将多个滤波器用于增强型便携式导航的方法和装置的制造方法
【专利说明】将多个滤波器用于增强型便携式导航的方法和装置
相关申请的交叉引用
[0001 ]本申请要求优先权来自于和受益于2014年9月3日提交的序列号为62/045,422的题目为“将多个滤波器用于增强型便携式导航的方法和装置”美国临时专利申请，该临时专利申请的内容在此引入作为参考。
技术领域
[0002]本发明涉及一种通过使用多个滤波器来增强一个平台(例如人，汽车，或船)上的装置的导航解决方案的方法和设备，其中装置的可移动性可以被平台限制或不被限制，且其中该装置可以被倾斜至任意方向且仍提供无缝导航。
【背景技术】
[0003]平台的惯性导航是基于包含传感器的装置中的惯性传感器(例如，加速度计，陀螺仪)测量的特定力和角速率并在一个能运动的平台上进行定位。在传统系统中，装置被束缚在平台上。来自装置的测量值可以用于确定装置和/或平台的位置，速度和姿态。
[0004]传统惯性导航系统典型性的需求是对平台内的惯性传感器的对准(S卩，对包含传感器的装置与平台航向、横向和纵轴的对准)。当惯性传感器没有被正确的对准时，使用惯性传感器测量值计算出的位置和姿态将不能代表平台状态。同样地，为了获得高精度导航解决方案，惯性传感器必须被束缚在平台之内，且需要把装置仔细装载在平台内。
[0005]但是，便携式导航装置(或可导航装置)能够移动，不管它是否限制在平台内(例如人，汽车，或任何类型的船)，和把装置仔细安装或束缚平台内都不是一个选择。
[0006]因为可导航装置(例如，移动/智能手机)变得越来越普遍，它们装备具有高灵敏度辅助全球定位系统(AGPS)芯片集，芯片集具有即使在卫星信号不清晰的环境中也能提供平台(例如，用户)绝对位置的能力。在AGPS信息单独不够的环境中，比如纵深的室内，或挑战闹市导航或定位，一个可能的解决方案是结合手机信号塔标示或，如果可能，手机信号塔的三角测量定位(其中AGPS解决方案不可用)。尽管这两种已知定位方法可用在许多移动设备中，精确室内定位仍是一个挑战且不能满足目前基于位置服务(LBS)的精度要求。另外，这些方法仅仅提供了平台绝对航向，但没有对装置航向的任何信息。
[0007]移动导航装置(例如，移动/智能手机)可配置微机电系统(MEMS)传感器，其主要用于屏幕控制和娱乐应用。由于高噪声，大随机漂移率，和经常改变装置相对于平台的方位，这些传感器并没有被广泛用于导航目的。
[0008]移动装置也可配置磁强计，且在一些情况下，显示使用加速度计和磁强计的导航解决方案是可能的，如果用户足够仔细使得装置相对它们身体保持一个特定方位，比如当校准磁强计之后在用户身前仔细拿着。
[0009]但是，需要一种提供导航解决方案的方法，其可以精确使用平台内导航装置的测量值，且由此确定装置/平台的导航状态，而不用限制在平台上(即，在室内或室外环境)或平台内装置的可移动性。对平台位置和姿态的估计可依赖于装置的使用(例如，在导航中用户拿着或移动装置的方式)。还需要一种方法，其可允许装置在任意方向上倾斜而且还能提供性能不下降的无缝导航信息。
[0010]需要增强平台内装置的解决方案的方法和装置，其中装置的移动性可以限制或不限制在平台内，且其中装置可以在任意方向倾斜而仍提供无缝导航。
【发明内容】
[0011]本方法和装置运行第一滤波器来提供导航解决方案，还运行至少一个第二滤波器，其提供要用于第一滤波器中的值来增强导航解决方案。
[0012]本发明涉及一种通过使用至少两个滤波器来增强一平台(例如人，汽车，或船)内的装置的导航解决方案的方法和装置，其中装置的可移动性可以被限制在或不被限制在该平台内，和其中该装置可以倾斜至任意方位而仍能提供无缝导航解决方案且同时所述导航解决方案的性能不下降。
[0013]本方法可以用于一种使用来自该装置内的传感器(例如，加速度计，陀螺仪，磁力计，气压计等)的测量值(读数)的导航解决方案，而不管绝对导航信息(例如，全球导航卫星系统(GNSS)或WiFi定位)是否出现。
[0014]本装置包括能提供传感器读数的传感器，所述传感器具有传感器轴的相应的坐标系(frame)。
[0015]不管有没有绝对导航信息，都可以使用本方法和装置。
[0016]在一些实施例中，至少一个第二滤波器提供要用于第一滤波器中的值来增强导航解决方案，而不是取用来自第一滤波器的那些值，来避免双反馈问题，其可使性能恶化或使其不稳定。在这些实施例的第一组中，第二滤波器提供航向角，其可在航位推算解决方案(例如行人航位推算、汽车航位推算、或自行车航位推算)中被单独使用或与其他量(例如通过单独的技术估计的航向偏差)一起使用，其转而向第一滤波器提供测量值更新来增强导航解决方案。在这些实施例的第二组中，第二滤波器提供航向角以便计算装置和平台之间的航向偏差，这是通过从第二滤波器航向中减去来自绝对导航信息(当可用时)中的平台航向而实现的；第一滤波器使用计算出的航向偏差来增强导航解决方案。在这些实施例的第三组中，第二滤波器提供要由第一滤波器使用的横滚和俯仰角来增强导航解决方案。在实施例的第三组中实现这一点的一个方法是，第二滤波器提供横滚和俯仰，其要被用于计算在装置坐标系和平台坐标系之间的转换矩阵，其转而被第一滤波器用来增强该导航解决方案。航向偏差，不管是由单独的技术还是由上面实施例的第二组估计的，都可以与横滚和俯仰偏差一起使用，以形成在装置坐标系和平台坐标系之间的转换矩阵。在实施例的第四组中，可以使用以上三组实施例的组合。
[0017]在一些实施例中，至少一个第二滤波器提供要用于第一滤波器中的值来增强导航解决方案，这是通过在第一滤波器为了具有更好的初始化或重新初始化而初始化或重新初始化之前提供这些值而实现的，这转而增强导航解决方案。这发生在第一滤波器进入导航阶段之前正处于对准阶段的时候(即，第一滤波器在对准阶段初始化或重新初始化以进入导航阶段)。在这些实施例的第一组中，第二滤波器在第一滤波器初始化或重新初始化之前提供横滚和俯仰角，以使第一滤波器具有更好的初始化或重新初始化。在这些实施例的第二组中，至少第二滤波器具有多个滤波器以便确定在装置和平台之间的初始偏差。初始偏差可以是初始航向偏差。在这些实施例的第三组中，可以使用以上两组实施例的任意组合。如这里所用的，初始化可以包括重新初始化。
[0018]在一些实施例中，至少一个第二滤波器提供要在第一滤波器中使用的值来增强导航解决方案，这通过可能在一超时之后提供那些值来实现，假使在该超时周期期间至少第二滤波器和具有不同假定的第一滤波器同时运转的话。当一个特定现象发生时，该超时周期开始，这涉及某些与导航解决方案有关的模糊度。在超时周期结束时，做出关于更准确的假定的决定;假如第一滤波器的假定是更准确的，那么这个滤波器继续运转且任何其他滤波器可以去除，否则，至少第二滤波器中的一个具有最准确的假设并且将提供其所有值来完全覆盖(override)第一滤波器，然后被覆盖的第一滤波器将运转并且所有其他滤波器将被去除。
[0019]可以理解，可以使用上文实施例中的任一个，或者单独使用或者组合使用。
[0020]大致的说，在一些实施例中，使用多个滤波器的方法和装置增强在平台内的装置的导航解决方案，所述装置具有能提供传感器读数的传感器，其中装置的可移动性可以被限制在平台内或不被限制在平台内，和其中装置可以倾斜至任意方位而且所述导航解决方案的性能并不下降，如本文所定义的方法。
【附图说明】
[0021]图1示出了装置的量测轴(a)，一个实施例中的设备和平台，其中平台是人(b)或汽车(c);
[0022]图2示出了本方法一个实施例的框图；
[0023]图3示出了本方法一个实施例的框图；
[0024]图4示出了本方法一个实施例的框图；
[0025]图5示出了本方法一个实施例的框图；
[0026]图6示出了本方法一个实施例的框图；
[0027]图7示出了本方法一个实施例的框图；
[0028]图8不出了本方法一个实施例的框图；和
[0029]图9是根据一个实施例用于增强导航解决方案的便携装置的示意图。
【具体实施方式】
[0030]—开始，可以理解，本发明并不限制在特定示例性材料，架构，程序，方法或结构，因为它们可以改变。因此，尽管许多选项，与本文描述的这些相似或等价，都可以用于实际或本发明实施例，这里只描述了优选材料和方法。
[0031]还可以理解，本文所用术语仅仅处于描述本发明特定实施例的目的，且并不试图成为限制。
[0032]下面与附图有关的详细描述意图作为本发明示例性实施例的描述，和并不试图代表仅有的本发明可实施的示例性实施例。用于整个描述的术语“示例性的”意思是“作为一个例子，实例，或例证”，和不必要被限制为比其他示例性实施例优选或有优势的。详细描述包括详细细节，为了提供说明书示例性实施例的完全理解。对于本领域技术人员是显而易见的，说明书的示例性实施例可以没有这些详细细节来进行实施。在一些例子中，已知结构和装置以框图的形式被显示，为了避免模糊本文提出的示例性实施例的新颖性。
[0033]仅仅为了方便和清楚，方向性的术语，比如顶，底，左，右，上，下，越过，上面，下面，下方，后方，后面，和前面，都可参照附图或芯片实施例来使用。这些和相似的方向性术语不能以任何方式限制本发明的范围。
[0034]在这个说明书和权利要求书中，可以理解，当一个元件被称为被“连接至”或“親合至”另一个元件时，它可以被直接连接至或親合至另一个元件或可出现的中间元件。相反，当一个元件被称为被“直接连接至”或“直接耦合至”另一个元件时，没有中间元件出现。
[0035]接下来的详细描述的一些部分可以在程序，逻辑块，处理和其他对计算机存储器内数据位的操作的符号表示中呈现。这些描述和表示是本领域技术人员在数据处理领域使用的方法，来把它们的工作内容最有效的传达给其他本领域技术人员。在本发明应用中，程序，逻辑块，处理或类似，被构想为导致预期结果的步骤的有条理的顺序或指令。这些步骤是那些物理量的需要物理操作器。通常，尽管不必要，这些量表现为能被存储、传输、组合、比较、和其他在计算机系统中的操作的电或磁信号形式。
[0036]然而，应该被铭记，所有这些和相似术语与适当物理量相关且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非特别说明，否则下面讨论中很显然，在本申请中可意识到，使用如“访问，，、“接收”、“发送”、“使用”、“选择”、“确定”、“归一化”、“乘”、“平均”、“