專利名稱：使用慣性測(cè)量單元確定真北方向的指向的方法
使用慣性測(cè)量單元確定真北方向的指向的方法本發(fā)明涉及尋找地理學(xué)北面方向的指向的方法。尋找地理學(xué)北面是在涉及對(duì)準(zhǔn)、繪圖、引導(dǎo)或?qū)Ш降娜魏尾僮髑暗囊粋€(gè)階段，以便確定擬從中確定對(duì)準(zhǔn)或?qū)Ш綌?shù)據(jù)的基準(zhǔn)指向。當(dāng)借助包括慣性單元或慣性傳感器模塊的系統(tǒng)執(zhí)行引導(dǎo)和導(dǎo)航時(shí)，一旦已“對(duì)準(zhǔn)”在該指向，系統(tǒng)就變得可以工作。已知使用尋北儀來確定北面方向的指向，該尋北儀包括穩(wěn)固地固定于水平位置底面的自由陀螺儀。該尋北儀在陀螺儀沒有相對(duì)于地表移動(dòng)的情況下準(zhǔn)確地確定北面方向。 確定的準(zhǔn)確性主要僅取決于陀螺儀的漂移，或當(dāng)在相反指向上執(zhí)行兩次測(cè)量時(shí)漂移的穩(wěn)定性。相比之下，最小量的陀螺儀移動(dòng)，即使人們無法覺察到該移動(dòng)，也會(huì)快速削弱這種準(zhǔn)確性并歪曲北面尋找。因此必須非常好地安裝尋北儀以避免任何這類運(yùn)動(dòng)。利用配有適用于慣性導(dǎo)航的完全慣性傳感器模塊的設(shè)備，已知在設(shè)備相對(duì)于地表處于固定位置時(shí)通過使用來自處于回轉(zhuǎn)羅盤模式的慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)來確定北面方向的指向。慣性傳感器模塊具有三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量軸以及三個(gè)速率陀螺儀測(cè)量軸。設(shè)備對(duì)準(zhǔn)則在于，要么使慣性傳感器模塊進(jìn)入相對(duì)于局部或慣性地理參考系的預(yù)定位置并隨后將其物理地保持在該位置，要么使用計(jì)算來估計(jì)局部或慣性地理參考系和慣性傳感器模塊之間的角度差并隨后更新它們。當(dāng)使用這些差時(shí)，與實(shí)踐中相對(duì)于地面無運(yùn)動(dòng)聯(lián)合，來自加速度計(jì)和陀螺儀兩者的數(shù)據(jù)的結(jié)合使用能執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)并因此標(biāo)識(shí)和維持傳感器模塊的核心的指向。然而，如此確定的指向的準(zhǔn)確性取決于加速度計(jì)的準(zhǔn)確性，并且加速度計(jì)的價(jià)格隨著所要求的準(zhǔn)確性而快速上升。對(duì)于給定的準(zhǔn)確性，尋北儀的成本遠(yuǎn)低于回轉(zhuǎn)羅盤。通過延伸，可以發(fā)現(xiàn)術(shù)語“回轉(zhuǎn)羅盤”用來既覆蓋計(jì)算方法又覆蓋專門配置成執(zhí)行計(jì)算的技術(shù)設(shè)備。這同樣適用于術(shù)語“尋北儀”。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供允許借助慣性傳感器模塊優(yōu)化北面尋找的裝置。為此，本發(fā)明提供一種借助具有三個(gè)速率陀螺儀測(cè)量軸和三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量軸的慣性傳感器模塊來確定地理學(xué)北面方向的指向的方法，該方法包括以下步驟·使用北面尋找模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第一指向值；·使用回轉(zhuǎn)羅盤模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第二指向值；以及·通過使用第一指向值和第二指向值來確定北面方向的指向。由此，第一指向值是通過將慣性傳感器模塊用作尋北儀，即通過來自陀螺儀數(shù)據(jù)計(jì)算指向，當(dāng)計(jì)算指向本身時(shí)，不使用來自加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，而只是將其用來確定相對(duì)于傳感器模塊的平均水平面。使用回轉(zhuǎn)羅盤模式，即除了用于估計(jì)慣性單元的指向和姿態(tài)的陀螺儀數(shù)據(jù)還使用加速度計(jì)數(shù)據(jù)流，來計(jì)算第二指向值。這能夠通過限制與慣性單元的角運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的大誤差的風(fēng)險(xiǎn)來獲得相對(duì)準(zhǔn)確的指向值。較為有利地，指向計(jì)算包括以下步驟·計(jì)算第一指向值和第二指向值之間的差；以及 將計(jì)算出的差考慮在內(nèi)，將第一指向值和/或第二指向值用作北面方向的指向。這兩個(gè)指向值受誤差影響，所述誤差包括由陀螺儀在測(cè)量過程中的平均漂移產(chǎn)生的共同分量以及由加速度計(jì)偏差(或偏移)的變化產(chǎn)生的非共同分量。加速度計(jì)偏差漂移的影響對(duì)于第一指向值來說是可忽略的，但對(duì)于第二指向值可能產(chǎn)生比陀螺儀誤差影響更大的指向誤差。相比之下，兩指向值之間的差不受陀螺儀漂移的影響，因此陀螺儀漂移在計(jì)算差時(shí)被消除。該差隨后可用作區(qū)別值，從而以簡(jiǎn)單和可靠方式將一個(gè)指向值或另一指向值保持為北面方向的指向值。如果該差非常小或等于零，則絕對(duì)項(xiàng)更為準(zhǔn)確的第一指向值是要保持的值。否則，要保持的是第二指向值。本發(fā)明的方法因此使其更容易選擇因變于測(cè)量條件提供最佳特性的工作方法。更準(zhǔn)確地說，該方法包括步驟估計(jì)計(jì)算出的差和慣性單元相對(duì)于地面不存在運(yùn)動(dòng)的假設(shè)之間的一致性；以及·如果該差與該假設(shè)一致，則第一指向值被認(rèn)為北面方向的指向；以及·如果該差與該假設(shè)不一致，則第二指向值被認(rèn)為北面方向的指向；以及或者，如果該差不能得出有關(guān)該差是否與不存在傳感器模塊相對(duì)于地面轉(zhuǎn)動(dòng)的假設(shè)一致的結(jié)論，則可使用兩個(gè)指向值的結(jié)合來確定將要保持的指向。優(yōu)選地，估計(jì)一致性包括步驟將緯度余弦的加權(quán)差值與至少一個(gè)閾值比較，優(yōu)選地，所述閾值等于在測(cè)量時(shí)間內(nèi)陀螺儀的平均向東漂移分量的標(biāo)準(zhǔn)差的平方加上測(cè)量時(shí)間內(nèi)加速度計(jì)向南的平均偏差漂移的標(biāo)準(zhǔn)差的平方之和的平方根。這種計(jì)算方法對(duì)于選擇指向值來說尤為有效。在一變例中，指向計(jì)算包括步驟·對(duì)第一指向值和第二指向值加權(quán)；以及·將如此加權(quán)的第一指向值和第二指向值加到一起，以獲得北面方向的指向，如此確定該加權(quán)以使有關(guān)北面方向指向的誤差的標(biāo)準(zhǔn)差減至最小。這能限制運(yùn)動(dòng)過程中的指向誤差，同時(shí)在傳感器模塊相對(duì)于地面沒有角運(yùn)動(dòng)時(shí)保留可接受的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性，而不訴諸于昂貴的加速度計(jì)。較為有利地，該方法包括步驟借助處于慣性傳感器模塊外部的檢測(cè)器檢測(cè)傳感器模塊的運(yùn)動(dòng)；并使用第二指向值作為北面方向的指向。因此，如果外部信息表示慣性傳感器模塊已移動(dòng)，則第二指向值被自動(dòng)保持。在閱讀以下本發(fā)明的特定、非限制性實(shí)現(xiàn)的描述時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它特征和優(yōu)
點(diǎn)ο參照唯一附圖
，該附圖是示出本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的方框圖。本發(fā)明的方法涉及借助慣性傳感器模塊或慣性單元1尋找地理學(xué)北面，所述慣性傳感器模塊或慣性單元1包括配有若干加速度計(jì)3(圖中僅示出其中的一個(gè))并通過若干速率陀螺儀5(圖中僅示出其中的一個(gè))連接于例如機(jī)架的固定支承件4的平臺(tái)2。應(yīng)當(dāng)理解，由于本發(fā)明不牽涉到慣性單元的結(jié)構(gòu)(其結(jié)構(gòu)可從別處獲知)，因此將慣性單元的描述和表示簡(jiǎn)化到極點(diǎn)。慣性單元1固定于一件設(shè)備，例如具有慣性單元1的機(jī)架剛性固定于此的結(jié)構(gòu)的車輛。慣性單元1聯(lián)系于計(jì)算機(jī)6，該計(jì)算機(jī)6執(zhí)行程序7以出于計(jì)算朝地理學(xué)北面指向的目的控制慣性單元1 ·通過使用由至少一個(gè)速率陀螺儀5傳遞的數(shù)據(jù)信號(hào)作為尋北儀；以及·通過還使用來自加速度計(jì)3的數(shù)據(jù)信號(hào)作為回轉(zhuǎn)羅盤。
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根據(jù)本發(fā)明的方法由此包括下列步驟·利用在尋北模式下由慣性單元1傳遞的數(shù)據(jù)來獲得第一指向值C。N ；以及·使用在回轉(zhuǎn)羅盤模式下來自慣性單元1的數(shù)據(jù)以獲得第二指向值Cre。這兩個(gè)指向值C。N和Cre關(guān)聯(lián)于包括陀螺儀分量和加速度計(jì)分量的誤差。對(duì)于計(jì)算第一指向值和計(jì)算第二指向值來說相同的指向誤差的陀螺儀分量由陀螺儀投影到東西方向的平均漂移所產(chǎn)生。指向誤差的陀螺儀分量等于DmE/ ( Ω T*cos (Lal))， 其中Dmg是由于陀螺儀的平均漂移而沿東方的平均漂移(在北面尋找工作過程中的平均值)，Ω τ是地面相對(duì)于慣性參考系的轉(zhuǎn)速的模量(即大約4375微弧度/分鐘(μ rad/min) 或15.04° /小時(shí)(° /h))，而Lal是慣性單元1在尋找北面時(shí)的對(duì)準(zhǔn)緯度。對(duì)于第一指向值Ccm,指向誤差的加速度計(jì)分量相比陀螺儀分量是可忽略的。關(guān)于第一指向值C。N的誤差還包括作為慣性單元1的核心繞東方的平均旋轉(zhuǎn)RmE的結(jié)果的分量(該向東旋轉(zhuǎn)是因?yàn)闄C(jī)架的運(yùn)動(dòng)以及可能的機(jī)殼和核心之間的微轉(zhuǎn)和變形所致)并表示為RmE/( QT*cos (Lal)).第二指向值Cre的指向誤差的加速度計(jì)分量由加速度計(jì)偏差斜率產(chǎn)生并表示為(PBms/g)/( QT*cos (Lal))其中g(shù)是由于重力引起的局部加速度，而PBms是加速度計(jì)偏差沿南面方向的平均變化。該方法包括使用在同一時(shí)段內(nèi)取的兩個(gè)慣性數(shù)據(jù)測(cè)量值計(jì)算第一指向值和第二指向值之間的差A(yù)C的步驟。兩計(jì)算得到的指向之間的差A(yù)C = Cgc-Ccn關(guān)聯(lián)于誤差，該誤差表示為[ (PBms/g) -RmE] / ( Ω T*cos (Lal))以使該差獨(dú)立于陀螺儀漂移。該方法為將第一或第二指向值用作指向采取措施，同時(shí)將這兩個(gè)值之間的差考慮在內(nèi)。在該優(yōu)選實(shí)現(xiàn)中，該方法包括步驟估計(jì)計(jì)算得到的差和慣性單元不相對(duì)于地面轉(zhuǎn)動(dòng)的假設(shè)之間的一致性，并且·如果該差與該假設(shè)一致，則第一指向值C。N被認(rèn)為是沿北面方向的指向；以及·如果該差與該假設(shè)不一致，則第二指向值Ce。被認(rèn)為是沿北面方向的指向。估計(jì)一致性包括步驟將通過緯度余弦和地球轉(zhuǎn)速的模量加權(quán)的差與閾值S比較。更準(zhǔn)確地說，就是驗(yàn)證是否滿足以下條件-S < Δ C* (Qt^cos(Lal)) < S (1)其中S = ((stddev (PBms/g))2+ (stddev DmE)2)1/2其中“stddev”是標(biāo)準(zhǔn)差的縮寫。如果滿足關(guān)系式(1)，則使用第一值Ccm作為沿北面方向的指向。如果不滿足關(guān)系式(1)，則使用第二值Ce。作為沿北面方向的指向。
本發(fā)明的方法包括步驟借助處于慣性單元外的檢測(cè)器檢測(cè)慣性單元的運(yùn)動(dòng)，并且如果檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)，則將第二指向值Ce。作為沿北面方向的指向。在一變例中，指向計(jì)算包括步驟·對(duì)第一指向值Ccm和第二指向值Cec加權(quán)；以及·將如此加權(quán)的第一指向值和第二指向值相加在一起，從而獲得沿北面方向的指向，確定用來計(jì)算作為計(jì)算得到的差A(yù)C或Δ C* (Q^cos(LiJ)的函數(shù)的權(quán)重的公式，以使涉及結(jié)果指向的誤差的標(biāo)準(zhǔn)差最小化。沿北面方向的指向(或在這個(gè)變例中是加權(quán)指向)表示為Xc*CGC+(l]c)*CCN其中加權(quán)系數(shù)λ。使0彡λ。彡1并且λ。是計(jì)算出的差函數(shù)Δ C* (Qt^cos(Lal))如此計(jì)算出的指向以等同于前述另外兩個(gè)計(jì)算出的指向值那樣的方式對(duì)陀螺儀漂移很敏感。影響經(jīng)加權(quán)指向的誤差ErrCp ( λ。)使得 rrCp ( λ c) * ( Ω T*cos (Lal) ) = DmE+ λ c*PBms/g+ (1_ λ c) *RmE其中RmE = PBms/g = Δ C* ( Ω T*cos (Lal))加權(quán)系數(shù)λ?？梢栽撝禐楹瘮?shù)變化的方式Δ C* (Qt^cos(Lal))或作為AC的函數(shù)基于多種標(biāo)準(zhǔn)定義。例如，可選擇因變于X= Δ C* ( Ω T*cos (Lal))的加權(quán)系數(shù)λ。的變化關(guān)系，以使對(duì)于給定的緯度和可能的平均轉(zhuǎn)速"Rm/的標(biāo)準(zhǔn)差不觸發(fā)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，使加權(quán)指向誤差的標(biāo)準(zhǔn)差(靜態(tài)地考慮而非臨時(shí)考慮)減至最小ErrCp ( λ c)*( QT*cos (Lal))自然，本發(fā)明不限于所述實(shí)現(xiàn)，而是覆蓋落在權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的任何變化形式。慣性單元的結(jié)構(gòu)可與前述結(jié)構(gòu)不同。為計(jì)算指向值執(zhí)行的測(cè)量次數(shù)可以大于1次。因此，可將慣性單元安裝在一角位置元件上，該角位置元件可繞基本垂直于地面的軸線調(diào)整，并針對(duì)三個(gè)不同的角位置執(zhí)行指向計(jì)算，由此通過對(duì)三個(gè)計(jì)算出的值求平均來消除陀螺儀漂移對(duì)指向誤差的影響(由于漂移是正弦形式的)。
權(quán)利要求
1.一種借助具有三個(gè)速率陀螺儀測(cè)量軸和三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量軸的慣性傳感器模塊來確定地理學(xué)北面方向的指向的方法，所述方法包括以下步驟 使用北面尋找模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第一指向值； 使用回轉(zhuǎn)羅盤模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第二指向值；以及 通過使用所述第一指向值和所述第二指向值來確定北面方向的指向。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述指向計(jì)算包括步驟 計(jì)算所述第一指向值和所述第二指向值之間的差；以及 將計(jì)算出的差考慮在內(nèi)，將第一所述指向值和/或所述第二指向值用作北面方向的指向。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟估計(jì)計(jì)算出的差和慣性單元相對(duì)于地面不存在運(yùn)動(dòng)的假設(shè)之間的一致性；以及 如果所述差與所述假設(shè)一致，則將所述第一指向值作為指向；以及 如果所述差與所述假設(shè)不一致，則將第二指向值作為北面方向的指向。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，估計(jì)一致性包括步驟將緯度余弦的加權(quán)差與至少一個(gè)閾值比較。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述閾值等于測(cè)量過程中陀螺儀的平均向東漂移分量的標(biāo)準(zhǔn)差的平方加上測(cè)量過程中加速度計(jì)沿南面方向的平均偏差變化的標(biāo)準(zhǔn)差的平方之和的平方根。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述指向計(jì)算包括步驟 對(duì)第一指向值和第二指向值加權(quán)；以及 將如此加權(quán)的第一指向值和第二指向值加到一起，以獲得北面方向的指向，如此確定所述加權(quán)以使有關(guān)北面方向指向的誤差的標(biāo)準(zhǔn)差減至最小。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟借助處于慣性傳感器模塊外部的檢測(cè)器檢測(cè)傳感器模塊的運(yùn)動(dòng)；以及如果檢測(cè)到這樣的運(yùn)動(dòng)則使用第二指向值作為北面方向的指向。
全文摘要
藉由慣性單元確定地理北面方向的指向的方法一種借助具有三個(gè)速率陀螺儀測(cè)量軸和三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量軸的慣性傳感器模塊來確定地理學(xué)北面方向的指向的方法，該方法包括以下步驟·使用北面尋找模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第一指向值；·使用回轉(zhuǎn)羅盤模式下來自慣性傳感器模塊的數(shù)據(jù)以獲得第二指向值；以及·通過使用所述第一指向值和所述第二指向值來確定北面方向的指向。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102257358SQ200980153002
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者Y·貝切瑞特 申請(qǐng)人:薩甘安全防護(hù)公司