确定惯性传感器方向偏移的方法和系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】确定惯性传感器方向偏移的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及确定传感器角度偏移的方法和系统。更具体地，本发明涉及但不限于确定惯性传感器相对于底盘(优选地，交通工具的底盘)的方向。
【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。
[0003]惯性传感器在许多应用中被用来测量对象的移动。例如，诸如飞机和汽车的交通工具和诸如智能电话的许多电子设备用惯性传感器来确定方向、移动和/或其它相关变量。
[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(MU)中。典型的MU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。MU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MU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頂U (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(MU);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]安装在底盘上的頂U;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。
[0046]根据下面的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[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W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τ，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(f1 )。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:
【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: 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；以及 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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一惯性传感器测量和所述第二惯性传感器测量是由惯性测量单元IMU来进行的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述IMU包括三轴加速度计。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述IMU中的任何偏置都是已知的并且被用在确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移的步骤中。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述IMU中的任何偏置都是可忽略的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，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。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，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。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，旋转估计是旋转矩阵。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，对所述旋转矩阵的估计包括计算所述旋转矩阵的最小二乘估计。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转矩阵的最小二乘估计是秩亏的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，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解。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定所述传感器相对于所述底盘的旋转的可能解的步骤包括执行特征分解。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定相对于所述底盘的所述传感器方向偏移的步骤包括消除不可能和不合理的解。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，消除不可能和不合理的解的步骤包括消除行列式为_1的解。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，消除不可能和不合理的解的步骤包括利用粗校平来消除所述底盘的仰俯和横滚。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，消除不可能和不合理的解的步骤还包括选择与最小的横滚相对应的解。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述底盘在同一位置旋转。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述底盘从所述第一惯性传感器测量的位置移动并且在旋转所述底盘之后返回到该位置。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述底盘是交通工具底盘。
20.—种被配置为确定相对于底盘的传感器偏移的系统,所述系统包括:惯性测量单元MU;以及 计算资源，其与所述MU进行通信并且包括处理器和存储器； 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: 从所述IMU获得第一惯性传感器测量； 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。
21.—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: 安装在底盘上的頂U;以及 计算资源，其与所述MU进行通信并且包括处理器和存储器；其中，所述IMU: 获得第一惯性传感器测量；以及 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； 并且其中，所述计算资源的所述处理器: 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。
22.根据权利要求20或21所述的系统，其中，所述计算资源是嵌入式系统。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的系统，其中，所述计算资源自动地确定所述底盘何时被旋转了。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的系统，其中，所述计算资源提供提示，所述提示被设置为从用户接收输入以确认所述底盘何时被旋转了。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述提示是显示器上的图形并且协助用户确定所述底盘的旋转。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的系统，其中，所述IMU包括三轴加速度计。
【文档编号】G01P21/00GK103765226SQ201280042067
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2011年9月6日
【发明者】D·杜沙, P·黛尔 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司