再校准惯性传感器的方法
【专利摘要】提供了一种优选地通过为车辆中的惯性测量单元（IMU）确定传感器偏差来再校准传感器的方法和系统。所述传感器偏差通过在所述车辆处于静止时自动地取得测量结果而被确定，并且一旦充足的测量结果已被取得了，就确定传感器偏差以再校准所述传感器。
【专利说明】再校准惯性传感器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种再校准传感器的方法。更特别地，本发明涉及但不限于通过当传感器是静止时取得传感器读数来再校准惯性传感器。
【背景技术】
[0002]在本文中对【背景技术】的参考在澳大利亚或在别处将不被解释为承认这样的技术构成公共一般知识。
[0003]惯性传感器在许多应用中被用来测量对象的移动。例如，诸如飞机和自动车辆的车辆以及诸如智能电话的许多电子装置具有惯性传感器以确定方向、移动和/或其它相关变量。
[0004]惯性传感器典型地包括:陀螺仪，其测量角度的改变速率；以及加速度计，其测量线性加速度。常常这样的传感器被共同地封装到惯性测量单元aMU)中。典型的IMU将至少包含三轴加速度计，并且常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或3轴磁强计(尽管实际上不是惯性传感器)。
[0005]惯性感测常常被用来确定对象或车辆的“姿态”(即对象或车辆相对于参考系(通常理论上完全水平的地表面)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，车辆的“姿态”的知识被要求来通过地形水平改变和波动来补偿全球导航卫星系统(GNSS)天线的移动。
[0006]在诸如自主车辆的机器控制应用中，传感器精度常常足够高以致由安装在车辆上的GNSS天线的倾斜所弓I发的偏移能够产生(例如至少与GNSS系统本身相同的数量级的)可量测的定位误差。结果，倾斜角度有时利用从由安装在车辆中的IMU所产生的传感器测量结果得出的角估计而被补偿。
[0007]对于许多惯性传感器，值得注意的是，常常用在机器控制应用中的工业级惯性传感器，存在随着温度和老化而改变的误差特性，值得注意的是传感器偏差(bias)。这些误差影响系统准确性并且典型地要求传感器被周期性地(例如每年一次)送回给制造商以用于再校准。这样的再校准是费用大的且费时的，因为它不仅要求装置被拆卸，而且要求装置被返回给制造商持续一定时间段，导致显著的停机时间。
[0008]此外，随着环境温度在一年期间波动，甚至每年校准在最小化偏差时也可能是不足的，并且因此，当传感器在该传感器被校准所针对的不同的温度范围中使用时，温度误差出现。例如，如果传感器在夏天被校准，则温度误差将可能在当环境温度较低时的冬天变得
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[0009]如果用户为了避免费用和停机时间不将装置送回给制造商以得到工厂校准，则除温度误差之外，老化引发的误差还将出现，意味着装置将随着时间的推移而丧失准确性。
[0010]特别针对温度引发的偏差帮助使传感器保持被校准的一个方法是添加温度感测组件和传感器偏差模型以估计在测量温度下的传感器偏差。然而，这增加使用传感器的装置的成本和复杂性。此外，使用这样的模型的校准常常仅包括惯性传感器在有限温度范围之上的温度变化。模型还必须随着惯性传感器老化而被更新以考虑老化引发的偏差。更新模型通常通过每年工厂校准或者通过使用附加的传感器的校准来完成。这些策略将另外的成本和复杂性添加到再校准传感器。
[0011]再校准可以通过取得在不同姿态下的测量结果并且根据测量结果确定偏差来进行，但这要求用户在每个测量之间将传感器移动到不同的姿态，这对于用户而言是不方便的。
[0012]发明目的
[0013]本发明的目的是提供一种克服或者改良上面所描述的缺点或问题中的一个或更多个或者至少提供有用的替代方案的再校准传感器的方法。
[0014]本发明的其它优选目的从以下描述将变得显而易见。
【发明内容】
[0015]根据本发明的第一方面，提供了一种确定惯性传感器偏差的方法，所述方法包括以下步骤:
[0016]使用所述惯性传感器来确定所述惯性传感器何时是静止的；
[0017]当所述传感器被确定为处于静止时，自动地获得第一惯性传感器测量结果；
[0018]当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第二惯性传感器测量结果；
[0019]当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果和所述第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第三惯性传感器测量结果；以及
[0020]使用所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果来确定所述惯性传感器偏差。
[0021]优选地，所述方法进一步包括存储多个获得的惯性传感器测量结果。优选地，确定惯性传感器偏差的步骤至少使用所述多个存储的惯性传感器测量结果的一部分。优选地，仅在预定时间段内的惯性传感器测量结果被用来确定惯性传感器偏差。可以根据所述传感器测量结果被获得的时间有多近来加权所述传感器测量结果。优选地，较旧的测量结果被给予比更新的测量结果更少的权重。优选地，加权最小二乘模型可以被利用以使用加权的惯性传感器测量结果来确定惯性传感器偏差。
[0022]优选地，确定传感器何时是静止的步骤包括确定传感器的无移动的时段并且确定传感器是否是在正常操作条件下或者至少接近于正常操作条件。优选地，当获得惯性传感器测量结果时，传感器的温度被考虑。传感器的温度可以被与所获得的惯性传感器测量结果一起存储。在传感器的温度被与惯性传感器测量结果一起存储的情况下，传感器的温度偏差可以被估计成提供更准确的惯性传感器测量结果和/或惯性传感器偏差的更准确的确定。
[0023]优选地，确定传感器何时是静止的步骤包括确定无移动持续预定时间长度的时段。优选地，自动地获得惯性传感器测量结果的步骤包括处理从惯性传感器接收到的数据。优选地，所述处理包括使用信号处理来考虑诸如振动的去除的外部因素。优选地，获得惯性传感器测量结果(包括处理从惯性传感器接收到的数据)的步骤花费在约10秒与2分钟之间，甚至更优选地在约20秒与90秒之间。[0024]优选地，所述方法进一步包括确定传感器的移动何时继续。优选地，被传感器的移动的继续中断的任何惯性传感器测量结果被丢弃。
[0025]优选地，惯性传感器是加速度计或陀螺仪。优选地，惯性传感器测量结果是从包含加速度计和/或陀螺仪的惯性测量单元(MU)获得的。优选地，加速度计至少是三轴加速计。优选地，惯性传感器测量结果是仅由重力的测量结果构成的加速度计测量结果。以替代形式，惯性传感器测量结果是仅由地球的旋转速率的测量结果构成的陀螺仪测量结果。
[0026]使用获得的惯性传感器测量结果来确定惯性传感器偏差的步骤可以使用三个以上的惯性传感器测量结果。优选地，惯性传感器测量结果中的每一个都在彼此不同的姿态下。所述方法可以包括测量在测量结果之间的在惯性传感器中的改变。
[0027]优选地，使用第一、第二以及第三惯性传感器测量结果来确定传感器偏差的步骤包括考虑三个惯性传感器测量结果、针对每个测量结果确定可能的偏差值和/或确定偏差值的交集的步骤。
[0028]优选地，确定可能的偏差值的步骤包括确定可能的偏差值的‘球’并且优选地，确定偏差值的交集的步骤包括确定三个球的交集。优选地，确定三个球的交集包括利用线性代数。优选地，确定可能的偏差值的步骤包括确定偏差值的估计。偏差值的估计优选地使用最小二乘来确定。
[0029]根据本发明的另一方面，提供了一种校准惯性传感器的方法，所述方法包括以下步骤:
[0030]根据前述方法确定传感器偏差；以及
[0031]使用所确定的传感器偏差来校准惯性传感器。
[0032]根据本发明的另一方面，提供了一种确定底盘的位置的方法，所述方法包括以下步骤:
[0033]根据前述方法确定传感器偏差；以及
[0034]使用全球导航卫星系统(GNSS)组件、惯性传感器以及所确定的传感器偏差来确定底盘的位置。
[0035]根据本发明的另一方面，提供了一种被配置成确定惯性传感器偏差的系统，所述系统包括:
[0036]包含传感器的惯性测量单元(MU);以及
[0037]与所述IMU通信并且包括处理器和存储器的计算资源；
[0038]其中，所述计算资源的存储器被编程以指示处理器:
[0039]使用传感器来确定该传感器何时是静止的；
[0040]当传感器被确定为静止时，从所述IMU自动地获得第一惯性传感器测量结果；
[0041]当传感器被确定为静止并且处于与第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第二惯性传感器测量结果；
[0042]当传感器被确定为静止并且处于与第一和第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第三惯性传感器测量结果；以及
[0043]使用第一、第二以及第三惯性传感器测量结果来确定惯性传感器偏差。根据本发明的另一方面，提供了一种校准惯性测量单元(mu)的系统，所述系统包括:
[0044]MU ;以及[0045]与所述MU通信并且包括处理器和存储器的计算资源；其中，所述MU:
[0046]当处理器使用来自所述IMU的输出确定所述MU是静止时，获得第一惯性传感器测量结果；
[0047]当处理器使用来自所述IMU的输出确定所述IMU是静止并且处于与第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，获得第二惯性传感器测量结果；以及
[0048]当处理器使用来自所述IMU的输出确定所述IMU是静止并且处于与第一和第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，获得第三惯性传感器测量结果；并且其中，所述计算资源的处理器:
[0049]从所述IMU接收第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果；
[0050]根据第一、第二以及第三惯性传感器测量结果来确定传感器偏差；以及使用所确定的传感器偏差来校准所述IMU。
[0051]优选地，所述计算资源是嵌入式系统。所述系统可以包括图形显示器，所述图形显示器可以向用户通知传感器何时被确定为静止和/或惯性传感器测量结果何时被获得。
[0052]MU优选地包括三轴加速度计。MU可以进一步包括一个或多个角速率传感器和/或2或3轴磁强计。优选地，所述系统包括包含IMU和计算资源的底盘。
[0053]一旦包括充足的惯性传感器测量结果的充足信息被获得了，就可以根据任何适合的方法来确定惯性传感器偏差。
[0054]本发明的另外的特征和优点从以下【具体实施方式】将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]仅通过示例的方式，将参考附图在下文中更全面地描述本发明的优选实施方式，其中:
[0056]图1是图示了根据本发明的方法的步骤的流程图；
[0057]图2是图示了根据本发明的方法的示例应用的图解视图；以及
[0058]图3是图示了图1中的流程图的步骤30的子步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0059]本发明一般地涉及针对惯性传感器尤其是加速度计确定传感器偏差。惯性传感器具有随着温度和时间而改变的偏差。这样的惯性传感器被用在包括车辆的许多应用中。尽管主要是参考车辆并且甚至更特别地参考陆地车辆对本发明进行描述，但是不意指由此限制并且本发明能够被应用于包括例如在电子装置中的其它实施方式，所述电子装置诸如是电子和机电工具、移动电话、控制台、游戏控制器、遥控器等。
[0060]图1图示了具有概述根据本发明的实施方式的方法的步骤(10至40)的流程图。典型地，惯性传感器将被安装在诸如车辆底盘的底盘中使得随着底盘移动，传感器随着它而移动。本发明涉及首先从确定传感器何时是静止(步骤10)开始的惯性传感器的现场再校准。典型地，传感器将是惯性测量单元(IMU)的一部分，并且传感器将使用被组合以提供IMU何时是静止的准确确定的所有IMU传感器而被确定为静止。一旦传感器被确定为处于静止(步骤10)，就针对该位置和姿态自动地获得惯性传感器测量结果(步骤20)。当传感器没有正在移动时，测量结果仅是重力的测量结果。
[0061]一旦惯性传感器测量结果被获得了(步骤20)，它就被存储(步骤30)。然后，一旦充足的惯性传感器测量结果是可用的，惯性传感器偏差就能够被确定(步骤40)。根据确定传感器偏差的优选方法(在下面被讨论)，在不同姿态下的至少三个传感器测量结果被要求。
[0062]图2图示了示例应用即具有经过路线50的车辆的农业应用的图解视图。车辆具有在其上安装有惯性测量单元aMU)的底盘。老化和温度引发的偏差影响IMU的准确性，并且因此，它需要被校准(或者再校准)。
[0063]当车辆经过路线50时，无移动的静止时段被确定。例如，在车库52启动车辆之后，车辆的驾驶员可以停止持续一定时间段以执行其它动作(例如以获得设备或者啮合牵引设备等)。一旦无移动的时段被确定(步骤10)，惯性传感器测量结果就可以自动地被获得(步骤20)并且存储(步骤30)。随着车辆继续，可以存在其它静止时段，诸如，例如当打开门54和/或当停止在现场56中(例如因为休息或者当检查某物时)。在足以获得令人满意的测量结果的无移动的每个时段，惯性传感器测量结果被自动地获得(步骤20)并且存储(步骤30)。一旦充足的惯性传感器测量结果已被获得了，就可以确定传感器偏差(步骤40)。随着时间的推移，传感器偏差可以被连续地确定并且被用附加的或替换测量结果改进。
[0064]如图3中所概述的确定传感器偏差的优选方法使用在不同姿态下的三个单独的惯性传感器测量结果(步骤100)。当包含加速度计的车辆或装置是静止时，作用于加速度计的总的力(fb)是由于重力而导致的，并且因此，如果标度、不对准、噪声以及其它误差项是已知的或者被认为可忽略的，并且测量结果中的唯一有效误差是传感器偏差(ba)，则必须满足以下约束:
[0065]I fb-ba I I =g (I)
[0066]其中g是由于重力而导致的加速度的大小。因此，对于多个任意位置，存在多个等式:
【权利要求】
1.一种确定惯性传感器偏差的方法，所述方法包括以下步骤: 使用所述惯性传感器来确定所述惯性传感器何时是静止的； 当所述传感器被确定为处于静止时，自动地获得第一惯性传感器测量结果； 当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第二惯性传感器测量结果； 当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果和所述第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第三惯性传感器测量结果；以及 使用所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果来确定所述惯性传感器偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括:存储多个获得的惯性传感器测量结果并且使用多个存储的惯性传感器测量结果中的至少一部分来确定所述惯性传感器偏差。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果在预定的时间段内被获得。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，确定所述惯性传感器偏差的步骤包括:根据所述传感器测量结果被获得的时间有多近来加权所述传感器测量结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，加权最小二乘模型被利用以使用加权的惯性传感器测量结果来确定所述惯性传感器偏差。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，确定传感器何时是静止的步骤包括:确定所述传感器的无移动的时`段并且确定所述传感器是否在正常操作条件下或者至少接近于正常操作条件。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，当获得所述惯性传感器测量结果时，所述传感器的温度被考虑。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述传感器的温度被与所获得的惯性传感器测量结果一起存储并且用来估计所述传感器的温度偏差。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，确定所述传感器何时是静止的步骤包括:确定无移动达预定时间长度的时段。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，自动地获得惯性传感器测量结果的步骤包括:使用考虑外部因素的信号处理来处理从所述惯性传感器接收到的数据。
11.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述惯性传感器测量结果是仅由重力的测量结果构成的加速度计测量结果。
12.根据权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中，所述惯性传感器测量结果是仅由地球的旋转速率的测量结果构成的陀螺仪测量结果。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，使用所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果来确定所述传感器偏差的步骤包括以下步骤:考虑三个所述惯性传感器测量结果；针对每个测量结果确定可能的偏差值；以及确定所述偏差值的交集。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，针对每个测量结果确定可能的偏差值的步骤包括针对每个测量结果来确定可能的偏差值的球，并且确定所述偏差值的交集的步骤包括确定三个球的交集。
15.一种校准惯性传感器的方法，该方法包括以下步骤: 根据权利要求1至14中任何一项来确定惯性传感器偏差；以及 使用所确定的传感器偏差来校准所述惯性传感器。
16.一种确定底盘的位置的方法，该方法包括以下步骤: 根据权利要求1至14中任何一项来确定传感器偏差；以及 使用全球导航卫星系统(GNSS)组件、所述惯性传感器以及所确定的传感器偏差来确定所述底盘的位置。
17.—种被配置成确定惯性传感器偏差的系统，所述系统包括: 包括所述传感器的惯性测量单元MU ;以及 与所述MU通信并且包括处理器和存储器的计算资源； 其中，所述计算资源的所述存储器被编程以指示所述处理器: 使用所述传感器来确定所述传感器何时是静止的； 当所述传感器被确定为 处于静止时，从所述IMU自动地获得第一惯性传感器测量结果; 当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第二惯性传感器测量结果； 当所述传感器被确定为处于静止并且处于与所述第一惯性传感器测量结果和所述第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，自动地获得第三惯性传感器测量结果；以及 使用所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果来确定所述惯性传感器偏差。
18.一种校准惯性测量单元IMU的系统，所述系统包括: IMU ；以及 与所述MU通信并且包括处理器和存储器的计算资源；其中，所述IMU: 当所述处理器使用来自所述IMU的输出确定所述IMU处于静止时，获得第一惯性传感器测量结果； 当所述处理器使用来自所述IMU的输出确定所述MU是静止的并且处于与所述第一惯性传感器测量结果不同的姿态下时，获得第二惯性传感器测量结果；以及 当所述处理器使用来自所述IMU的输出确定所述MU是静止的并且处于与所述第一惯性传感器测量结果和所述第二惯性传感器测量结果不同的姿态下时，获得第三惯性传感器测量结果； 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结果、所述第二惯性传感器测量结果以及所述第三惯性传感器测量结果； 根据所述第一惯性传感器测量结果、第二惯性传感器测量结果以及第三惯性传感器测量结果来确定传感器偏差；以及 使用所确定的传感器偏差来校准所述IMU。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述计算资源是嵌入式系统。
20.根据权利要求17至19中任何一项所述的系统，所述系统进一步包括向用户通知惯性传感器测量结果何时正被获得的图形显示器。
21.根据权利要求17至20中任何一项所述的系统，其中，所述MU包括三轴加速度计。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述IMU可以进一步包括一个或更多个角速率传感器和/或2或3轴磁强计。
23.根据权利要求17至22中任何一项所述的系统，所述系统进一步包括底盘，该底盘包括所述MU和计算资源。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述底盘是车辆底盘。
【文档编号】G01P21/00GK103782179SQ201280043406
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2011年9月8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