等。若加热装置3012为加热电阻时，加热电阻布局在惯性传感器的相邻位置，其数量为预设数量阈值，以确保加热电阻以最大功率加热惯性传感器时，惯性传感器的升温速率大于预设加热速率。在某些实施例中，惯性测量单元3011可以包括加速度计和陀螺仪。
以无人控制机器人为无人机为例，图4为无人机执行任务时的一个应用场景图，A点为无人机被启动时所处的位置，B点为无人机需要执行任务时的任务位置点，无人机在任务位置B点需要执行预设任务，如对图中的人物进行拍照、摄影等。无人机在A点时被启动时，无人机响应于开机信号，控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度。无人机在预设时间内将惯性传感器加热至工作温度，于是无人机在A点获取惯性传感器的传感数据和工作温度下的零偏参数，并根据工作温度下的零偏参数对传感数据进行补偿，获得补偿后的传感数据。最后根据补偿后的传感数据对无人机进行定位操作。若在A点，惯性传感器被加热至工作温度，则响应无人机的控制终端的运动控制指令，向B点运动。该方法中，惯性传感器的温度达到了工作温度，只需在工作温度下，根据该工作温度对应的零偏参数对惯性传感器输出的传感数据进行补偿，在后续的运动和执行任务过程中，不需要根据惯性传感器的其他温度对应的零偏参数对惯性传感器输出的传感数据进行补偿，可降低惯性传感器的标定和生产成本。
基于上述描述，本发明实施例提出一种如图5所示的无人控制机器人的惯性传感器加热方法，该无人控制机器人的惯性传感器加热方法可以包括S501-S506：
S501：无人控制机器人按照加热装置的最大加热功率，控制加热装置将惯性传感器加热至低于工作温度的参考温度。
具体的，当无人控制机器人被开启时，无人控制机器人响应于所述无人控制机器人的开机信号，按照加热装置的最大加热功率，控制加热装置将惯性传感器加热至低于工作温度的参考温度。
其中，加热装置可以为加热电阻、陶瓷发热片或电热涂料等，若加热装置为加热电阻时，加热电阻预先布局在惯性传感器的相邻位置，其数量大于预设数量阈值，以确保加热电阻以最大功率加热惯性传感器时，惯性传感器的升温速率不低于预设加热速率，示例性的，预设加热速率可以大于或等于5度/秒。惯性传感器的工作温度高于无人控制机器人所处的环境温度，工作温度可以在60-90度之间。在一种实现方式中，工作温度是用户根据无人控制机器人能够正常工作的最高环境温度设定的。例如，无人控制机器人能够正常工作的最高环境温度为60度，用户根据此温度设定所述无人控制机器人的工作温度为75度。
参考温度可以是根据工作温度设定，参考温度接近工作温度且低于工作温度。例如，参考温度和工作温度之间的比值为x，n<x<1，例如n可以为0.8，0.9或0.95，等等，x可使得参考温度尽量接近工作温度。又如，工作温度和参考温度之间的差值小于预设阈值，预设阈值可以为10度或者5度，等等，预设阈值可使得参考温度尽量接近工作温度。
在一种实现方式中，当无人控制机器人被用户开启时，无人控制机器人响应于所述无人控制机器人的开机信号，输入满占空比的脉冲调制电压，以使无人控制机器人按照加热装置的最大加热功率，控制加热装置将惯性传感器加热至参考温度。
在一种实现方式中，无人控制机器人按照加热装置的最大功率，控制惯性传感器进行加热时，惯性传感器至少以不低于预设加热速率升高温度，预设加热速率大于或等于5度/秒，预设加热速率远高于目前的惯性传感器的加热速率。此预设加热速率可确保快速地将惯性传感器的温度加热至工作温度。
在一种实现方式中，无人控制机器人按照加热装置的最大加热功率，控制加热装置在预设时间内，将惯性传感器加热至工作温度，所述预设时间不大于30秒，以使惯性传感器快速地达到工作温度之后，不需要根据惯性传感器的其他温度对应的零偏参数对惯性传感器输出的传感数据进行补偿，可降低惯性传感器的标定成本。
S502：当确定惯性传感器被加热至参考温度时，无人控制机器人采用闭环加热控制策略控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度。
为避免惯性传感器的温度按照S501方法上升时，超过惯性传感器的工作温度，则无人控制机器人确定惯性传感器被加热至参考温度时，采用闭环加热控制策略控制加热装置将惯性传感器加热至工作温度。
具体的，闭环加热控制策略包括PI控制策略，PI控制策略包括线性控制参数和积分控制参数，线性控制参数用于调整控制系统的稳定性，积分控制参数用于调整控制系统的无差度。当确定惯性传感器被加热至参考温度时，无人控制机器人调整PI控制策略的线性控制参数和积分控制参数，使得惯性传感器在不超过工作温度的前提下，在参考温度和工作温度之间上升，直至达到工作温度。
在一种实现方式中，无人控制机器人确定惯性传感器的温度达到工作温度时，调整PI控制策略的积分控制参数，使得惯性传感器的温度稳定在工作温度，确保惯性传感器在后续的工作过程中，其温度保持在工作温度不变。
以惯性传感器的工作温度为65度为例，本方法下的惯性传感器的升温曲线和传统方法下的惯性传感器的升温曲线如图6所示，本方法为相对传统方法的改进方法，即本申请实施例公开的技术方案。可以看出，相对于传统方法，在改进的加热方法下，惯性传感器的温度在上电后20秒左右上升至工作温度，并保持工作温度稳定，而传统方法下的惯性传感器的温度在上电后20秒仍未达到工作温度。本方法下的惯性传感器的升温速率明显大于传统方法下的升温速率，使得惯性传感器的温度能快速上升至参考温度，并在闭环控制策略下，上升至工作温度，且到达工作温度后，恒定在工作温度。
S503：无人控制机器人获取惯性传感器在工作温度输出的传感数据。
当确定惯性传感器的温度上升至工作温度之后，无人控制机器人获取惯性传感器在工作温度输出的传感数据，传感数据可以包括无人控制机器人的姿态，其姿态包括角速度和加速度等。惯性传感器在工作温度输出的传感数据，存在零偏，不能直接作为惯性传感器测量的传感数据，需要根据工作温度下的零偏参数对传感数据进行补偿。
S504：无人控制机器人在本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数。
惯性传感器的测量会存在零偏，其零偏与温度有关，因此需要在惯性传感器的工作温度下，根据该温度下的零偏参数对传感数据进行补偿。因此需要提前在无人控制机器人的本地存储装置中，获取惯性传感器在工作温度的零偏参数。其中，所述本地存储装置中不存储除所述工作温度之外的其他温度的零偏参数，即无人控制机器人不需要提前存储其他温度点对应的零偏参数，可减少惯性传感器的标定成本。
在一种实现方式中，惯性传感器在工作温度的零偏参数是工厂在生产惯性传感器时，对惯性传感器进行测量得到的。工作温度是用户对惯性传感器设定之后，将所述工作温度发送给工厂的。
在一种实现方式中，惯性传感器的零偏参数是无人控制机器人根据预设补偿参数获取算法和工作温度，对惯性传感器进行测量得到的，其中预设补偿参数算法包括小波变换、最小二乘法、灰色预测法等，在此不做限制。
S505：无人控制机器人根据零偏参数对传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据。
无人控制机器人获得的惯性传感器在工作温度下的传感数据存在零偏，根据工作温度下的零偏参数对传感数据进行补偿，可以获得补偿后的传感数据，该补偿后的传感数据为更精准的传感数据。
S506：无人控制机器人根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。
无人控制机器人获得补偿后的传感数据后，根据此补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。
以惯性传感器的工作温度为65度为例，本方法与传统方法下的惯性传感器的零偏变化曲线如图7所示，本方法为传统方法下的改进方法。从图中可以看出，在上电后的20秒，改进方法下的加速度计零偏已经基本稳定，而传统方法下的零偏仍然在变化。
在某些实施例中，当所述惯性传感器未被加热至所述工作温度时，拒绝响应控制终端发送的运动控制指令。具体地，当所述惯性传感器未被加热至所述工作温度，由于所述本地存储装置中不存储除所述工作温度之外的其他温度的零偏参数，即本地存储装置中仅存储在所述工作温度的零偏参数，惯性传感器输出的传感数据没有经过补偿，导致无人控制控制机器人定位不准确，因此，拒绝响应控制终端发送的运动控制指令以保证操作安全。
采用本实施例，无人控制机器人可控制加热装置在预设时间内，将惯性传感器加热至工作温度，使得无人控制机器人只需针对惯性传感器的一个工作温度输出的传感数据进行补偿，可提高惯性传感器的测量精度。同时，也使得无人控制机器人的本地存储只存储惯性传感器在工作温度下对应的零偏参数，可减少惯性传感器的标定和生产成本。
本发明实施例提供一种无人控制机器人，图8是本发明实施例提供的一种无人控制机器人的结构示意图。如图8所示，无人控制机器人80包括存储器801、处理器802、惯性传感器803以及加热装置804，其中，存储器801包括本地存储装置，本地存储装置用于存储惯性传感器803在工作温度下的零偏参数，存储器801中存储有程序代码，处理器802调用存储器801中的程序代码，当程序代码被执行时，处理器802执行如下操作：
控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度；获取惯性传感器803在工作温度输出的传感数据；从无人控制机器人的存储器801包括的本地存储装置中，获取惯性传感器803在工作温度的零偏参数，其中，本地存储装置中不存储除工作温度之外的其他温度的零偏参数；根据零偏参数对传感数据进行补偿，以获取补偿后的传感数据；根据补偿后的传感数据，对无人控制机器人进行定位操作。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度时，工作温度高于无人控制机器人的环境温度。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度时，工作温度在60-90度之间。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度的工作温度，具体用于：
所述处理器802响应于无人控制机器人的开机信号，控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度的工作温度时，加热装置804为加热电阻。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度的工作温度，具体用于：
所述处理器802控制加热装置804在预设时间内将惯性传感器803加热至工作温度。
可选的，所述处理器802控制加热装置804在预设时间内将惯性传感器803加热至工作温度时，预设时间不大于30秒。
可选的，所述处理器802控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度的工作温度，具体用于：
所述处理器802按照加热装置804的最大加热功率，控制加热装置804将惯性传感器803加热至低于工作温度的参考温度；
当所述处理器802确定惯性传感器803被加热至参考温度时，采用闭环加热控制策略控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度。
可选的，当所述处理器802确定惯性传感器803被加热至参考温度时，采用闭环加热控制策略控制加热装置804将惯性传感器803加热至工作温度时，闭环加热控制策略包括PI控制策略。
可选的，所述处理器802控制加热装置804以最大功率对惯性传感器803进行加热时，惯性传感器803至少以不低于预设加热速率升高温度。
可选的，所述处理器802控制加热装置804以最大功率对惯性传感器803进行加热时，惯性传感器804至少以不低于预设加热速率升高温度时，预设加热速率大于或等于5度/秒。
可选的，当所述处理器802在所述惯性传感器未被加热至所述工作温度时，拒绝响应控制终端发送的运动控制指令。
在本发明实施例中，处理器802可控制加热装置804在预设时间内，将惯性传感器803加热至工作温度，使得处理器802只需针对惯性传感器803的一个工作温度输出的传感数据进行补偿，可提高惯性传感器803的测量精度。同时，也使得存储器801只存储惯性传感器803在工作温度下对应的零偏参数，可减少惯性传感器803的生产成本。
本发明实施例还提供一种无人控制机器人系统，该无人控制机器人系统包括：
上述实施例提供的所述无人控制机器人；
以及控制终端，用于响应用户的控制操作，并对所述无人机控制机器人进行控制。
可选地，所述无人控制机器人至少包括如下的一种：无人机、无人驾驶汽车、无人船。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。