BRPI1012099B1

BRPI1012099B1 - Método de calibração de sensores de inércia

Info

Publication number: BRPI1012099B1
Application number: BRPI1012099-8A
Authority: BR
Inventors: Damien Dusha
Original assignee: Leica Geosystems Ag
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2019-10-08
Also published as: EP2494312A4; CA2765095C; NZ596007A; AR078794A1; ZA201109248B; WO2011050395A1; UA106614C2; AU2010312307B2; AU2010312307A1; EP2494312A1; CN102472632A; US9008988B2; RU2527140C2; CA2765095A1; BRPI1012099A2; MX2012003000A; EP2494312B1; US20120203488A1; RU2011142833A; CN102472632B

Abstract

método de calibração de sensores de inércia, um método de calibração de sensores de inércia do equipamento de trabalho, tal como, um veículo ou equipamento de inspeção, incluindo a determinação de se o equipamento de trabalho está em operação ou não. os dados são capturados dos sensores de inércia e sensores associados de temperatura enquanto o equipamento de trabalho está fora de operação. os dados capturados são usados para atualizar um modelo de erro de tendência térmica para os sensores de inércia.

Description

MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A invenção refere-se a um método de calibração de sensores de inércia e a uma unidade de medição de inércia. Especificamente, embora não exclusivamente, a invenção refere-se à auto-calibração em campo dos sensores de inércia.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO [002] O monitoramento exato de inércia é crítico ao desempenho do monitoramento da atitude do equipamento de trabalho (i.e., a rotação do equipamento de trabalho com relação a uma armação de referência, normalmente uma superfície de nível de solo teoricamente). Na agricultura de precisão, o conhecimento da atitude de um veículo é exigido para compensar os movimentos da antena de GNSS por meio da ondulação de terreno. Na vistoria, as antenas de GNSS são frequentemente montadas em um polo e para corretamente determinar a posição do suporte do polo, a atitude do polo deve ser determinada.

[003] Os sensores de inércia incluem giroscópios, que medem a taxa de alteração do ângulo, e acelerômetros, que medem a aceleração linear. As medições dos sensores de inércia contêm as tendências e outros erros que devem ser compensados. A medição de um sensor de inércia pode ser modelada pela seguinte equação:

â = Ka + bi + B(T) + Wn [004] Em que:

â é a quantidade medida de inércia;

K é o fator de escala (sensibilidade) do dispositivo;

a é a quantidade real de inércia;

bi é a tendência estocástica, variando aleatoriamente com o tempo;

B(T) é a tendência dependente de temperatura;

Wn é o ruído do sensor, assumido como branco e Gaussian.

[005] A equação acima se aplica igualmente aos acelerômetros e giroscópios, cada um medindo as taxas de aceleração e rotação, respectivamente. Quando o equipamento de trabalho é fixo, os acelerômetros lerão uma porção de gravidade, dependendo da atitude do equipamento, e os giroscópios lerão uma porção da taxa de rotação da Terra

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2/17 que também é dependente da atitude do equipamento. Ao usar os giroscópios de grau industrial, a contribuição da taxa de rotação da Terra é pequena o suficiente quando comparado a outras fontes de erro a serem assumidas como zero para simplificar a análise sem introduzir erro significativo. Com medições suficientes na mesma temperatura, a contribuição do termo de ruído do sensor é pequena e pode ser incorporada na tendência estocástica. O modelo pode ser então reduzido para:

â = a + B(T) + ε [006] Em que:

a é a quantidade medida de inércia;

a = Ka é a quantidade real de inércia, modificada pelo fator de escala;

ε são os erros restantes, totalizados em um termo individual.

[007] A tendência dependente de temperatura é normalmente o erro dominante. A tendência dependente de temperatura não é constante sobre a temperatura, porém varia sobre a variação de temperatura operacional para os sensores de inércia. A própria tendência dependente de temperatura não é constante para determinada temperatura e lentamente alterará com o tempo conforme o sensor de inércia envelhece.

[008] Para compensar a tendência dependente de temperatura, alguns sensores de inércia de grau industrial são inicialmente calibrados para incluir um modelo de erro de tendência térmica. Devido às restrições de tempo e custo, a calibração somente pode incluir a variação efetiva de temperatura do sensor de inércia sobre uma variação limitada de temperatura e não uma variação total de temperatura em que o sensor de inércia pode finalmente operar. O modelo de erro de tendência térmica deve ser atualizado conforme o sensor de inércia envelhece. A atualização do modelo de erro de tendência térmica é comumente realizada por calibração de fábrica anual, ou calibração por meio de outros sensores (p.ex., uma solução de antena de GPS múltipla).

[009] Todas essas estratégias adicionam custo e complexidade para obter as soluções exatas de atitude de forma adequada dos sensores de inércia.

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3/17 [010] Quando o equipamento de trabalho, tal como, um veículo, está operando, é difícil separar as alterações do sinal do sensor de inércia devido ao movimento do veículo e vibração de uma alteração no sinal, devido às alterações na temperatura. Portanto, é útil tentar observar o sinal de saída dos sensores de inércia enquanto o veículo está fixo.

[011] As patentes norte-americanas US6374190, US6577952 e US5297028 todas descrevem a auto-calibração em campo dos sensores de inércia ao obter uma única amostra de sinal do sensor de inércia e sensor de temperatura para cada sensor de inércia enquanto seus veículos associados estão fixos, porém operacionais. A Patente Norte-Americana N° 5527003 descreve a auto-calibração em campo durante o período estendido de alinhamento que precede o taxiamento do avião e durante tal período o desvio pelo giroscopio de uma variação de temperatura é amostrado. A auto-calibração em campo ensinada pelas patentes da técnica anterior inerentemente sofre problemas de exatidão conforme os sinais do sensor de inércia amostrados incluem os erros de vibração devido à vibração causada pelo motor do veículo. As amostras também são obtidas em uma variação limitada de temperatura.

OBJETIVO DA INVENÇÃO [012] É um objetivo da invenção superar ou, pelo menos, aliviar um ou mais dos problemas acima e/ou fornecer ao cliente uma escolha útil ou comercial.

BREVE APRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO [013] Em uma forma, a invenção reside em um método de calibrar sensores de inércia do equipamento de trabalho, o método incluído as etapas de:

- capturar dados de um ou mais sensores de inércia e um ou mais sensores de temperatura localizados próximos aos sensores de inércia, enquanto o equipamento de trabalho não está em operação; e

- atualizar um modelo de erro de tendência térmica para os sensores de inércia com os dados capturados dos sensores de inércia e sensores de temperatura.

[014] O método preferivelmente inclui a determinação de se o equipamento de trabalho está em operação ou não.

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4/17 [015] O equipamento de trabalho pode ser um veículo e a etapa de determinar se o veículo está em operação ou não pode ser determinada se o veículo está ligado ou desligado.

[016] O equipamento de trabalho pode ser o equipamento de inspeção e a etapa de determinar se o equipamento de inspeção está em operação ou não poderá determinar se o equipamento de inspeção está ligado ou desligado.

[017] Preferivelmente, o método inclui a etapa de determinar se o equipamento de trabalho está sujeito à vibração ou movimento inesperado, e recusar quaisquer dados capturados enquanto o equipamento de trabalho estava sujeito à vibração ou movimento.

[018] A atualização do modelo de erro de tendência térmica pode incluir o ajuste de uma curva aos dados capturados e a atualização do modelo de erro de tendência térmica com recursos da função da curva.

[019] A atualização do modelo de erro de tendência térmica pode incluir a pesagem da relevância dos dados capturados em um ciclo quando o equipamento de trabalho não estava em operação contra os dados anteriores capturados sobre os ciclos anteriores quando o equipamento de trabalho não estava em operação e fornecendo mais peso à captura de dados durante os ciclos mais recentes.

[020] Um subsistema de sensor com os sensores de inércia e sensores de temperatura é preferivelmente energizado de forma periódica para capturar os dados enquanto o equipamento de trabalho não está em operação.

[021] A captura de dados é preferivelmente atrasada por um tempo pré-determinado após o equipamento de trabalho ser desligado.

[022] Em outra forma, a invenção reside em uma unidade de medição de inércia compreendendo:

- um subsistema de sensor compreendendo:

- um ou mais sensores de inércia;

- um ou mais sensores de temperatura associados aos sensores de inércia; e

- um módulo de amostragem de baixa energia operável para capturar dados dos sensores de inércia e sensores de temperatura;

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- um módulo de processamento com memória em que um modelo de erro de tendência térmica para os sensores de inércia é armazenado; e

- um controlador de energia configurado para seletivamente energizar o subsistema de sensor para capturar dados dos sensores de inércia e sensores de temperatura quando o equipamento de trabalho em que a unidade de medição de inércia está instalada não está em operação.

[023] Preferivelmente, a unidade de medição de inércia inclui um relógio que é usado pelo controlador de energia para energizar de forma periódica o subsistema de sensor durante um período enquanto o equipamento de trabalho está desligado.

[024] Preferivelmente, o módulo de amostragem de baixa energia inclui um processador de baixa energia e o módulo de processamento inclui um processador principal que tem exigências de energia relativamente superiores do que o processador de baixa energia.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [025] Somente por meio de exemplo, as realizações preferidas da invenção serão descritas mais totalmente doravante com referência às figuras anexas, em que:

- A FIG. 1 mostra o layout de uma unidade de medição de inércia da técnica anterior;

- A FIG. 2 mostra um layout diagramático de uma realização de uma unidade de medição de inércia em conformidade com a presente invenção;

- A FIG. 3 mostra um fluxograma diagramático do método de calibrar os sensores de inércia da unidade de medição de inércia ao calcular o modelo de erro de tendência térmica;

- A FIG. 4 mostra um gráfico de temperatura vs. tempo para a temperatura de um sensor de inércia durante um estágio de resfriamento quando o sensor de inércia resfria da temperatura operacional a temperatura ambiente;

- A FIG. 5 mostra um gráfico de temperatura vs. tempo para a temperatura de um sensor de inércia durante um estágio de variação de temperatura ambiente durante o qual a temperatura ambiente varia;

- A FIG. 6 mostra um modelo de erro de tendência térmica para a unidade de medição de inércia da FIG. 2, ilustrado como uma curva de tendência de temperatura; e

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- A FIG. 7 mostra partes de uma curva de tendência de temperatura capturada durante um modo de amostragem da unidade de medição de inércia da FIG. 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS [026] Com referência à FIG. 1, uma unidade de medição de inércia da técnica anterior (1) compreende um ou mais sensores de inércia (2), módulo de processamento (3) e um controlador de energia (4) controlando a energia ao módulo de processamento (3) e sensores de inércia (2). O módulo de processamento (3) compreende um processador (6) e armazenamento (7). Um modelo de erro de tendência térmica é armazenado na memória de armazenamento (7) para cada sensor de inércia (2). O módulo de processamento (3) é capaz de calcular a atitude do veículo usando entradas dos sensores de inércia corrigidos pelo modelo de erro de tendência térmica.

[027] Com referência à FIG. 2, o layout de uma unidade de medição de inércia (IMU) em conformidade com uma realização da invenção é mostrado. A IMU (10) compreende, geralmente, um controlador de energia (12), unidades de sensor de inércia (14), um módulo de amostragem (16) de baixa energia, um módulo de processamento (18) e um relógio (20). As unidades de sensor de inércia (14) e o módulo de amostragem (16) de baixa energia juntos formam um subsistema de sensor (22). A IMU (10) é descrita com referência a sua relação de trabalho com um veículo em que está instalada, porém pode ser instalada de forma semelhante em qualquer outro equipamento de trabalho utilizando sensores de inércia, tais como, equipamento de inspeção.

[028] O controlador de energia (12) controla a energia às unidades de sensor de inércia (14), módulo de amostragem (16) de baixa energia e módulo de processamento (18). O controlador de energia (12) é capaz de independentemente energizar o subsistema de sensor (22) e o módulo de processamento (18). O controlador de energia (12) é configurado para simultaneamente energizar o subsistema de sensor (22) e módulo de processamento (18) em um modo de medição da IMU (10) quando o veículo está fora de operação. O veículo é considerado como em operação quando é ligado. O controlador de energia (12) é configurado para seletivamente energizar o subsistema de sensor (22) em um modo de amostragem da IMU (10) quando o veículo não está

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7/17 em operação. O veículo é considerado fora de operação quando é desligado e em operação quando é ligado. O controlador de energia (12) determina que o veículo está ligado ou desligado ao ser conectado ao comutador de ignição do veículo. O período entre o qual um veículo está desligado e então ligado é mencionado como um ciclo. O veículo geralmente teria uma atitude fixa e nenhuma vibração durante cada ciclo.

[029] As unidades de sensor de inércia (14) possuem sensores de temperatura (24) embutidos. Alternativamente, e não mostrado nos desenhos, os sensores de temperatura (24) não são embutidos nas unidades de sensor de inércia (14), porém localizados adjacentes às unidades de sensor de inércia (14). As unidades de sensor de inércia (14) incluem os sensores de inércia (26) na forma de giroscópios ou acelerômetros. As unidades de sensor de inércia (14) produzem sinais de temperatura dos sensores de temperatura (24) e sinais de inércia dos sensores de inércia (26). Os sinais das unidades de sensor de inércia (14) são alimentados ao módulo de amostragem (16).

[030] O módulo de amostragem (16) inclui um processador de baixa energia (30), memória (31) e armazenamento de dados (32). O processador de baixa energia (30) é um dispositivo de baixa energia, tal como, um microcontrolador.

[031] Os dados dos sinais de sensores de inércia (14) são capturados e armazenados no armazenamento de dados (32) no modo de amostragem da IMU (10). O módulo de amostragem (16) é conectado ao relógio (20) de modo que os dados sendo capturados também são marcados com horário quando armazenados no armazenamento de dados (32). O armazenamento de dados (32) tem uma tabela de temperatura vs. tendência em que os dados amostrados do sinal de sensor de inércia vs. dados de temperatura são salvos para cada sensor de inércia (26) para cada ciclo. Os sinais das unidades de sensor de inércia (14) são transmitidos ao módulo de processamento (18) através do módulo de amostragem (16) no modo de medição da IMU (10).

[032] O módulo de processamento (18) inclui um processador principal (34), memória (36) e armazenamento de dados (38). Um modelo de erro de tendência térmica é armazenado na memória (36) para cada sensor de inércia (26). O modelo de erro de tendência térmica é calculado pelo processador principal (34) usando lotes dos dados

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8/17 históricos do sinal do sensor de inércia vs. dados de temperatura salvos no armazenamento de dados (38) para cada sensor de inércia (26).

[033] Os dados históricos são compilados a partir de lotes de dados recuperados do armazenamento de dados (32) do módulo de amostragem (16), conforme descrito em mais detalhes abaixo.

[034] A FIG. 3 mostra um fluxograma diagramático do método de auto-calibração em campo dos sensores de inércia (26) da IMU (10) ao calcular o modelo de erro de tendência térmica. A auto-calibração em campo dos sensores de inércia (26) está insitu no veículo. O método compreende primeiramente a determinação (40) de se o veículo em que a IMU (10) está instalada está em operação ou não. O veículo é determinado como fora de operação quando é desligado e em operação quando é ligado. Se o veículo for desligado (42), a IMU (10) é energizada no modo de amostragem (44). No modo de amostragem (44), o subsistema de sensor (22) é energizado e o módulo de processamento (18) não é energizado, conforme indicado pela referência (46). O subsistema de sensor (22) captura os dados de sinal de temperatura e dados de sinal de inércia das unidades de sensor de inércia (14) conforme indicado pela referência (48). Os dados capturados são armazenados no armazenamento de dados (32) do módulo de amostragem (16) conforme indicado pela referência (50).

[035] Quando o veículo está ligado (52), a IMU (10) é energizada no modo de medição (54). No modo de medição, o subsistema de sensor (22) é energizado e o módulo de processamento (18) é energizado, conforme indicado pela referência (56). O módulo de processamento (18) recupera os dados armazenados no armazenamento (32) do módulo de amostragem (16), conforme indicado pela referência (58). O módulo de processamento (18) então calcula o modelo de erro de tendência térmica para cada sensor de inércia (26) usando os dados recuperados do módulo de amostragem (16), assim calibrando os sensores de inércia (26) conforme indicado pela referência (60). [036] Os sinais das unidades de sensor de inércia (14) são transmitidos ao módulo de processamento (18) e corrigidos ao aplicar o modelo de erro de tendência térmica calculado na referência (60), conforme indicado pela referência (62).

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9/17 [037] No modo de medição, o subsistema de sensor (22) e o módulo de processamento (18) são energizados, de modo que os sinais de unidade do sensor de inércia gerados pelos sensores de inércia (26) e sensores de temperatura (24) são transmitidos ao módulo de processamento (18). O processador principal (34) do módulo de processamento (18) corrige esses sinais ao aplicar o modelo de erro de tendência térmica aos sinais.

[038] Outras tarefas, tais como, controle e navegação, cálculo de atitude e interface com o módulo de amostragem (16) são simultaneamente também realizadas pelo processador principal (34). O processador principal (34) é exigido para ser relativamente potente, em comparação ao processador de baixa energia (30) do módulo de amostragem (16), devido às tarefas que o processador principal (34) deve realizar. Consequentemente, o processador principal (34) tem exigências de energia relativamente superiores do que o processador de baixa energia (30). Os sinais corrigidos são usados para determinar a atitude do veículo. Cada tempo que a IMU (10) altera do modo de amostragem ao modo de medição, os dados do sinal do sensor de inércia vs. dados de temperatura salvos no armazenamento de dados (32) do módulo de amostragem (16) para tal ciclo são recuperados pelo módulo de processamento (18) e armazenados com os dados anteriormente recuperados no armazenamento de dados (38) do módulo de processamento (18).

[039] No modo de amostragem da IMU (10), o subsistema de sensor (22) é seletivamente energizado, porém o módulo de processamento (18) não é energizado. A IMU (10), assim, retira a quantidade mínima de energia no modo de amostragem. O subsistema de sensor (22) é energizado durante um estágio de resfriamento das unidades de sensor de inércia (14) e, de forma periódica, energizado durante um estágio de variação de temperatura ambiente que segue o estágio de resfriamento.

[040] Com referência à FIG. 4, o estágio de resfriamento de uma unidade do sensor de inércia (14) é mostrado em que a unidade do sensor de inércia (14) resfria da temperatura operacional à temperatura ambiente. O estágio de resfriamento inicia imediatamente após o veículo ser desligado. O módulo de amostragem (16) pode atrasar a captura dos dados por um tempo pré-determinado após o veículo ser

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10/17 desligado com a finalidade de evitar que os dados sejam capturados enquanto um operador sai do veículo. Alternativamente, os dados capturados durante o período em que o operador sai serão recusados devido às vibrações causadas pelo operador de saída. O operador que sai do veículo causa vibrações de modo que quaisquer dados capturados durante esse tempo não serão adequados para uso na determinação do modelo de erro de tendência térmica. As unidades de sensores de inércia (14) geralmente resfriam-se rapidamente da temperatura operacional (que pode ser significativamente a temperatura ambiente acima) até a temperatura ambiente em um período relativamente curto de tempo. Durante o estágio de resfriamento, a captura de dados pelo módulo de amostragem (16) opera continuamente até um tempo tiver decorrido, ou não exista alteração significativa na temperatura detectada pelos sensores de temperatura (24).

[041] Com referência à FIG. 5, o subsistema de sensor (22) é energizado de forma periódica durante o tempo que as unidades de sensor de inércia (14) estão sujeitas às flutuações da temperatura ambiente. Esse estágio de variação da temperatura ambiente, por exemplo, será o tempo estendido durante a noite enquanto o veículo está estacionado. Já que a temperatura ambiente varia lentamente com o tempo, a captura de dados somente precisa ocorrer periodicamente. O processador de baixa energia (30) define os alarmes para o relógio (20) para energizar de forma periódica o subsistema de sensor (22) através do controlador de energia (12). A drenagem de energia na bateria do veículo é minimizada pela energização periódica do subsistema de sensor (22). As exigências de energia do processador de baixa energia (30) são tais que o subsistema de sensor (22) pode operar por períodos estendidos sem drenagem significativa de energia da bateria do veículo. Os períodos de amostra durante o estágio de variação da temperatura ambiente são indicados por blocos de amostragem (64) na FIG.5. A amostragem durante o estágio de variação de temperatura ambiente é especificamente útil conforme permite a captura de dados em uma variação superior de temperatura do que aquela geralmente encontrada na calibração de fábrica ou estágio de resfriamento.

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11/17 [042] O período durante o qual os sensores de inércia (26) aquecem da temperatura ambiente à operacional na partida do veículo é conhecido como problemático para a correção do modelo de erro de tendência térmica devido à falta de dados sobre essa variação de temperatura para desenvolver o modelo de erro de tendência térmica. Isso é especialmente assim quando a temperatura ambiente está bem abaixo da temperatura operacional. Alguns veículos (tais como, aeronave) obrigam um período de aquecimento antes do uso para contabilizar isso. Nos veículos em que o operador possa não estar ciente de que os sensores de inércia estão em uso (tal como, agricultura), é uma vantagem distinta ter os dados para a correção do modelo de erro de tendência térmica sobre toda a variação ambiente e operacional conforme fornecida pela presente invenção. O depositante considera que se o movimento ou vibração for detectado pelos sensores de inércia (26) durante um período de amostragem, os dados para tal período de amostragem serão descartados e o subsistema de sensor (22) temporariamente reduzido. A amostragem durante cada ciclo quando o veículo não está em operação cria um diferente lote dos dados capturados armazenados no armazenamento de dados (32) do módulo de amostragem (16).

[043] Com referência à FIG.6, o modelo de erro de tendência térmica armazenado na memória (36) do módulo de processamento (18) para cada sensor de inércia (26) é ilustrado como uma curva de tendência de temperatura. Cada sensor de inércia (26) terá uma única curva de tendência de temperatura e, portanto, os dados das unidades de sensor de inércia (14) são capturados independentemente para cada sensor de inércia (26).

[044] Com referência à FIG.7, os dados para partes da curva de tendência de temperatura são capturados em cada momento em que a IMU (10) está no modo de amostragem. Cada tempo em que o veículo está estacionado em um ângulo diferente durante um diferente ciclo, os dados medidos para um acelerômetro durante a amostragem serão compensados da verdadeira tendência. Isso é indicado pelo espaçamento de Compensação devido à Gravidade do gráfico mostrado na FIG.7. Durante diferentes períodos de captura de dados quando a IMU (10) está no modo de amostragem, diferentes seções da curva de tendência de temperatura serão

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12/17 observadas e quase certamente em diferentes compensações. Com dados suficientes do sinal do sensor de inércia capturados, a verdadeira curva de temperatura pode ser estimada de diversas curvas de tendência de temperatura parciais capturadas, conforme abaixo descrito:

[045] É assumido que a curva de tendência de temperatura seja um polinômio da ordem n. Isto é:

B(T) = bo + biT + ό₂Γ+... + b_nTⁿ [046] Antes de calcular a curva de tendência de temperatura, a ordem do polinômio é desconhecida e deve ser formulada. Conforme descrito no Histórico da Invenção, uma medição do sensor de inércia pode ser modelada por: â = ã + B(T) + ε [047] Após um número de ciclos de captura dos dados do sensor de inércia no modo de amostragem da IMU (10), existirão m lotes dos dados de sensor de inércia no armazenamento de dados (38) do módulo de processamento (18). Cada lote de dados consistindo (com um número diferente) de mk, amostras de temperaturas, medições do sensor de inércia, estatísticas de ruído e marcações de tempo. Já que a quantidade de inércia será constante para cada lote devido ao veículo ter uma atitude fixa e nenhuma vibração durante cada ciclo, cada modelo individual é medido como:

“ ã. + + 51 (r„_t)“ +...+6„(r„_t y + [048] Por exemplo, a 4^o medição do 2^o lote seria:

»1. * *1 ⁺ + Mi. / ♦“'•AÍ³!» Í [049] E quando formalmente escrito com a contribuição das quantidades de inércia de outros lotes de medições:

® (o^ + + . -♦ 0d_)+ (¾ ⁺ ^1^2,Ϊ ⁺ í )^{+ £}*>

[050] Já que todas as curvas parciais de tendência de temperatura terão um componente de uma quantidade de inércia física (exceto no caso em que os giroscópios são assumidos para medir 0 como a taxa de rotação da Terra), uma medição absoluta ou estimativa de tendência em uma temperatura específica é exigida para calcular o parâmetro bo. Isso é realizável através de diversos meios, tais como:

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13/17 • Uma calibração de fábrica inicial;

• Uma sequência de manobras pré-determinadas pelo veículo;

• Em que todos os 3 eixos de aceleração e rotação estão disponíveis, a tendência em cada sensor pode ser calculada a partir de pelo menos 6 diferentes atitudes;

• Os sensores adicionais, tais como, um GPS ou GPS de antena múltipla.

[051] Já que, nessas instâncias, a tendência ou aceleração é conhecida em uma temperatura específica, existem medições / de tendência satisfazendo a seguinte equação:

(Ô, -õJ=É^ + ^+2^0^ + ···⁺Μ?ίΧ [052] Após considerar a contribuição da atitude de cada lote das curvas parciais de temperatura:

- ã_J±)= (θά, + ttõ, +...+05.)+(¾ + ^7 + bi (ζ P '+»>+bifâT )⁺ [053] Portanto, os lotes de medições (incluindo as medições absolutas) formam um conjunto de equações lineares:

à,, =(a, +00, + ...+0^,)+(^ + ^ +M⁷!,)¹ + -+^(^)+^,. ò,, = (õ, +. „+OõJ++ bfa + ftjfo í +...+bjfa f ή, = (βι+0«,+...+0^)+(¾+aã.+y+’-+y)+ ^fi. ô_Ji=¢05,+ój+...+oõ_)+(^+y+...+^ y )+^_t = (Ofl, + ãj +,..+OãJ++ b_iT_ii + b_t (r_5j y + -.+d_rt(Tj, y )+ *₃,

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14/17 =(OÕ_S + 0c2j+... +^)+^ + 6,7:. ⁺MO ⁺ -+^¼. M+^i.

ô_f> *= (Oã_t + 0¾ +.J + δ;)++ΑΓ*„ + ^(ζ. )¹ + ·„+K(⁷^ )*)* (ή - ã_fl0A +W⁺ — + 0ã.)+(¾ +0|7] + bfâf + λ.+bfitf )+ (ú, - ξ₂)-(θα, + Oifj +...+Oõ* )+¼ + Wi + ^{+ +})+ ^ei (ã₍ - ^7 )⁼¢0¾ + 0¾ +.. .·+ Oã„)+(&ç + âft+^2 C^)¹⁺—⁺)^{+ ε}ι [054] Os erros ε podem ser descritos como média zero, branco e Gaussian com matriz de covariância Σ. Os efeitos de envelhecimento do sensor de inércia podem ser considerados ao aumentar a covariância das medições com base na idade da medição. Ao usar um estimador pesado, isso colocará menos ênfase nas medições mais antigas, porém ainda usam as mesmas na ausência de medições mais recentes. Isso será, por exemplo, útil no caso em que um veículo está sujeito a um evento de clima frio súbito no outono. A última captura de dados sobre a variação de temperatura de clima frio não pode ter ocorrido por diversos meses, porém ainda é valiosa para tal situação; mesmo se existir maior incerteza sobre sua exatidão.

[055] O conjunto de equações lineares poderá ser expresso na forma de matriz como:

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10--0 ο >> ο — 0 ύ 1 - ΰ 0 1-0

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4.

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4-4 [056] Que é mais sucintamente escrita como: χβ= y.

[057] As estimativas para β (e, consequentemente, os coeficientes do polinômio da curva de tendência de temperatura para cada sensor de inércia (26)) podem ser obtidos por meio do cálculo de quadrados mínimos lineares. Assim que os coeficientes de polinômio forem determinados, eles são usados no modelo de erro de tendência térmica no modo de medição da IMU (10) para compensar a tendência térmica dos sensores de inércia (26).

[058] O depositante considera que as exigências de energia para os processadores e armazenamento reduzirão com o avanço na tecnologia, o processador de baixa energia (30) pode ser potente o suficiente de modo que todo o processamento e armazenamento de dados exigidos pela IMU (10) possam ser realizados totalmente pelo módulo de amostragem (16) sem ser uma drenagem significativa de energia na

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16/17 bateria do veículo durante o modo de amostragem. O módulo de processamento (18) será assim redundante.

[059] O método e IMU (10) da presente invenção permitem a auto-calibração significativa dos sensores de inércia (26) sem procedimentos específicos de usuário e sem a necessidade de aumento dos sensores adicionais, ou recalibração periódica de fábrica.

[060] Uma desvantagem da auto-calibração em campo conforme ensinada pelas patentes da técnica anterior é que os veículos não são desligados no momento de obtenção das amostras de sinal do sensor de inércia para calibração, de modo que os veículos estão sujeitos à vibração de seus motores e operadores. Uma das soluções da presente invenção é para capturar dados dos sensores de inércia e sensores associados de temperatura enquanto o equipamento de trabalho não está em operação e seus motores assim desligados.

[061] Até recentemente, os sensores de inércia e seu circuito associado de processamento exigiram uma quantidade significativa de energia elétrica para operar. [062] Portanto, foi um risco que a bateria do veículo seria drenada, se os sensores de inércia e seu circuito associado de processamento fossem operados enquanto o veículo estava desligado. Os avanços na tecnologia de sensor e informática embutida reduziram as exigências de energia suficientemente para permitir a operação do subsistema de sensor (22) enquanto o veículo está estacionado e sem movimento, conforme acima descrito, com referência aos desenhos. Fazer com que módulo de processamento (18) (que tem exigências de energia relativamente altas) esteja desligado durante o modo de amostragem e somente seletivamente energizar módulo de amostragem (que tem exigências de energia relativamente baixas) durante o modo de amostragem permite à IMU (10) operar sem drenagem significativa de energia da bateria do veículo.

[063] A descrição acima de diversas realizações da presente invenção é fornecida para os fins de descrição para aquele com habilidade ordinária na técnica relacionada. Não é pretendida para ser exaustiva ou para limitar a invenção a uma única realização revelada. Conforme acima mencionado, numerosas alternativas e variações da

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17/17 presente invenção serão aparentes para aqueles com habilidade na técnica do ensinamento acima. Por exemplo, embora a descrição específica ensine o uso da IMU (10) com relação a um veículo, a IMU (10) pode ser usada de forma semelhante com outro equipamento de trabalho utilizando sensores de inércia, tais como, equipamento de inspeção de GNSS no polo, implantar aplicações de atitude em que a atitude de um implemento móvel com relação a um veículo é medida (tal como, uma lâmina de escavadeira relativa a um trator de escavadeira), sistemas de navegação de inércia (INS) ou sistemas integrados de navegação de GPS/INS, e robôs, especificamente robôs industriais. De forma correspondente, enquanto algumas realizações alternativas foram discutidas especificamente, outras realizações serão aparentes ou relativamente desenvolvidas de forma fácil por aqueles com habilidade ordinária na técnica. [063] De forma correspondente, esta invenção é pretendida para abranger todas as alternativas, modificações e variações da presente invenção que foram aqui discutidas, e outras realizações que estão dentro do espírito e escopo da invenção acima descrita.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, um método de calibração de sensores de inércia do equipamento de trabalho, caracterizado por incluir as etapas de: capturar dados de um ou mais sensores de inércia e um ou mais sensores de temperature localizados próximos aos sensores de inércia enquanto o equipamento de trabalho não está em operação; atualizar um modelo de erro de tendência térmica para os sensores de inércia com os dados capturados dos sensores de inércia e sensores de temperature; em que um subsistema de sensor com os sensores de inércia e sensores de temperature é energizado periodicamente para capturar os dados enquanto o equipamento de trabalho não está em operação.
2. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 1, caracterizado por incluir a determinação de se o equipamento de trabalho está em operação ou não.
3. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método de reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o equipamento de trabalho é um veículo e a determinação de se o veículo está em operação ou não inclui a determinação de se o veículo está ligado ou desligado.
4. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o equipamento de trabalho é um veículo e a determinação de se o veículo está em operação ou não inclui a determinação de se um motor do veículo está operando ou não.
5. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o equipamento de trabalho da reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o equipamento de trabalho é o equipamento de inspeção e a etapa de determinar se o equipamento de inspeção está em operação ou não inclui a determinação de se o equipamento de inspeção está ligado ou desligado.
6. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 1, caracterizado por incluir a determinação de se o equipamento de trabalho está sujeito à vibração ou movimento durante um período enquanto o equipamento de trabalho não está em operação, e recusar quaisquer dados capturados

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2/3 no período enquanto o equipamento de trabalho estava sujeito à vibração ou movimento.
7. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 1, caracterizado por incluir a atualização do modelo de erro de tendência térmica ao ajustar uma curva aos dados capturados e atualização do modelo de erro de tendência térmica com recursos da função da curva.
8. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a atualização do modelo de erro de tendência térmica inclui a pesagem dos dados capturados sobre um ciclo quando o equipamentro de trabalho não estava em operação contra os dados anteriores capturados sobre ciclos anteriores quando o equipamento de trabalho não estava em operação e fornecendo mais peso à captura de dados durante os ciclos mais recentes.
9. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, o método da reivindicação 3 ou 5, caracterizado pelo fato de que a captura de dados é atrasada por um tempo pré-determinado após o equipamento de trabalho ser desligado.
10. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, uma unidade de medição de inércia caracterizado por incluir um subsistema de sensor compreendendo: um ou mais sensores de inércia; um ou mais sensores de temperatura associados aos sensores de inércia; e um módulo de amostragem de baixa energia operável para capturar dados dos sensores de inércia e sensores de temperatura; um módulo de processamento com memória em que um modelo de erro de tendência térmica para os sensores de inércia é armazenado; e um controlador de energia configurado para energizar seletivamente o subsistema de sensor para capturar dados dos sensores de inércia e sensores de temperatura quando o equipamento de trabalho em que a unidade de medição de inércia está instalada não está em operação.
11. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, a unidade de medição de inércia da reivindicação 10, caracterizado por incluir um relógio que o controlador de energia usa para energizar de forma periódica o subsistema de sensor durante um período enquanto o equipamento de trabalho não está em operação.

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12. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, a unidade de medição de inércia da reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o módulo de amostragem de baixa energia inclui um processador de baixa energia e o módulo de processamento inclui um processador principal que tem exigências de energia relativamente mais altas do que o processador de baixa energia.
13. “MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE INÉRCIA”, a unidade de medição de inércia da reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a unidade de medição de inércia é adaptada para atrasar a captura de dados dos sensores de inércia e sensores de temperature por um tempo pré-determinado após o equipamento de trabalho ser desligado.