确定惯性传感器方向偏移的方法和系统 |
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| 申请号 | CN201280042067.0 | 申请日 | 2012-08-29 | 公开(公告)号 | CN103765226A | 公开(公告)日 | 2014-04-30 |
| 申请人 | 莱卡地球系统公开股份有限公司; | 发明人 | D·杜沙; P·黛尔; | ||||
| 摘要 | 惯性 传感器 通常相对于底盘，诸如交通工具底盘或 电子 设备底盘成一定 角 度偏移地安装。这种偏移可影响从惯性传感器获得的所述底盘的角度方向的测量。本 发明 提供了一种确定相对于底盘的传感器方向偏移的方法，所述方法是通过以下步骤进行的：获得第一惯性传感器测量；将所述底盘旋转大致180°；获得第二惯性传感器测量；然后根据这两个惯性传感器测量来确定所述偏移。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种确定相对于底盘的传感器方向偏移的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 确定惯性传感器方向偏移的方法和系统技术领域背景技术[0002] 对本文的背景技术的引用不应该被理解为承认这种技术构成澳大利亚或其它地方的公知常识。 [0004] 惯性传感器典型地包括测量角度随时间的变化速率的陀螺仪和测量线性加速度和加速度计。通常，这种传感器被一起封装到惯性测量单元（IMU）中。典型的IMU将包含至少三轴加速度计，并且通常包括一个或多个陀螺仪。IMU有时还包含用于感测地球的磁场的2轴或3轴磁力计（尽管实际上不是惯性传感器）。 [0005] 惯性传感器通常用于确定对象或交通工具的“姿态”（即，对象或交通工具相对于基准框架（通常是理论上完美的水平地面）的旋转）。在许多应用中，准确的惯性感测是关键的。例如，在精细农业中，需要知道交通工具的“姿态”以通过地面高度改变和起伏来补偿全球导航卫星系统（GNSS）天线的移动。 [0006] 在机器控制应用如无人驾驶交通工具中，通常，传感器精度高得足以使得安装在车辆上的GNSS天线的倾斜所引起的偏移可产生能测量到的定位误差（例如，至少与GNSS系统本身的数量级相同的误差）。结果，有时使用从安装在车辆中的IMU产生的传感器测量获得的角估计来补偿倾斜角。 [0007] IMU内的惯性传感器正常情况下被安装成正交构造并且在传感器框架（即，固定于传感器轴的坐标系）中产生测量，而天线相对于交通工具的位置在交通工具框架（即，附于车辆上的固定点的坐标系）中通常是已知的。因此，除非传感器框架与交通工具框架精确对准，否则在传感器框架和交通工具框架之间存在固定的角度偏移。 [0008] 典型地，想要估计交通工具的姿态并因此需要交通工具框架和传感器框架之间的角度偏移。在制造者安装了IMU的应用中，可通过设计图来确定传感器框架和交通工具框架之间的角度偏移。然而，在交通工具制造之后改装了IMU（例如，由导向设备的第三方供应商进行改装）的应用中，IMU必须被安装成使传感器轴与车辆精确对准，或者作为安装程序的一部分，必须测量角度偏移。 [0009] 将传感器轴与交通工具轴对准造成对于设备可安装在交通工具内的什么位置产生了显著的限制。例如，它可以被安装到平地或墙壁上。然而，这种对准的位置可能不适于或不便于安装该设备。此外，如果设备没有精确地垂直于交通工具安装，则会导致测量误差。 [0010] 如果设备被安装在与交通工具轴没有对准的表面上，则可用物理方式测量角度偏移。然而，这需要使用专业设备诸如经纬仪来进行高精度测量，这不仅耗时，而且对于许多安装而言是不切实际的，尤其在终端用户安装设备的情况下。 [0011] 发明目的 [0012] 本发明的目的在于提供一种确定传感器偏移的方法和系统，其克服或改善了上述缺点或问题中的一个或多个，或者至少提供了可用的替代方式。 [0013] 根据下面的描述，本发明的其它优选目的将变得清楚。 发明内容[0014] 根据本发明的一方面，提供了一种确定相对于底盘的传感器方向偏移的方法，所述方法包括： [0015] 获得第一惯性传感器测量； [0016] 将所述底盘旋转大致180°； [0017] 获得第二惯性传感器测量；以及 [0018] 利用所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量来确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移。 [0019] 优选地，由惯性测量单元（IMU）来进行所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量。优选地，所述IMU包括至少三轴加速度计。优选地，所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量仅由重力测量构成。 [0020] 优选地，确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移的步骤包括估计所述第一惯性传感器测量与所述第二惯性传感器测量之间的旋转。所述旋转的估计优选地是旋转矩阵。 [0021] 优选地，确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移的步骤包括确定所述传感器相对于所述底盘的旋转的可能的解和/或消除不可能和不合理的解。另选地，确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移的步骤可包括确定可行解的区域并且从该区域内选择解或者从旋转估计直接确定相对于所述底盘的最合情理的传感器方向偏移。 [0022] 优选地，所述IMU中的任何偏置都是可忽略或已知的。 [0023] 优选地，所述底盘（优选地，交通工具底盘）在同一位置旋转或者在旋转底盘以便进行第二惯性传感器测量之后返回到第一惯性传感器测量的位置。所述方法可包括测量在所述第一惯性传感器测量与所述第二惯性传感器测量之间所述底盘的旋转。测量在所述第一惯性传感器测量与所述第二惯性传感器测量之间所述底盘的旋转可包括使用偏航传感器和/或人工测量所述旋转。 [0024] 优选地，估计所述第一惯性传感器测量与所述第二惯性传感器测量之间的旋转矩阵的步骤包括计算所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量之间的旋转矩阵的最小二乘估计。所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量之间的旋转矩阵的最小二乘估计可以是秩亏的。 [0025] 优选地，确定所述传感器相对于所述底盘的旋转的可能的解包括执行所估计的旋转矩阵的特征分解。 [0026] 优选地，消除不可能和不合理的解的步骤包括消除行列式为-1的的解。优选地，消除不可能和不合理的解的步骤还包括使用粗校平来消除所述底盘的仰俯和横滚。优选地，消除不可能和不合理的解的步骤甚至还包括选择剩余的合理的解。选择剩余的合理的解可包括选择与最小的横滚相对应的解。 [0027] 优选地，所述底盘位于用于第一惯性传感器测量和第二惯性传感器测量的大体平坦表面上。所述大体平坦表面可以与完全平坦或地面成一定角度。可在不知道所述大体平坦表面相对于完全平坦地面的角度的情况下确定传感器方向偏移。 [0028] 根据本发明的另一方面，提供了一种被配置成确定相对于底盘的传感器偏移的系统，所述系统包括： [0029] 惯性测量单元（IMU）；以及 [0030] 计算资源，其与所述IMU进行通信并且包括处理器和存储器； [0031] 其中，所述计算资源的所述存储器被编程为指示所述处理器： [0032] 从所述IMU获得第一惯性传感器测量； [0033] 在所述底盘被旋转了大致180°之后从所述IMU获得第二惯性传感器测量；以及[0034] 利用所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量来确定相对于所述底盘的所述传感器偏移。 [0035] 根据本发明的另一方面，提供了一种确定相对于底盘的传感器方向偏移的系统，所述系统包括： [0036] 安装在底盘上的IMU；以及 [0037] 计算资源，其与所述IMU进行通信并且包括处理器和存储器；其中，所述IMU： [0038] 获得第一惯性传感器测量；以及 [0039] 在所述底盘被旋转了大致180°之后获得第二惯性传感器测量； [0040] 其中，所述计算资源的处理器： [0041] 从所述IMU接收所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量；以及[0042] 利用所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量来确定相对于所述底盘的所述传感器偏移。 [0043] 优选地，所述计算资源是嵌入式系统。所述计算资源可自动地确定所述底盘何时被旋转了，或者，另选地，所述计算资源可提供提示，所述提示适于从用户接收输入，以确认所述底盘何时被旋转了。所述提示可以是显示器上的图形并且可协助用户确定所述底盘的旋转。 [0044] 所述IMU可包括三轴加速度计。所述IMU还可包括一个或多个角速率传感器和/或2轴或3轴磁力计。所述系统优选地还包括与处理器连接的全球导航卫星系统（GNSS）组件。可利用来自GNSS组件的输出来帮助确定相对于底盘的传感器方向偏移。GNSS组件优选地包括GPS接收器。 [0045] 可根据上述方法确定相对于底盘的传感器方向偏移。 [0047] 仅以示例的方式，下文中，将参照附图更充分地描述本发明的优选实施方式，其中： [0048] 图1是示出根据本发明的方法的步骤的流程图； [0049] 图2是示出图1中的流程图的步骤130的子步骤的流程图。 具体实施方式[0050] 本发明总体上涉及确定相对于底盘的传感器方向偏移。传感器在进行测量时几乎一直以相对于底盘成一定角度来安装。即使当传感器在底盘中相对笔直和水平地安装时，也有可能存在至少小的偏移。该偏移可被表达为旋转矩阵 其包括传感器相对于底盘的偏航（yaw）、仰俯（pitch）和横滚（roll）值，在示例实施方式中，所述底盘是交通工具底盘。 [0051] 底盘被视为是诸如交通工具或电子装置的制品的框架、主体或平面。尽管本发明是主要参照交通工具描述的，甚至更具体地是参照地面交通工具描述的，但并意味着局限于此，本发明可应用于其它底盘，包括（例如）电子设备诸如电子和机电工具、移动电话、控制台、游戏控制器、远程控制器等中的底盘。 [0052] 尽管在优选实施方式中在确定传感器方向偏移时使用的是旋转矩阵，但应该理解，可利用旋转的其它表现方式，包括（例如）欧拉角（Euler angle）、四元法和轴角度。 [0053] 图1示出了具有概述根据本发明的实施方式的方法的步骤（110至130）的流程图。通过收集并处理来自通常位于惯性测量单元（IMU）中的一个或多个传感器的数据，获得第一惯性传感器测量 在优选实施方式中，IMU将是包括计算资源的导航系统的一部分，所述计算资源通常包括处理器和存储器。在交通工具处于静止时，系统接收传感器数据。 [0054] 对于静止的交通工具，加速度计传感器将测量如下： [0055] [0056] 其中， 是主体框架中的特定力测量， 是从导航（局部水平）框架至传感器框架的旋转，fn=[0 0 -g]T是导航框架中的重力向量，ba是加速度计偏置，ε是测量时的非固定扰动。 [0057] 典型地，使用信号处理来处理传感器数据，以确定该位置处的特定力的估计。特定力的估计包括进行信号处理，以考虑其它因素，诸如（例如）去除发动机振动（如果发动机正在运行）或其它干扰。经处理的特定力的估计导致第一惯性传感器测量 [0058] 然后，将底盘（在这种情况下，交通工具底盘）旋转180°（步骤110）。在优选实施方式中，一旦在第一点收集到了足够的数据，系统就提示用户将底盘转动大约180°。一些交通工具诸如挖掘机可能能够在同一点转动180°。然而，其它交通工具必须被驱动，从而面对另一方向返回到该位置。在这种情况下，定位设备诸如GPS可能能够协助用户返回同一位置。 [0059] 一旦旋转了180°，就通过从传感器收集数据而获得第二惯性传感器测量像第一惯性传感器测量 一样，使用信号处理来处理传感器数据，以确定导致第二惯性传感器测量 的特定力的估计。 [0060] 图2更详细地示出了图1的步骤130。首先，在步骤132中，考虑第一传感器测量和第二传感器测量。考虑到上述的等式（1），第一测量和第二测量与重力的关系是： [0061] [0062] [0063] 是从导航（局部水平）框架至传感器框架的旋转，可被分解成两个部分： 和是从交通工具框架至传感器框架（期望值）的旋转，而 是从导航到交通工具框架（即，交通工具的姿态）的旋转。因此， 可被表达为： [0064] [0065] 等式（4）可以被代入等式（2）和（3）： [0066] [0067] [0068] 当IMU被安装在交通工具中的固定位置时，对于 而言，第一传感器测量和第二传感器测量之间没有旋转变化。因此： [0069] [0070] 使用等式（7），等式（5）可被重写为包括 [0071] [0072] 并且由于第二次测量时交通工具框架至导航框架的旋转 与第一次测量时由于交通工具底盘每次测量的旋转 而进一步旋转的交通工具底盘框架至导航框架的旋转 是相同的（假设是在同一位置进行测量，因此，对于不同的测量，导航框架是恒定的），因此等式（8）可被重写为： [0073] [0074] 因为已知各测量 中交通工具框架的旋转是180°的动作，所以它可被表示为： [0075] [0076] 注意的是，是交通工具而不是地形（terrain）绕其z轴旋转，尽管二者在完全平坦的地面上将是一致的。 [0077] 求解等式（9）中的 代入等式（5），假设ε1≈0且ε2≈0，得到： [0078] [0079] 出于确定偏移的目的，可假设ba≈0，因此，下面的交通工具动作之间的关系是： [0080] [0081] [0082] 其中， 它代表第一传感器测量与第二传感器测量之间的旋转矩阵形式的旋转。R既是特定正交矩阵（SO(3)）又是对称矩阵，可利用其属性来估计R（图2的步骤134），R可如下地被表达为3×3矩阵： [0083] [0085] 由于R=R，因此还可以表达为： [0086] [0087] [0088] 看上起是用6个未知数产生6个等式，但用等式（15）构造的最小二乘估计只是秩-15，因此，需要进一步约束。 也是类似的变换（即，形式为B=P AP），因此，保留矩阵的迹并且最终约束可被确定为： [0089] R11+R22+R33=-1 （17） [0090] 用等式（15）和（17）将R的线性最小二乘估计构造为： [0091] Ax=b （18） [0092] 其中， [0093] [0094] x=[R11 R12 R13 R22 R23 R33]T （21） [0095] 一旦估计出了R，就进行下一步骤，以确定传感器方向相对于交通工具底盘的旋转的可能解 任何对称矩阵诸如： [0096] [0097] 都具有特征分解，为了从R的估计提取 可利用该特征分解，该特征分解的形式是： [0098] A=QΛQT （23） [0100] 因此，由 的特征值形成的对角矩阵是它本身，从而导致R的特征分解被以匹配的方式布置时提供了 的可能解的集合。由于Q中的特征值不是唯一的，因此都可被乘以-1并且仍然保持正交性，从而导致8个可能的解。 [0101] 通过消除过程将不可能和不合理的解消除（步骤138）。首先，尽管Q具有±1的行列式，但是特定正交矩阵的行列式必须是+1，因此，可将行列式为-1的解的一半消除。在剩下的四个解中，只有仰俯和横滚（偏航将是模糊的）的两个独特对对应于“双绞”解。 [0102] 重排等式（2）： [0103] [0104] 可使用粗校平（coarse leveling）来确定交通工具（即，）的仰俯和横滚的估计。假设偏置和噪声小： [0105] 仰俯： [0106] 横滚： [0107] 双绞解中的一个将对应于期望解人另一个将对应于不合理的情形，比如，交通工具“悬于屋顶上”，因此，具有最小绝对横滚的解对应于物理可能解。 [0108] 作为确定解然后消除不可能和不合理的解的替代方式，可首先确定可行解的区域，然后可从该范围内确定期望解。所描述的方法的替代方法是用旋转估计来直接确定最合理的解。 [0109] 利用传感器测量 准确地确定期望角度偏移的两个自由度，即，横滚和仰俯。可容易用其它传感器（如果可用的话）或者另选地通过人工输入，确定偏航（绕垂直轴的旋转）。例如，可利用示出具有两个自由度的装置的图形显示并且用户能可视地将装置绕垂直方向旋转，以输入第三自由度。 [0110] 有利地，在传感器偏置ba非常小或是已知的情况下，如在IMU是在校准程序（例如，工厂校准）之后被安装的情况一样，根据本发明的方法允许具有IMU的装置被以任何方向安装在底盘内，然后，借助简单的180°旋转动作，确定IMU的方向，以校正相对于底盘的传感器方向偏移。这样就不需要将具有IMU的装置与底盘正交地或者针对将测量和人工输入的安装方向来安装。 [0111] 因为不必将具有IMU的装置与底盘正交地安装，所以为装置提供了明显更多的安装选择。例如，它可被安装在倾斜的墙壁上，或者安装在公路交通工具的主体（诸如，例如轮罩拱）的任一部分上。此外，因为确定了准确方向，所以消除了之前因没有使装置完美正交地安装而引入的任何误差。 [0112] 因为不必在安装之后人工测量该装置相对于底盘的方向，所以还降低了成本（尤其是人工成本）和停工时间。此外，不需要专业设备并且安装位置不限于必须能够从外部进行测量的位置。 [0113] 在本说明书中，诸如第一和第二、左和右、顶和底等的形容词可只用于将一个元件或动作与另一个元件或动作区分开，而不一定要求或意味着任何实际的这种关系或次序。如果上下文允许，应用整体或组件或步骤（等）将不被解释为只限于整体、组件或步骤中的一个，而是可以是该整体、组件或步骤等中的一个或多个。 [0114] 对于相关技术中的普通技术人员而言，以上对本发明的各种实施方式的描述是出于描述目的提供的。它不旨在是穷尽地或者将本发明限于单个公开的实施方式。如以上提到的，以上教导的领域中的技术人员将清楚本发明的众多替代形式和变形形式。因此，虽然已经具体讨论了一些替代实施方式，但其它实施方式将是清楚的或者相对容易由本领域的普通技术人员开发出来。本发明旨在涵盖本文已经讨论的本发明的所有替代形式、修改形式和变形形式和落入以上描述的本发明的精神和范围内的其它实施方式。 [0115] 在本说明书中，措辞“包括”或类似措辞旨在表示非排他性的包括，使得包括一列元素的方法、系统或设备不只包括这些元素，而是也可包括未列出的其它元素。 |
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