用于使用经校正偏航偏差值来导航的系统及方法
【专利摘要】本发明揭示一种用于使用速度传感器及偏航率传感器来导航的方法，所述方法包含：针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离。所述方法还包含：选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值；将所述选定误差参数值施加到来自所述偏航率传感器的数据；及基于来自所述速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
【专利说明】用于使用经校正偏航偏差值来导航的系统及方法
【技术领域】【背景技术】
[0001]现代用户依靠启用全球导航卫星系统(GNSS)的个人导航装置(PND)或其它配备GNSS的电子装置(例如移动电话)来在处于运动中时导航。因此，用户需要宽范围的导航情景中的高准确度。然而，有效基于GNSS的导航在其中阻碍信号发射的区域(例如车库、室内建筑物)中或在其中(尽管在室外)因由周围建筑物所形成的人造峡谷而降低信号发射的所谓的“城市峡谷”中被降低。
【发明内容】
[0002]涉及一种用于使用速度传感器及偏航率传感器来导航的方法的实施例在很大程度上解决了上文所述的问题，所述方法包含:针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离。所述方法还包含:选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值；将所述选定误差参数值施加到来自所述偏航率传感器的数据；及基于来自所述速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
[0003]其它实施例涉及一种导航系统，其包含速度传感器、偏航率传感器、误差参数引擎及导航引擎。所述误差参数引擎用以针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离，及选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值。所述导航引擎用以将所述选定误差参数值施加到来自所述偏航率传感器的数据，及基于来自所述速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
[0004]仍其它实施例涉及一种非暂时性计算机可读媒体，其含有在由处理器执行时致使所述处理器进行以下操作的指令:针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离；选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值；将所述选定误差参数值施加到来自偏航率传感器的数据；及基于来自速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]现在将参考附图做出本发明的示范性实施例的详细说明，在附图中:
[0006]图1a展示根据各种实施例的示范性导航系统的框图；
[0007]图1b展示根据各种实施例的示范性导航平台的框图；
[0008]图2展示根据各种实施例的示范性图形表示；
[0009]图3a及3b展示根据各种实施例的示范性停车场几何形状；
[0010]图4展示根据各种实施例的示范性导航平台的框图；且[0011]图5展示根据各种实施例的方法的流程图。
[0012]符号及命名
[0013]在以下说明及权利要求书通篇中使用特定术语来指代特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，公司可用不同名称来指代组件。此文档并不打算在名称而非功能不同的组件之间进行区分。在以下论述中及在权利要求书中，术语“包含(including)”及“包括(comprising)”以开放式方式而使用且因此应解释为意味着“包含但不限于…”。此外，术语“稱合(couple或couples) ”打算意味着间接电连接或直接电连接。因此,如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接。
【具体实施方式】
[0014]以下论述涉及本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一者或一者以上可是优选的，但所揭示的实施例不应解释为或以其它方式使用为限制本发明的范围(包含权利要求书)。另外，所属领域的技术人员将理解，以下说明具有广泛应用且任何实施例的论述仅意味着是所述实施例的示范性，且并不打算暗示将本发明的范围(包含权利要求书)限制于所述实施例。
[0015]个人电子装置(例如蜂窝式电话、个人数字助理(PDA)、个人导航装置(PND)等等)可包含提供加速度计及陀螺仪数据的微机电系统(MEMS)传感器，所述数据可在缺少全球导航卫星系统(GNSS)信号的情 况下用于使用航位推测法来导航。航位推测法通过使用先前所确定位置(例如，使用GNSS)及基于已知或所估计速度及偏航率(即，由MEMS传感器所计算的那些速度及偏航率)来推进先前位置而计算当前位置。然而，MEMS传感器校准质量是不高的且因此随时间的传感器偏移(明确地说，陀螺仪传感器的偏航偏差)影响基于来自所述传感器的数据的导航，此产生其中有意义的航位推测法导航是可能的有限时间量。基于MEMS传感器的航位推测法导航是可接受地准确的时间可大约小于一分钟。
[0016]个人电子装置可与基于车辆的(例如，基于汽车的)传感器(例如，经由车载诊断(OBD)或控制器区域网络(CAN)接口)通信，所述基于车辆的传感器包含较高质量的车辆速度及陀螺仪传感器。汽车传感器可类似地用于航位推测法导航且由于其的较高质量，因此在传感器偏移不利地影响基于来自汽车传感器的数据的导航之前，保持准确达较长时间周期。然而，甚至在汽车传感器的情形中，陀螺仪传感器的偏航偏差(举例来说，以偏移的度/秒为单位所测量)可在特定时间周期内产生大航向误差。作为此偏航偏差的结果，基于传感器的航位推测法导航是可接受地准确的时间可大约小于两分钟。在上述情形两者中，航位推测法导航的长周期对偏航偏差中的甚至小误差也是敏感的。举例来说，0.1度/秒的未计及偏航偏差在10分钟内产生60度航向误差。因此，根据本发明的各种实施例，将盲估计技术应用于来自传感器的数据以校正传感器偏差值。
[0017]根据各种实施例，由于沿几个方向横穿大部分距离的事实，因此在例如多层停车场的区域中可能做出导航。在此些区域中，由于GNSS信号难以接收，因此需要高质量的航位推测法导航性能。此处所揭示的技术还可用于在其它情景中的导航，例如其中上文所提及的性质可能为真的“城市峡谷”。
[0018]现在转到图la，根据各种实施例展示导航系统100。导航系统100展示为包括汽车传感器102，所述汽车传感器包含车辆速度传感器104及陀螺仪传感器106。车辆速度传感器104可基于车辆的车轮中的一者或一者以上的旋转速率而测量相关联车辆的速度。陀螺仪传感器106测量车辆的偏航率以确定车辆相对于初始方向的方向。如上文所阐释，在与车辆(未展示)相关联的GNSS装置不接收足以产生导航信息的GNSS信息的情况中，在航位推测法导航的短周期内可使用由传感器104、106所产生的数据。汽车传感器102展示为耦合到通信接口 108，所述通信接口可包括如此项技术中已知的无线或有线接口。
[0019]导航系统100还包括个人电子装置110。个人电子装置110可是旅客的蜂窝式电话、PDA或类似物。另外，在一些实施例中，个人电子装置110可是存在于一些车辆中的内置导航系统。个人电子装置包括通信接口 112，所述通信接口可以通信方式耦合到通信接口108，使得可在汽车传感器102与个人电子装置110之间交换数据。通信接口 112类似地包括如此项技术中已知的与通信接口 108兼容的无线或有线接口。个人电子装置110可还包括加速度计114及陀螺仪传感器116。加速度计114可耦合到基于所测量加速度而确定速度值的处理元件。陀螺仪传感器116可类似于陀螺仪传感器106。如上文所阐释，传感器114、116的校准质量可较差且因此传感器114、116易于随时间漂移。根据各种实施例，个人电子装置110还包括导航平台118。
[0020]图1b进一步详细展示导航平台118的实施例。导航平台118包含偏航偏差引擎120及导航引擎122。另外，数据储存库124可耦合到偏航偏差引擎120及导航引擎122。偏航偏差引擎120接收来自传感器104、106、114、116中的一者或一者以上的传感器数据，且基于所述传感器数据而计算随用于若干可能偏航偏差值(例如，从-0.1度/秒到0.1度/秒的0.01度/秒步长)的方向而变的行进的距离。从传感器104、106、114、116所接收的数据可存储于偏航偏差引擎120存取的数据储存库124中。在一些实施例中,偏航偏差引擎120可应用预处理步骤来将所有行进方向映射到(举例来说)0度到90度。此称为“围包”函数，下文将进一步详细阐释所述“围包”函数。
[0021]根据各种实施例，偏航偏差引擎120选择使沿行进方向中的一者或一者以上所行进的距尚最大化的偏航偏差值。所述选定偏航偏差值是“正确”(或最佳估计)偏航偏差值，这是因为所行进的大部分距离(例如，在停车场中)将是沿用于Θ的相对几个值的围包(Θ)的方向。举例来说，在矩形停车场中，小汽车可沿O度、90度、180度及270度的方向行进；对于Θ的这些值中的每一者，围包(Θ)为O。因此,在预处理适于施加围包函数的情况中，随用于正确偏航偏差值的方向而变的行进的距离的所得计算在θ =O时将具有大值。然而，不正确偏航偏差值将不产生沿行进方向中的一者或一者以上所行进的距离的相同最大化。
[0022]在本发明中，尽管通常称为计算沿特定方向所行进的距离，但可是以下情形:实际上针对以特定方向为中心的行进的小间隔来计算所行进的距离。举例来说，将行进方向划分成“格段”可简化偏航偏差引擎120的计算复杂性，下文将进一步详细阐释所述格段。另夕卜，由于车辆的人为操纵中的自然变化，因此甚至在沿大体上笔直路径行进期间，车辆也可偏离精确航向。
[0023]转到图2，根据各种实施例展示随用于偏航偏差的变化值的方向而行进的距离的多个曲线的示范性图形表示200。如所展示，将围包函数施加到行进方向，且曲线图200展示在X轴上各自对应于围包(Θ)的所得值的子集的“格段”的群组。曲线202展示为相对于其它曲线204具有至少两个明显峰值。如上文所阐释，与曲线202相关联的偏航偏差值是正确偏航偏差值，这是因为以格段14中发现的航向行进的距离是最大化的。其它曲线204中没有一者显示沿特定航向所行进的距离的此最大化，且因此与其它曲线204相关联的偏航偏差值不是对偏航偏差的良好估计。
[0024]返回参考图lb，导航引擎122可将由偏航偏差引擎120所选择的偏航偏差值施加到从陀螺仪传感器106、116中的一者或一者以上所接收的数据。导航引擎122还可基于来自传感器104、106、114、116的具有所施加偏航偏差值的数据使用航位推测法来导航。导航信息可经由个人电子装置110上的图形用户接口(未展示)、车辆中的车载显示器或类似物而显示。
[0025]根据各种实施例，一旦从传感器104、106、114、116集聚一定量的数据(例如,其中所述数据至少暂时地存储于数据储存库124中)，偏航偏差引擎120便可应用上文所描述的盲估计技术。举例来说，如上文所阐释，MEMS传感器114、116或汽车传感器104、106保持准确达至少约一分钟，从而使得能够在由偏航偏差引擎120应用盲估计技术之前集聚充分数据来确定陀螺仪传感器106、116的偏航偏差。因此，偏航偏差引擎120可在已集聚初始量的数据之后实时地应用盲估计技术，且尽管缺少GNSS信号，但导航引擎122仍可使用偏航偏差估计来提供准确的实时导航。
[0026]在其中可利用来自汽车传感器104、106的数据的示范性驾驶应用中，由于汽车传感器104、106具有较高质量，因此导航引擎122可忽略来自传感器114、116的数据。因此，当实施本文中所描述的技术时，偏航偏差引擎120使用来自陀螺仪传感器106的偏航率数据来确定行进方向及使用来自速度传感器104的速度数据来确定所行进的距离。然而，基于特定平台上的实际传感器可用性，各种其它组合是可能的。举例来说，如果无权使用来自车辆的陀螺仪数据，那么可替代地使用来自陀螺仪传感器116的数据。类似地，在缺少来自速度传感器104的数据的情况下，可替代地使用基于加速度计114所计算的速度。
[0027]以下阐释上文所描述的盲估计技术的特定数学及算法基础。出于阐释目的，让沪⑴及s (t)表示来自汽车传感器104、106的原始偏航率读数(度/秒)及速度读数(米/秒)。在不失一般性的情况下，假设每几秒(t = 0、1、2、…、N)可获得一次所述读数。让外ias为偏航率的所假定偏差。
[0028]针对所假定偏差所校正的偏航率读数沖)经计算为#c(t)=沖)+外ias，其中t = O、1、2、...、Ν。接着，表示小汽车在任何时间t的方向的角度Θ⑴经计算为:
【权利要求】
1.一种用于使用速度传感器及偏航率传感器来导航的方法，其包括: 针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离；选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值； 将所述选定误差参数值施加到来自所述偏航率传感器的数据；及基于来自所述速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:在计算在多个行进方向中的每一者内所行进的所述距离之前，施加围包函数以将所述多个行进方向中的每一者映射到所述多个行进方向的子集并使用所述多个行进方向的所述子集来计算所行进的所述距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其中选择使所行进的所述距离最大化的所述误差参数值进一步包括:选择使沿任何单一行进方向所行进的所述距离最大化的所述误差参数值。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:在选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值之前使用航位推测法来导航。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:选择性地忽略来自所述速度传感器及所述偏航率传感器的构成与直线运动的偏离的数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:基于来自高度计的数据而识别海拔高度改变并至少部分地基于所述所识别海拔高度改变而导航。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述误差参数包括选自由以下各项组成的群组的至少一者:偏航偏差值、陀螺仪增益值、偏航偏差率值、陀螺仪增益率值及积累的偏航值。`
8.—种导航系统,其包括: 速度传感器； 偏航率传感器； 误差参数引擎，其用以: 针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离；及选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值；及 导航引擎，其用以: 将所述选定误差参数值施加到来自所述偏航率传感器的数据；及基于来自所述速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
9.根据权利要求8所述的导航系统，其中在所述误差参数引擎计算在多个行进方向中的每一者内所行进的所述距离之前，所述误差参数引擎施加围包函数以将所述多个行进方向中的每一者映射到所述多个行进方向的子集并使用所述多个行进方向的所述子集来计算所行进的所述距离。
10.根据权利要求8所述的导航系统，其中所述误差参数引擎选择使沿任何单一行进方向所行进的所述距离最大化的所述误差参数值。
11.根据权利要求8所述的导航系统，其中所述导航引擎在所述通过所述误差参数引擎选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值之前使用航位推测法来导航。
12.根据权利要求8所述的导航系统，其中所述误差参数引擎选择性地忽略来自所述速度传感器及所述偏航率传感器的构成与直线运动的偏离的数据。
13.根据权利要求8所述的导航系统，其进一步包括高度计，其中所述导航引擎用以基于来自所述高度计的数据而识别海拔高度改变并至少部分地基于所述所识别海拔高度改变而导航。
14.根据权利要求8所述的导航系统，其中所述误差参数包括选自由以下各项组成的群组的至少一者:偏航偏差值、陀螺仪增益值、偏航偏差率值、陀螺仪增益率值及积累的偏航值。
15.一种非暂时性计算机可读媒体，其含有在由处理器执行时致使所述处理器进行以下操作的指令: 针对多个误差参数值中的每一者计算在多个行进方向中的每一者内所行进的距离； 选择使沿所述行进方向中的一者或一者以上所行进的所述距离最大化的所述误差参数值； 将所述选定误差参数值施加到来自偏航率传感器的数据；及 基于来自速度传感器的数据及来自所述偏航率传感器的具有所述所施加误差参数值的数据使用航位推测法来导航。
16.根据权利要求15所述的计算机可读媒体，其中所述指令在由所述处理器执行时进一步致使所述处理器:在计算在多个行进方向中的每一者内所行进的所述距离之前，施加围包函数以将所述多个行进方向中的每一者映射到所述多个行进方向的子集并使用所述多个行进方向的所述子集来计算所行`进的所述距离。
17.根据权利要求15所述的计算机可读媒体，其中所述指令在由所述处理器执行时进一步致使所述处理器:选择使沿任何单一行进方向所行进的所述距离最大化的所述误差参数值。
18.根据权利要求15所述的计算机可读媒体，其中所述指令在由所述处理器执行时进一步致使所述处理器:选择性地忽略来自所述速度传感器及所述偏航率传感器的构成与直线运动的偏离的数据。
19.根据权利要求15所述的计算机可读媒体，其中所述指令在由所述处理器执行时进一步致使所述处理器:基于来自高度计的数据而识别海拔高度改变并至少部分地基于所述所识别海拔高度改变而导航。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述误差参数包括选自由以下各项组成的群组的至少一者:偏航偏差值、陀螺仪增益值、偏航偏差率值、陀螺仪增益率值及积累的偏航值。
【文档编号】G01C21/12GK103791904SQ201310511850
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】桑迪普·拉奥, 德里克·韦恩·沃特斯 申请人:德州仪器公司