CN101326094A - 基于转向组件角度及角速率传感器的车辆陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种用来估算一系统的至少两个部分之间相对坐标的方法，它包括以下步骤：(A)对该系统至少两个部分中的每个提供至少一个坐标传感器；(B)对该系统的每个部分测量一组相关坐标；以及(C)处理步骤(B)中所得的每个测量结果以估算该系统至少两个部分之间的相对坐标。相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。

Description

基于转向组件角度及角速率传感器的车辆陀螺仪
技术领域
本发明涉及位置跟踪和机器控制系统的领域，尤其涉及在机器控制系统中使用位置和角速率传感器的领域。
背景技术
车辆技术领域中，速率陀螺仪用于确定诸如汽车之类车辆的方向和偏转是众所周知的。它们是改进车的转向和操控的组成部分。
具体来说，陀螺仪通常用来提供对围绕特定轴旋转速率的估算。在有轮车辆的应用中，陀螺仪可以用来帮助引导和导航有轮车辆。在其它有轮车辆的应用中，通常使用单轴陀螺仪来将偏航角速率的估值馈送到稳定性控制系统中，该系统能对车辆操作作出调整，这在多种操作条件下有助于提高车辆的稳定性。
车辆稳定性控制系统通常包括计算机，该计算机执行监视车辆操作的算法。通常，若干传感器和发动机的运行被监控。如果该算法判定车辆不稳定或处于变为不稳定的危险中，则以使稳定性提高的方式调整车辆的操作。通常，应用一个或多个制动器来调整车辆操作。也可以控制发动机的速度。
通常受到监视的传感器包括一个或多个轮速传感器、转向角传感器、偏航角速率传感器、以及横向加速度传感器。在车辆操作过程中，来自这些传感器中的一个或多个的信号用来确定在给定车辆速度、其横向加速度及其转向角下可接受的偏航角速率阈值。如果由偏航角速率传感器提供的实际偏航角速率超过可接受的偏航角速率阈值，则就会启动车辆的稳定性控制。
然而，现有技术的速率陀螺仪不用于精确估算车辆至少两个部分之间的相对角坐标，这些部分包括主体和至少一个地面可控制的轮子。
发明内容
本发明的目的是提供耐用廉价和简单的转向组件角度传感器安装方法，以满足前轮转向和铰接转向(中心枢转)车辆的自动导向系统的连续反馈、闭环控制转向角度要求。目前的技术利用转动和线性式的电位计(按要求具有相关联的机械联接)，它们附连在底盘和转向组件的元件之间，从而产生相对于车辆底盘的绝对转向组件角度的测量值。本发明去除了所有联接和许多支架。本发明普遍适用于所有类型的转向车辆。在提高传感器耐用性和可靠性的同时减少了安装时间和成本。
具体来说，本发明公开一种方法和装置，用来精确地估算车辆至少两个部分之间的相对角坐标，这些部分包括主体和至少一个地面可控制的轮子。
本发明的一个方面涉及估算一系统至少两个部分之间相对坐标的方法。
在一个实施例中，本发明的方法包括以下步骤：(A)对系统至少两个部分中的每个提供至少一个坐标传感器；(B)对系统的每个相关部分测量一组相关坐标；以及(C)处理步骤(B)中所执行测量的结果以估算该系统至少两个部分之间的相对坐标。在本发明的该实施例中，相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角度坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。
在本发明的一实施例中，其中，该系统包括主体和至少一个子组件，步骤(A)还包括以下步骤：(A1)将第一传感器A安装到至少一个子组件上以测量该子组件的运动速率；(A2)将第二传感器B安装到主体上以测量该主体的运动速率；以及(A3)提供第三绝对测量传感器C，它被配置成估算由于第一传感器A的偏置和第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。在本发明的该实施例中，主体的运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线加速度；角速度；以及角加速度}。在本发明的该实施例中，子组件的运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线加速度；角速度；以及角加速度}。
在本发明的一个实施例中，其中，该系统包括主体和至少一个子组件，步骤(B)还包括以下步骤：(B1)使用第一传感器A来测量至少一个子组件的运动速率；(B2)使用第二传感器B来测量主体的运动速率；以及(B3)，使用第三传感器C的测量来估算由于第一传感器A的偏置和第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。
在本发明的一实施例中，步骤(C)还包括以下步骤：(C1)处理步骤(B1)中所执行测量的结果以及步骤(B2)中所执行测量的结果以估算步骤(B1)中所执行测量的结果和步骤(B2)中所执行测量的结果之差；(C2)将步骤(C1)中获得的差值估算对时间进行积分，以估算主体和至少一个子组件之间的相对运动；以及(C3)处理步骤(B3)中所执行估算的结果以对步骤(C2)中获得的估算结果提供一组校正数据。
在本发明的一个实施例中，步骤(C2)还包括这样的步骤：将步骤(C1)中获得的差值估算在基本上连续时段上进行积分，以估算主体和至少一个子组件之间的相对运动。
在本发明的一个实施例中，步骤(A)还包括以下步骤：(A4)提供具有至少一个可控的地面轮子和主体的车辆；(A5)提供传感器A，它包括附连到车辆至少一个可控的地面轮子上的单一速率陀螺仪，其中传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；(A6)提供传感器B，它包括附连到车辆主体的至少一个的速率陀螺仪，其中传感器B安装在选定平面内，并被配置成测量该选定平面；(A7)提供传感器C，它被配置成根据车辆的运动学模型估算车辆的绝对转向角度；以及(A8)使用反馈补偿器，以根据步骤(A7)中所执行的绝对转向角估算来估算和补偿积分偏差和漂移率。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和单一可控的地面轮子，步骤(A5)还包括以下步骤：(A5，1)提供传感器A，它包括附连到车辆的可控地面轮子上的单一速率陀螺仪；其中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；且其中，提供对单一速率陀螺仪的Ackerman转向非线性的补偿。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和两个可控的地面轮子，步骤(A5)还包括以下步骤：(A5，2)提供第一传感器A，它包括对安装在可控地面轮子两者上的两个陀螺仪传感器取平均以抵消Ackerman转向的非线性；其中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和至少一个可控的地面轮子，步骤(A)还包括以下步骤：(A6，1)提供传感器B，它包括输出被组合的陀螺仪组合；其中，传感器B被配置成测量选定的平面。
在本发明的一个实施例中，步骤(A)还包括以下步骤：(A9)提供具有主体和可转动车辆臂的车辆；(A10)提供第一传感器A，它包括附连到可转动车辆臂的速率陀螺仪；(A11)提供所述传感器B，它包括附连到车辆主体的速率陀螺仪；以及(A12)提供包括接触开关的传感器C，该开关被配置成在该臂处于其标称位置时形成接触。
本发明另一方面涉及估算一系统至少两个部分之间的相对坐标的装置。
在一个实施例中，本发明的该装置包括：用于对系统的每个部分测量一组相关坐标的装置(A)；以及用于处理一组测量值以估算该系统的至少两个部分之间相对坐标的装置(B)。在本发明的该实施例中，相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。
在本发明的一个实施例中，该系统包括主体和至少一个子组件，装置(A)还包括：(A1)第一传感器A，它被安装到至少一个子组件并被配置成测量该子组件的运动速率；(A2)第二传感器B，它被安装到主体上并被配置成测量主体的运动速率；以及(A3)第三绝对测量传感器C，它被配置成估算由于第一传感器A的偏置和第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。在本发明的该实施例中，子组件的运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线性加速度；角速度；以及角加速度}。在本发明的该实施例中，主体的运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线性加速度；角速度；以及角加速度}。
在本发明的一个实施例中，系统包括主体和至少一个子组件，装置(B)还包括：被配置成估算由传感器A和传感器B获得的测量结果之差的装置(B1)；被配置成将由装置(B1)获得的差值估算对时间积分以估算主体和至少一个子组件之间的相对运动的装置(B2)；以及被配置成处理由传感器C获得的估算结果以对由装置(B2)获得的估算结果提供一组校正数据的装置(B3)。
在本发明的一个实施例中，该系统包括具有主体和至少一个可控的地面轮子的车辆，装置(A)还包括：(A4)传感器A，包括附连到车辆的至少一个可控地面轮子的单一速率陀螺仪；其中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；(A5)传感器B，包括附连到车辆主体的至少一个速率陀螺仪，其中传感器B被安装在选定平面内并被配置成测量该选定平面；(A6)传感器C，被配置成根据车辆的运动学模型估算车辆的绝对转向角；以及(A7)反馈补偿器，被配置成根据由传感器C获得的对绝对转向角的估算来估算和补偿积分器偏差和漂移率。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和单一可控地面轮子，装置(A4)还包括传感器A，该传感器包括附连到车辆可控地面轮子上的单一速率陀螺仪，其中，提供补偿器，用来补偿单一速率陀螺仪的Ackerman转向非线性。
在本发明的该实施例中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和两个可控地面轮子，装置(A4)还包括第一传感器A，该传感器包括对安装在两个可控地面轮子上的两个陀螺仪传感器的取平均并被配置成抵消Ackerman转向非线性。在本发明的该实施例中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。
在本发明一个实施例中，系统包括具有主体和至少一个可控地面轮子的车辆，装置(A5)还包括传感器B，该传感器包括输出被组合的陀螺仪组合。在本发明的该实施例中，传感器B被配置成测量选定平面。
在本发明的一个实施例中，系统包括具有主体和可转动车辆臂的车辆，装置(A)还包括：(A8)传感器A，它包括附连到可转动车辆臂的速率陀螺仪；(A9)传感器B，它包括附连到车辆主体的速率陀螺仪；以及(A10)传感器C，它包括接触开关，该开关被配置成在臂处于其标称位置时形成接触。
在本发明的一个实施例中，系统包括具有主体和挖掘臂的车辆，传感器C还包括被配置成在挖掘臂处于其标称中心位置时形成接触的开关。
附图简述
下面结合附图对本发明的优选实施例作详细的描述，由此可以更加清楚地理解本发明上述的优点以及其另外的优点。
图1示出具有主体和四个地面轮子的车辆的基本几何结构示意图，其中两个前轮为本发明的目的而正被自动导向系统转向。
图2示出具有主体、可控前轮、以及包括用于本发明目的的控制器的自动导向系统的车辆的基本几何结构示意图，其中坐标传感器B安装在控制器内，而坐标传感器A安装在前轮之一上。
图3示出用于本发明目的的车辆基本运动学模型。
图4示出说明用于本发明目的的如何处理由传感器A、B和C获得的测量结果以便获得可控轮子转向角θ的估算值的框图。
图5A是示出用于本发明目的的从两个测量传感器创建单一信号的简单模拟装置的框图。
图5B示出描绘用于本发明目的的如何添加包括比例因子、积分器偏差或传感器偏置在内的校正以产生精确转向角结果的框图。
图5C示出所添加的传感器偏置估算器的框图，其中测量传感器偏置一般与温度变化、振动或电路元件老化相关联。
图6示出由于传感器偏置引起的积分器偏置随时间和积分器漂移随时间的变化。
图7示出具有包括卡门(Kaman)滤波器的反馈补偿器的控制器。
本发明的详细描述
下面将详细参照本发明的优选实施例，实施例的实例在附图中示出。尽管将结合优选实施例来描述本发明，但应该理解，这些实施例并未将本发明局限于这些实施例。相反，本发明意欲涵盖包括在由所附权利要求书限定的本发明精神和范围之内的各种替代、修改和等效方案。此外，在以下本发明的详细描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本技术领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体的细节的情况下实践本发明。在其它的实例中，众所周知的方法、程序、部件和电路都没有进行详细描述，旨在不会不必要地混淆本发明的诸多方面。
在本发明的一个实施例中，图1示出具有主体14和四个地面轮子16、18、20和22的车辆12基本几何结构示意图10，其中两个前轮16和18由自动导向系统(未示出)实现转向。传感器A 30附连到车辆12的可控地面轮子18。传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。该选定平面是与可控地面轮子的转轴(受控轴)基本上正交的平面。传感器B 32附连到车辆12的主体14。传感器B安装在选定平面内并被配置成测量该选定平面。
在本发明的一个实施例中，可通过使用
Figure A20068004519500131
Autopilot(自动驾驶)系统来实现自动导向系统。自动驾驶系统是连接到拖拉机液压动力转向系统并自动地为直线、中心枢转、曲线或畦土未耕地而使拖拉机转向的转向辅助器。
Figure A20068004519500133
自动驾驶系统包括
Figure A20068004519500134
导航控制器，该控制器包括用于视觉导向的光柱、用于现场操作的驾驶室内终端，以及多个精确GPS接收器，接收器包括实时运动学(RTK)或差分GPS(DGPS)接收器。可以将运行
Figure A20068004519500135
FieldManager软件的
Figure A20068004519500136
170现场计算机添加到
Figure A20068004519500137
自动驾驶RTK或DGPS Light-barOnly(仅光柱，LBO)系统。运行
Figure A20068004519500138
FieldManager软件的170现场计算机可执行多种操作，包括记录保持、现场绘图、可变速率管理、平整土地、土壤取样，以及种植。
Figure A200680045195001310
Parallel Swathing Option(平行条带选择)和
Figure A200680045195001311
Parallel Swathing Option Plus(平行条带选择加)向农场设备操作员提供准确的导向，以在田地准备、种植和产品应用过程中驱动直线行。两个系统都使用与
Figure A200680045195001312
接收器直接连接并安装在车辆驾驶室的仪表板或天花板上的光柱。
仍参照图1，车辆12的主体14的偏航角ψ26是介于北方坐标25和车辆12轨线24之间的角度。可控前轮18的轴线从轨线方向24偏离转向角θ28。自动导向系统(未示出)利用转向角的变化速率
Figure A20068004519500141
28和偏航角26的变化速率作为其闭路控制系统内的输入信号。请参见以下的讨论。在本发明的一个实施例中，为了测量转向角变化速率
Figure A20068004519500142
28，采用了传感器A 30，而为了测量偏航角变化速率
Figure A20068004519500143
26，采用传感器B 32。
具体来说，在本发明的一个实施例中，图2更详细地示出图1的示意图10，它包括具有主体44、可控前轮46和48以及包括控制器在内的自动导向系统50的车辆42。传感器B 52安装在主体上的控制器内，而传感器A 54安装在前轮46上以测量前轮(子组件)和主体的运动速率。
在本发明的一个实施例中，传感器A被配置成测量：
Figure A20068004519500144
(方程I)
即，传感器A被配置成测量地面轮子转向角速率加上主体的偏航角速率加上传感器A的偏置。
在本发明的一个实施例中，传感器B被配置成测量：
Figure A20068004519500145
(方程2)
即，传感器B被配置成测量主体的偏航角速率加上传感器B的偏置。
仍参照图2，在本发明的一个实施例中，采用第三传感器C(未示出)来根据车辆的运动学模型估算车辆的绝对转向角θest，而采用反馈补偿器(未示出)来根据由传感器C获得的绝对转向角的估算补偿积分器偏差和漂移率。
对于角度或位置速率，需要第三绝对测量C来防止有关分辨率和/或噪音方面的性能降级。
具体来说，图3示出车辆的基本运动学模型60，其中车辆朝北方62移动，如果车轮底测量值为L(图2的54)，则车辆的主体偏航角速率
Figure A20068004519500146
造成车辆轮子的绝对转向为θest66：
Figure A20068004519500147
(方程3)
在本发明的一个实施例中，车辆的主体偏航角速率
Figure A20068004519500148
可从卡门滤波器的输出中导出，卡门滤波器使用由陀螺仪传感器获得的偏航角速率和GPS导出的方向，而V是GPS导出的车辆速度。请参见以下的讨论。
在本发明的一个实施例中，图4示出框图80，它说明如何处理由传感器A、B和C获得的测量结果，以获得可控轮子转向角θ的估算值。当如同传统的线性或转动型传感器所应用的一样使用电位计、线性可变差动变压器(LVDT)、转动可变差动变压器(RVDT)、霍尔效应传感器、簧片开关、磁感应传感器或磁阻传感器时，信号处理就不再必要。
然而，如果需要处理，例如，当使用陀螺仪来实现传感器A和B时，则该处理就应由控制器来执行，并在存在噪音和受控系统(包括主体和至少一个子组件)的其它不确定参数的情况下应是稳健和可靠的。实现这些目标的一种方法是使用现代的稳健控制方法。
为了获得稳健控制，从控制理论中审视某些基本概念是有用的。历史上，控制理论可以分为两个主要领域：传统控制和现代控制。传统控制涵盖直到1950年为止所发展的概念和技术。现代控制涵盖1950年至今的技术。
传统控制因发展了反馈理论而变得更有意义。过去，为了稳定控制系统使用了反馈技术。反馈控制的一种早期使用是开发飞球调速器用来稳定火车头的蒸汽机。另一实例是20世纪20年代对电话信号使用反馈。问题是信号的长线传输。由于发生失真，可以串联添加到电话线上的转发器数量受到限制。Harold Stephen Black提出了一种使用反馈来限制失真的反馈系统。即使增加的反馈牺牲了转发器的某些增益，但它可以提高整体性能。
传统控制依赖于开发一种使用差分方程的控制系统模型。于是，使用拉普拉斯(LaPlace)变换来在频率域内表达方程组，其中可以对它们进行代数运算。从基准信号中扣除反馈信号来确定误差信号。其它控制基于误差信号。因此，系统用来使输出尽可能接近所需基准输入。由于数学上的复杂性，传统控制方法大多用于单输入单输出(SISO)系统。
进一步发展稳健控制的关键发展是根-轨迹(root-locus)方法。奈奎斯忒(Nyquist)、波特(Bode)和其它人认识到分母多项式的根可确定控制系统的稳定性。这些根被称为变换函数的“极点”。这些极点的位置必须在复频率图的左半平面内以确保稳定性。根轨迹方法发展为以图形显示s-多项式系数变化时极点在频率域内运动的方法。进入到右半平面内的运动意味着不稳定的系统。因此，根据系统对于分母系数微小变化的敏感度可以对它们作出判断。
另一方面，现代控制方法是在以计算机可以有效求解的方式构建控制系统方程组的认识下得到发展的。已经表明，描述控制系统的任何n阶差分方程可以简化为n个一阶方程。这些方程可写成矩阵方程形式。该方法常称之为状态可变方法。
现代控制方法已经非常成功，因为现代控制方法可以有效地在计算机上实施，它们可操作多输入多输出(MIMO)系统并可得到优化。已发展出优化恒定态矩阵的方法。例如，航天飞机控制系统可以得到优化以在最少时间内达到目的地，或使用最少量的燃料，或这两者的加权组合。为性能和成本而进行设计的能力使得这些现代控制系统变得十分合乎需要。
稳健的控制是指对具有受到未知干扰的未知动力学的未知设施的控制。显然，稳健控制系统的关键问题是不确定性和控制系统如何可处理这些问题。在该设施的模型中存在不确定性。在设施系统内有干扰。还存在传感器输入上读取的噪声。每一这些不确定性可具有附加或倍增的分量。
控制系统工程师要考虑三个主要课题：可观测性、可控性和稳定性。可观测性是观测系统内所有参数或状态变量的能力。可控性是将系统从任何给定状态移动到任何所需状态的能力。稳定性用于表达系统对任何有界输入的有界响应。任何成功的控制系统会具有并保持所有这三个特性。不确定性向尝试使用有限信息保持这些特性的控制系统工程师提出挑战。
过去，处理不确定性的一种方法是随机控制法。在随机控制中，系统中的不确定性被建模成概率分布。对这些分布进行组合而得出控制律。该方法涉及控制的期望值。但可能发生异常的情况，即提供不一定接近期望值的结果。对于具有安全性牵连的嵌入式控制系统来说，这是不可接受的。
稳健控制方法寻求限定该不确定性而不是将其表达为分布的形式。对不确定性给出界限，控制就可提供在任何情况下满足控制系统要求的结果。因此，稳健控制理论可表述为最坏情形分析方法而不是通常情形的方法。必须认识到，可能要牺牲某些性能来确保该系统满足一定的要求。
在本发明的一个实施例中，仍参照图4，用积分器92和94，将减法器86处的传感器A 82和传感器B 84所获得测量结果之差的估值对时间进行积分，以测量两个子组件之间的相对运动，其中带有因传感器偏置引起的模糊积分器偏差和漂移率。
从工程的角度，最大积分时间提供来自传感器对的系统误差预算的十分之一，该误差预算是偏置加偏移规格的上限。例如，如果在几秒钟内形成0.1度误差，则积分时间应为同样几秒的量级。
传感器C 96用来对转向角估算结果100提供一组校正数据，以便对不确定性设置边界，并执行稳健控制。具体来说，传感器C 96用来估算积分器偏差并还可有选择地用来估算惯性传感器的偏置误差。例如，(方程3)的绝对转向角的估算值可用来提供一组校正数据。将反馈增益K190和K288包括在内以闭合反馈环路。
图5A-5C更详细地示出图4框图80中的元件。图5A是框图110，它示出从两个测量传感器(传感器1112和传感器2114)中形成一单信号116的简单模拟装置。图5B示出框图120，它示出如何添加包括比例因子、积分器偏差或传感器偏置在内的校正122以产生精确的转向角结果。图5C示出添加的传感器偏置估算器的框图140。测量传感器偏置通常与温度变化、振动或电路元件老化相关联。图6示出由于传感器的偏置引起的积分器偏置154随时间和漂移152随时间的变化。
在本发明的一个实施例中，如图7所示，控制器170包括含有卡门(Kaman)滤波器180的反馈补偿器。在本发明的该实施例中，传感器C 176用来对卡门滤波器180提供绝对校正，该滤波器被配置成使用传感器A 182和传感器B 184的读数来提供转向角186的估算值。
传感器A可以通过使用惯性传感器或陀螺仪传感器来实现。
位于加里福尼亚州旧金山市内的Accelerant Technology公司已经制造出小型的惯性传感器加上一些软件，该传感器使用三个加速度计来测量本地加速度矢量的三个分量，使用三个磁力计来测量本地重力矢量的三个分量。加速度计是通过在数学上随时间确定加速度来测量加速度、速度和距离的传感器。
磁力计是测量本地磁场的设备。本地重力因子可通过使用测得的本地磁场而算得，因为本地重力场以及本地磁场都由本地地球几何结构所确定，如在由美国航空和航天协会公司于2000年出版的Robert M.Roger的“Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems(集成导航系统中的应用数学)”一书中的详细解释。的确，“Applied Mathematics in IntegratedNavigation Systems(集成导航系统中的应用数学)”示教了代表地球的几何形状和重力模型如何用来提供ECEF位置x-y-z分量与本地纬度、经度和方位位置之间的关系。“Applied Mathematics in Integrated NavigationSystems(集成导航系统中的应用数学)”还示教了如何导出导航系统中使用的惯性传感器的功能特征，以及如何导出惯性传感器随机误差的随时间变化的动态误差模型。
位于日本兵库县(Hyogo)660-0891的Sumitomo Precision BuildingAmagasaki的1-10Fuso-cho的Silicon Sensing Systems Japan(日本硅感测系统)有限公司制造出利用传感器元件(振动谐振器芯片)的科理奥利(Coriolis)效应感测转速(转动速率)的速率陀螺仪，可用于本发明的目的。新概念环形微电机的谐振器在大的温度范围内显示出卓越的抗外部冲击和振动的能力。
Spinning Mass Gyro是经典的陀螺仪，它具有绕只有运动轴(所以称为万向接头)稳定旋转的块。当陀螺仪倾斜时，陀螺仪的效应造成转动块轴的进动(正交于倾斜方向的运动)。该轴是用弹簧来固定的，弹簧张力与进动速度成正比。通过积分弹簧张力，可获得角度。因此，角速度(转动速率)传感器是速率陀螺仪。现今，大部分陀螺仪实际上都是速率陀螺仪。
第二传感器B可使用惯性传感器、陀螺仪传感器，或诸如GPS、激光测距等之类的不同类别传感器来实现，以便测量主体的运动速率。
应用
本发明的新转向角组件传感器方法已经被用来满足前轮转向和铰接转向(中心枢转)测量的受控闭环系统的转向角要求。角速率(例如，陀螺仪)传感器可以附连在臂组件之一或两者上，或附连在直接与车辆转向动作相关地转动的任何转向元件上。陀螺仪轴线应大致平行于被测量转动构件的转动轴，并可位于转动构件上的任何位置。转向元件的角度测量将与支承控制器和GPS天线的底盘相关。底盘和转向组件值之差是实际转向速率。在Automatic Guidance System(自动导向系统)系统中，转向传感器对于控制回路中的连续反馈元件十分关键。可使用与自动导向系统一起使用的几个传感器的选项来确立底盘角或角速率：(选项A)GPS位置和时程测量；(选项B)包括在自动导向系统控制器的惯性测量单元(IMU)部分(使用惯性传感器)内的陀螺仪传感器；以及(选项C)安装在底盘上的两个GPS天线(对于自动导向系统目前不提供该选项)。底盘陀螺仪(IMU)或GPS值可用来计算实际的转向速率作为准绝对转向角或角速率。计算的基础是使用GPS和相应地偏置所测量转向组件角速率来建立真实直线向前(不转动)的方向。陀螺仪信号的热漂移可以通过在停止时设定偏置电压来解决，就如陀螺仪在目前的IMU内进行的那样。使用陀螺仪传感器可通过对两个测量值取平均来直接计入与典型的Ackermann转向系统相关联的非线性。Ackermann转向系统可考虑用于本发明的目的，以实践使用不确定物理参数对系统进行稳健控制。
实例I
车辆转向轮角度的测量。
传感器A-速率陀螺仪附连到车辆的一个转向前轮上，感测平行于地面的平面。传感器B-速率陀螺仪附连到车辆的主体上，安装在同一平面上(或输出以测量同一平面的方式组合起来的陀螺仪组合)。测量C(见方程3)是基于车辆运动学行为的转向角的噪声测量。对于传感器A，可采用一个传感器+对于Kckermann转向非线性的补偿，或对安装在两个转向前轮上的两个传感器进行平均以抵消这种非线性。
实例II
挖掘机臂角测量
传感器A，安装在挖掘机主体上的速率陀螺仪。传感器B，安装在挖掘机臂上的速率陀螺仪。传感器C，当挖掘机臂处于其标称中心位置时，形成接触的基准接触开关。
本发明的另一方面涉及一种估算系统的至少两部分之间的相对坐标的方法。
在一个实施例中，本发明的方法包括以下步骤(未示出)：(A)为系统的至少两个部分中的每个提供至少一个坐标传感器；(B)对系统的每个相关部分测量一组相关坐标；以及(C)处理步骤(B)中所得的每个测量结果以估算系统至少两个部分之间的相对坐标。在本发明的此实施例中，相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。
在本发明的一个实施例中，该系统包括主体和至少一个子组件，步骤(A)还包括以下步骤(未示出)：(A1)将第一传感器A安装到至少一个子组件上以测量该子组件的运动速率；(A2)将第二传感器B安装到主体上以测量该主体的运动速率；以及(A3)提供第三绝对测量传感器C，它被配置成估算因第一传感器A的偏置和第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。在本发明的该实施例中，主体的运动速率选自以下构成的组：{线速度，线性加速度；角速度；以及角加速度}。在本发明的该实施例中，子组件的运动速率选自以下构成的组：{线速度，线性加速度；角速度；以及角加速度}。
在本发明的一个实施例中，该系统包括主体和至少一个子组件，步骤(B)还包括以下步骤(未示出)：(B1)使用第一传感器A来测量至少一个子组件的运动速率；(B2)使用第二传感器B来测量主体的运动速率；以及(B3)使用第三传感器C的测量来估算因第一传感器A的偏置和第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。
在本发明的一个实施例中，步骤(C)还包括以下步骤(未示出)：(C1)处理步骤(B1)中所得的测量结果和步骤(B2)中所得的测量结果以估算步骤(B1)中所得的测量结果和步骤(B2)中所得的测量结果之差；(C2)将步骤(B1)中获得的差值估算对时间进行积分以估算主体和至少一个子组件之间的相对运动；以及(C3)处理步骤(B3)中得到的估算结果以对步骤(C2)中获得的估算结果提供一组校正数据。
在本发明的一个实施例中，步骤(C2)还包括这样的步骤：对在步骤(C1)中获得的差值估算在基本上连续的时段上进行积分以估算主体和至少一个子组件之间的相对运动。
在本发明的一个实施例中，步骤(A)还包括以下步骤(未示出)：(A4)提供具有主体和至少一个可控地面轮子的车辆；(A5)提供传感器A，包括附连到车辆至少一个可控地面轮子的单一速率陀螺仪，其中传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；(A6)提供传感器B，它包括附连到车辆主体的至少一个速率陀螺仪，其中传感器B安装在选定平面内并被配置成测量该选定平面；(A7)提供传感器C，它被配置成根据车辆的运动学模型来估算车辆的绝对转向角；以及(A8)使用反馈补偿器，根据步骤(A7)中执行的绝对转向角估算来估算和补偿积分器偏差和漂移率。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和单一的可控地面轮子，步骤(A5)还包括以下步骤：(A5，1)提供传感器A，它包括附连到车辆可控地面轮子的单一速率陀螺仪；其中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；以及其中，提供对单一速率陀螺仪的Kckermann转向非线性的补偿。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和两个可控地面轮子，步骤(A5)还包括以下步骤：(A5，2)提供传感器A，它包括对安装在两个可控地面轮子上的两个陀螺仪传感器取平均，以抵消Kckermann转向非线性；其中，传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。
在本发明的一个实施例中，车辆包括主体和至少一个可控地面轮子，步骤(A)还包括以下步骤：(A6，1)提供传感器B，它包括输出被组合的陀螺仪组合；其中，传感器B被配置成测量选定的平面。
在本发明的一个实施例中，步骤(A)还包括以下步骤(未示出)：(A9)提供具有主体和可转动车辆臂的车辆；(A10)提供第一传感器A，它包括附连到可转动车辆臂上的速率陀螺仪；(A11)提供传感器B，它包括附连到车辆主体上的速率陀螺仪；以及(A12)提供传感器C，它包括被配置成在该臂处于其标称位置时形成接触的接触开关。
为了说明和描述的目的，示出对本发明具体实施例的以上描述。但它们并不意味着排它性，或者将本发明局限于所揭示的精确形式上，显然根据以上示教有可能作出许多修改和变化。选择实施例并进行描述是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，由此能使本技术领域技术人员在进行适于可构想的特定用途的各种修改的情况下更好地利用本发明和各种实施例。本发明的范围将由所附权利要求书及其等效方案来定义。

Claims (19)

1.一种用来估算系统的至少两个部分之间相对坐标的方法，包括以下步骤：
(A)对所述系统的所述至少两个部分中的每一个提供至少一个坐标传感器；
(B)对所述系统的每个所述部分测量一组相关坐标；以及
(C)处理所述步骤(B)中所得的每个所述测量结果以估算所述系统的至少两个所述部分之间的所述相对坐标；其中，所述相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统包括主体和至少一个子组件；其中，所述步骤(A)还包括以下步骤：
(A1)将第一传感器A安装到所述至少一个子组件以测量所述子组件的运动速率；其中，所述子组件的所述运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线性加速度；角速度以及角加速度}；
(A2)将第二传感器B安装到所述主体以测量所述主体的运动速率；其中，所述主体的所述运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线性加速度；角速度；以及角加速度}；以及
(A3)提供第三绝对测量传感器C，它被配置成估算由于所述第一传感器A的偏置和所述第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(B)还包括以下步骤：
(B1)使用所述第一传感器A来测量所述至少一个子组件的所述运动速率；
(B2)使用所述第二传感器B来测量所述主体的所述运动速率；以及
(B3)使用所述第三传感器C的测量来估算由于所述第一传感器A的偏置和所述第二传感器B的偏置引起的所述积分器偏差和所述漂移率。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(C)还包括以下步骤：
(C1)处理所述步骤(B1)中所得的所述测量结果以及所述步骤(B2)中所得的所述测量结果以估算所述步骤(B1)中所得的所述测量结果和所述步骤(B2)中所得的所述测量结果之差；
(C2)将所述步骤(C1)中获得的所述差值估算对时间积分，以估算所述主体和所述至少一个子组件之间的所述相对运动；以及
(C3)对处理所述步骤(B3)中所得的所述估算结果以向所述步骤(C2)中获得的所述估算结果提供一组校正数据。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(C2)还包括以下步骤：
(C2，1)将在所述步骤(C1)中获得的所述差值估算对基本上连续的时段进行积分，以估算所述主体和所述至少一个子组件之间的所述相对运动。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(A)还包括以下步骤：
(A4)提供具有主体和至少一个可控地面轮子的车辆；
(A5)提供所述传感器A，它包括附连到所述车辆所述至少一个可控地面轮子上的单一速率陀螺仪；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；
(A6)提供传感器B，它包括附连到所述车辆所述主体的至少一个的速率陀螺仪，其中，所述传感器B安装在所述选定平面内，并被配置成测量所述选定平面；
(A7)提供所述传感器C，它被配置成基于所述车辆的运动学模型估算所述车辆的绝对转向角；以及
(A8)使用反馈补偿器，基于所述步骤(A7)中所得的对所述绝对转向角的估算来估算和补偿所述积分器偏差和所述漂移率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述车辆包括主体和单一的可控地面轮子，其中所述步骤(A5)还包括以下步骤：
(A5，1)提供所述传感器A，它包括附连到所述车辆的所述可控地面轮子上的单一速率陀螺仪；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；且其中，提供对所述单一速率陀螺仪的Ackerman转向非线性的补偿。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述车辆包括主体和两个可控地面轮子；其中，所述步骤(A5)还包括以下步骤：
(A5，2)提供所述第一传感器A，它包括对安装在两个可控地面轮子上的两个陀螺仪传感器取平均以抵消Ackerman转向非线性；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(A6)还包括以下步骤：
(A6，1)提供所述传感器B，它包括输出被组合的陀螺仪组合；其中，所述传感器B被配置成测量所述选定平面。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(A)还包括以下步骤：
(A9)提供具有主体和可转动车辆臂的车辆；
(A10)提供所述第一传感器A，它包括附连到所述臂的速率陀螺仪；
(A11)提供所述传感器B，它包括附连到所述车辆的所述主体的速率陀螺仪；以及
(A12)提供包括接触开关的所述传感器C，所述开关被配置成在所述臂处于其标称位置时形成接触。
11.一种用来估算系统至少两个部分之间的相对坐标的设备，包括：
(A)用于对所述系统的每个所述部分测量一组相关坐标的装置；以及
(B)用于处理一组测量值以估算所述系统的至少两个所述部分之间的所述相对坐标的装置；其中，所述相对坐标是从以下构成的组中选择的：{相对位置坐标；相对位置速率(速度)坐标；相对位置加速度坐标；相对角坐标；相对角速率坐标；以及相对角加速度坐标}。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述系统包括主体和至少一个子组件，其中，所述装置(A)还包括：
(A1)第一传感器A，安装到所述至少一个子组件并被配置成测量所述子组件的运动速率；其中，所述运动速率是从以下构成的组中选择的：
{线速度；线性加速度；角速度；以及角加速度}；
(A2)第二传感器B，安装到所述主体并被配置成测量所述主体的运动速率；其中，所述运动速率是从以下构成的组中选择的：{线速度；线性加速度；角速度；以及角加速度}；以及
(A3)第三绝对测量传感器C，它被配置成估算由于所述第一传感器A的偏置和所述第二传感器B的偏置引起的积分器偏差和漂移率。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述装置(B)还包括：
(B1)被配置成估算由所述传感器A和所述传感器B获得的所述测量结果之差的装置；
(B2)被配置成将所述装置(B1)获得的所述差值估算对时间进行积分以估算所述主体和所述至少一个子组件之间的所述相对运动的装置；以及
(B3)被配置成处理由所述传感器C获得的所述估算结果以向由所述装置(B2)获得的所述估算结果提供一组校正数据的装置。
14.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述系统包括具有主体和至少一个可控地面轮子的车辆；其中，所述装置(A)还包括：
(A4)传感器A，它包括附连到所述车辆的所述至少一个可控地面轮子的单一速率陀螺仪；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；
(A5)传感器B，它包括附连到所述车辆所述主体的至少一个速率陀螺仪，其中，所述传感器B安装在所述选定平面内并被配置成测量所述选定平面；
(A6)传感器C，它被配置成基于所述车辆的运动学模型估算所述车辆的绝对转向角；以及
(A7)反馈补偿器，它被配置成基于由所述传感器C获得的对所述绝对转向角的估算来估算和补偿所述积分器偏差和所述漂移率。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述车辆包括主体和单一的可控地面轮子；其中，所述装置(A4)还包括：
(A4，1)所述传感器A，它包括附连到所述车辆所述可控地面轮子上的单一速率陀螺仪；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的选定平面；且其中，提供对所述单一速率陀螺仪的Ackerman转向非线性的补偿。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述车辆包括主体和两个可控地面轮子；其中，所述装置(A4)还包括：
(A4，2)所述第一传感器A，包括对安装在两个可控地面轮子上的两个陀螺仪传感器取平均，并被配置成抵消Ackerman转向非线性；其中，所述传感器A被配置成测量平行于地面的所述选定平面。
17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述装置(A5)还包括：
(A5，1)所述传感器B，它包括输出被组合的陀螺仪组合；其中，所述传感器B被配置成测量所述选定平面。
18.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述系统包括具有主体和可转动车辆臂的车辆；其中，所述装置(A)还包括：
(A8)传感器A，它包括附连到所述臂的速率陀螺仪；
(A9)传感器B，它包括附连到所述车辆的所述主体的速率陀螺仪；以及
(A10)包括接触开关的传感器C，所述开关被配置成在所述臂处于其标称位置时形成接触。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述系统包括具有主体和挖掘臂的车辆；其中，所述传感器C还包括：
开关，它被配置成在所述挖掘臂处于其标称中心位置时形成接触。
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