用加速度/减速度确定设备和船只间的错位的方法和装置的制造方法
【专利说明】用加速度/减速度确定设备和船只间的错位的方法和装置
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2013年9月16日提交的美国临时专利申请N0.61/878,520的权益，该专利申请的公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
[0003]本公开涉及一种用于确定设备和平台(诸如例如船只或车辆)之间错位的方法和设备，其中设备可以被捆绑(strapped)或非捆绑(non-strapped)至该平台，并且其中在非捆绑的情况中，设备的移动性可以被约束或非约束在平台中。
【背景技术】
[0004]平台的惯性导航是基于比力(specificforce)和角速度的集成，该力和角速度由惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪)和包含该传感器的设备所测量。一般地，该设备被置于平台内部，并通常捆绑至该平台。来自设备的此种测量可以用来确定该设备和/或平台的位置、速度和姿态。
[0005]该平台可以是可能临时静止的能够运动的平台。一些平台的示例可以是任何类型的车辆或船只。该船只可以是基于陆地上的、海上的或空中的。
[0006]平台内的惯性传感器的对齐(与该平台的前向、横向和垂直轴)对惯性导航是关键的。如果惯性传感器(如加速度计和陀螺仪)没有与该平台完全对齐，使用惯性传感器的读数所计算的位置和姿态将不能代表平台。因而，修理平台内的惯性传感器是提供高精准导航解决方案的导航系统的要求。
[0007]对于捆绑系统，用于确保最优导航解决方案的一个已知手段是利用在平台内惯性传感器的仔细地手动安装。然而，便携式导航设备(或具有导航能力的设备)能够移动，不论是在平台中(诸如例如在船只或车辆)被约束或非约束，所以仔细安装绝非良策。
[0008]现有便携式导航设备(或具有导航能力的设备)不能获得平台的准确姿态和位置，除非已知下列三个条件中的至少一个:
[0009]I)设备和平台的绝对姿态角；
[0010]2)设备的绝对姿态角、以及设备与平台之间的错位；
[0011]3)平台的绝对姿态角、以及设备与平台之间的错位。
[0012]上述第一条件至少需要两个传感器组件，一个在设备上和一个在平台上，因而错位的了解是在没有先前提到的约束的情况下启用便携式导航设备的关键因素。
[0013]对于导航，手机/智能电话由于配备了辅助全球定位系统(AGPS)芯片组，变得十分流行，该芯片组(在通过利用网络连接，显著提高启动性能的基础上)进一步使用高灵敏度能力来提供平台的绝对位置，即便在一些对于卫星信号不能保证清晰视线的环境中。深户内或挑战的户外(不能利用AGPS解决方案的地方)导航或定位包括蜂窝塔架ID或(如果可能的话)用于定位的塔架三边测量。尽管这两种已经出现在很多移动设备的定位方法中，单准确的室内定位仍提出挑战并且未能满足当今的基于位置的服务(LBS)的准确度要求。此外，这些方法仅可提供平台的绝对航向(heading)而没有关于设备的航向的任何信息。
[0014]许多移动设备(诸如，移动电话)配备有主要用于屏幕控制和娱乐应用的微机电系统(MEMS)传感器。这些传感器，由于非常高的噪声、大的随机漂移率和相对于承载平台的频繁改变的取向，目前还没有被广泛用于导航目的。
[0015]在很多移动设备内也可以找到磁力计。在某些情况下，已表明如果用户足够小心保持设备相对于其身体的特定取向(诸如当在校准磁力计之后小心保持在用户前面时)，使用加速度计和磁力计的导航解决方案也许是可能的。
[0016]因此，存在能够精准地利用来自平台内的设备的测量的导航解决方案的需求，以确定设备/平台的导航状态，而没有平台上的约束(即，室内或室外环境)或设备的移动。平台的位置和姿态的估计应独立于设备的使用(例如，导航期间在平台内放置或移动设备的方式)。在上面的场景中，设备可以在平台内移动或向任何方向倾斜，即便在如此场景中设备仍然需要提供无缝导航。这再次强调了设备和平台之间错位的关键的重要性，让设备能在相对于平台的任何方向中使用。
[0017]因此，对于使用设备的导航，要求缓解此问题的方法，其中设备的移动可以约束或非约束于平台内部，并且其中设备可以在平台内移动或向任何方向倾斜。
[0018]除了上面提到的便携式设备的应用(该应用包括完整的导航解决方案，包括位置、速度和姿态、或位置和姿态)之外，还有其它应用(其可包括估计完整的导航解决方案，或仅姿态解决方案或姿态和速度解决方案)，其中对于增强用户体验和可用性，需要缓解上述问题的方法，并且可应用于多个场景。
【发明内容】
[0019]本公开涉及一种通过使用平台的加速度和/或减速度，确定设备和平台(诸如例如船只或车辆)之间错位的方法和设备，其中设备可以被捆绑或栓系(strapped/tethered)或非捆绑或非栓系(non-strapped/non-tethered)至该平台，并且其中在非捆绑的情况中，设备的移动性可以被约束或非约束在平台中。在非捆绑的情况中，设备可以在平台内移动或向任何方向倾斜，且仍然提供无缝导航解决方案而不降低此导航解决方案的性能。当设备在平台中的支托物中，仍然认为是非捆绑的，因为它可能相对于平台移动。传感器具有用于传感器的各轴的对应坐标系。设备和平台之间的错位对应于设备中的传感器组件的坐标系与平台的坐标系之间的错位。方法可以利用来自传感器(诸如例如加速度计、里程计/车轮编码器、陀螺仪等)的测量(读数)，不论导航信息的更新(诸如，例如，全球导航卫星系统(GNSS)或WiFi定位)存在或缺失。
[0020]本方法和装置可被用于计算覆盖整个错位空间的连续错位角度，而不只是此角度的离散值或预定值。
[0021]本方法和设备可以用来计算绝对错位角度，而不是相对错位角度。
[0022]在平台内的非捆绑设备中，本方法可以和相对于平台的不同设备使用和方向工作。
[0023]在平台内的非捆绑设备的情况中，本发明和装置可以用于计算设备和平台之间的初始错位角度，在运行中可能改变的连续错位角度，或初始和连续错位角度二者。
[0024]在平台内的捆绑设备的情况中，本发明和装置可以用于计算设备和平台之间的安装错位。
[0025]所述方法包括下列步骤:
[0026]a)检测平台的加速度和/或减速度。这个可以通过使用下列一个或任何结合来达成:(i)加速度计读数，(ii)里程计读数，(iii)车轮编码器，(iv)绝对导航信息(当可获得时)，(V)静止(即，静态)时段的检测，(vi)任何类型的集成的导航解决方案，(vii)上面任一或任何结合的平滑、平均或滤波版本，(viii)上面任一或任何结合的缓冲历史，和/或(ix)上面任一或任何结合的缓冲历史的平滑、平均或滤波版本。在某些实施例中，此步骤不断地来做，来检查是否检测到加速度或减速度。在其他实施例中，此步骤可以当平台以直线移动的时候来做。
[0027]b)获得沿着设备前向和横向轴线的加速度读数的水平化的水平分量。这可以通过以下获得:(i)水平化的加速度计读数，(ii)加速度计读数的水平化的缓冲历史，(iii)平滑、平均或滤波版本的水平化的加速度计读数，或(i V)平滑、平均或滤波版本的水平化的加速度计读数的缓冲历史。
[0028]c)当从步骤a)中检测到加速度或减速度，通过使用沿着设备前向和横向轴线的加速度读数的水平化的水平分量，计算设备和平台之间的错位角度。错位角度的计算取决于其是否为加速度或减速度。
[0029]在使用可选的静止(静态)时段的检测的情况中，检测可以取决于下列各项中的任一或任何结合等等:(i)加速度计读数，(ii)陀螺仪读数，(iii)里程计读数，(Vi)车轮编码器读数，和/或(V)绝对导航信息(当可获得时)。
[0030]在某些实施例中，可以使用可选例程来将计算的错位角度平均、平滑或滤波。在这些实施例中，可以使用任何平均、平滑或滤波的技术。
[0031]在某些实施例中，可以使用可选例程来再次检查通过以上方法计算出的错位角度是否为合理的而不是噪声，并且防范此类情况。
[0032]在某些实施例中，可以使用可选例程，其对由本文的方法提供的错位和用于确定设备与平台或船只之间的错位的一个或更多其他方法进行结合。
[0033]可使用上述可选例程中的任一个或任何组合。
[0034]概括地说，在某些实施例中，使用平台的加速度或减速度来确定设备和平台之间错位的方法和设备，其中该设备包括能够提供传感器读数的传感器，其中所述传感器包括有至少两个轴线的至少一个加速度计，该方法包括以下步骤:a)检测平台的加速度或减速度;b)获得来自加速度计的沿着设备前向和横向轴线的加速度读数的水平化的水平分量；和c)当检测到加速度或减速度，通过使用沿着设备前向和横向轴线的加速度读数的水平化的