[发明专利]一种大姿态四元数全角域转换欧拉角方法

说明书

本发明公开的一种大姿态四元数全角域转换欧拉角方法，属于姿态捕获及控制领域。本发明根据俯仰角的不同区间将姿态划分为三类，分别给出各区间内的四元数转换欧拉角的方法以及取舍的方法，实现全角域下的转换。本发明通过交叉迭代法解决俯仰角在死锁区间时偏航角和滚动角奇异的问题；通过正弦符号法解决俯仰角跨越±90°时转换结果选取错误的问题；解决全角域下四元数转换欧拉角的多值取舍问题；通过旋转矩阵内部信息对姿态进行解析预估，提高转化数值的精确度。本发明能够在浮点数运算能力不够强大的控制器上处理大姿态的四元数数据，实现大姿态四元数全角域转换欧拉角。本发明应用领域包括无人机大姿态避障、机器人位姿获取、人体关节姿态捕捉等领域。

技术领域

本发明涉及一种大姿态四元数全角域转换欧拉角方法，尤其涉及一种用于大范围姿态采集设备的四元数全角域转换欧拉角方法，属于姿态捕获及控制领域。

背景技术

载体的姿态解算广泛应用于航空航天、工业机器人、人体姿态识别等热门领域。姿态解算是利用滤波后的陀螺仪、加速度计等数据，通过计算融合等方法实时解算出载体的姿态数据。常用的姿态描述参数有方向余弦矩阵、欧拉角、四元数、旋转矢量、罗德里格参数等等。诸多姿态描述参数中四元数和欧拉角是当前工程实践中最常用的两种方法，两者相比，欧拉角表示姿态更为直观清晰，几何意义更为明显；而四元数具有运算简单，无奇异，全范围姿态表示等优势。为了直观的理解姿态信息，通常选取欧拉角作为姿态表示方法，即使用俯仰角，偏航角，滚动角来表示出载体的空间姿态。在对飞行器的姿态进行解算时，其俯仰角通常仅在小幅度的范围内进行变换，但是当遇到一些大姿态的特殊场景，如大姿态避障、人体关节姿态捕捉等场景时，就不能只考虑俯仰角在小范围区间的情况了，而需要考虑全角度下的姿态变换情况。此时选用欧拉角进行表示，则会出现其固有的“死锁”缺陷，而四元数并不存在这一问题，所以如何将四元数通过一定的转换方法得到精确的欧拉角姿态信息成为目前需要解决的技术问题。为了解决四元数与欧拉角之间的全角度问题，在检索专利库和文献库中，有一项专利“一种面向大姿态机动的四元数全角域转换欧拉角的获取方法”和一篇文献“一种新的全角度四元数与欧拉角的转换算法”提出了解决方案，不过这两种技术存在下述缺点。

在对飞行器的姿态进行解算时，其俯仰角通常仅在小幅度的范围内进行变换，但是当遇到一些大姿态的特殊场景，如大姿态避障、人体关节姿态捕捉等场景时，就不能只考虑俯仰角在小范围区间的情况了，而需要考虑全角度下的姿态变换情况。此时选用欧拉角进行表示，则会出现其固有的“死锁”缺陷，而四元数并不存在这一问题，面对不同的应用场景，精确的四元数和形象的欧拉角之间的转换成为需要解决的技术问题。目前欧拉角可通过超复数映像转为四元数，并且这个过程是一一对应的，使得通过欧拉角得到四元数是比较容易的。但是一个四元数在大姿态范围内通常会对应一个或是两个欧拉角，这也正是四元数转换为欧拉角的难点所在。为了解决这个问题，张帆、曹喜滨、邹经湘所著的“一种新的全角度四元数与欧拉角的转换算法”中提出了一种基于分象限的四元数欧拉角转化方法，但是这篇文献中对于欧拉角的“死锁”问题没有考虑，导致在部分角度区间会转换错误，这也就使得文中所提出的算法在工程实践中难以完成转换任务。除此之外，黄玉、武立华在专利“一种面向大姿态机动的四元数全角域转换欧拉角的获取方法”中针对飞行器间接的提出了通过四元数预估欧拉角旋转方向的方法，然而该方法仅是采用统一的算法去优化分象限的缺陷，同样并非解决死锁区间内出现的奇异值和四元数转换欧拉角出现的多值问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大姿态四元数全角域转换欧拉角方法，能够解决下述技术问题：(1)通过交叉迭代法解决俯仰角在死锁区间时偏航角和滚动角奇异的问题；(2)通过正弦符号法解决俯仰角跨越±90°时转换结果选取错误的问题；(3)解决全角域下四元数转换欧拉角的多值取舍问题；(4)通过旋转矩阵内部信息对姿态进行解析预估，显著提高转化数值的精确度。本发明能够在浮点数运算能力不够强大的控制器上处理大姿态的四元数数据，实现大姿态四元数全角域转换欧拉角。本发明的应用领域包括无人机大姿态避障、机器人位姿获取、人体关节姿态捕捉等领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。