CN101334294B - 基于gps的车辆中传感器校准算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于GPS的车辆中传感器校准算法。一种利用GPS信号校准诸如偏航率传感器的转首角速度传感器的偏差和比例因子的系统和方法。该系统接收轮转速或者旋转信号、车辆里程表读数、GPS信号和偏航率信号。该系统包括根据轮转速信号和GPS信号确定是否存在车轮滑转的车轮滑转检测处理器。该系统还包括估计车辆加速度的基于车轮的加速度处理器。该系统还包括根据轮转速确定车辆航向的差动测距处理器。该系统还包括使用估计的车辆加速度和轮转速来确定GPS信号是否有效的GPS参考数据验证处理器。然后该有效的GPS信号被用于校准偏航率传感器信号，其可用于车辆航向的目的。

Description

基于GPS的车辆中传感器校准算法

技术领域

本发明通常涉及一种用于校准诸如惯性传感器(即偏航率(yaw-rate)传感器)的转首角速度传感器(heading rate sensor)的系统和方法，并且更特别地，涉及一种用于消除来自转首角速度传感器的传感器偏差和比例因子(scale factor)误差的系统和方法，以使用传感器信号提供精确的车辆航向。

背景技术

GPRS信号或者其他全球导航卫星系统(GNSS)信号可以提供准确的定位和导航。然而，例如，在密林覆盖的地区和城市峡谷中，GPS接收器遭受到与天空可见度相关的限制。而且，在这些地区中GPS信号会遭受相关的多路径误差或者互相关误差。因为现有的高度敏感且快速的重新获取GPS技术，在天空可见度暂时得到短时间(例如10-20秒)的改善时，即使在不太适宜的环境中，也可以得到精确的GPS信号。因此，GPS技术的连续性归结为在GPS的可用时间窗之间的GPS中断过程(outage)中维持定位精度。

诸如偏航率传感器和加速度计之类的汽车级(automotive-grade)惯性传感器具有导致传感器漂移的高度可变偏差和比例特性，该传感器漂移通常使得它们在没有适当的误差校正技术的情况下不适于导航和航向确定功能。例如，对于偏航率传感器偏差而言，某些汽车级偏航率传感器允许高达2度/秒的变化。如果这种变化没有被校正，并且在两分钟的时间内被允许，那么在零秒处具有0度/秒偏差而开始的偏航率传感器在120秒后会达到2度/秒的偏差。如果为了简单起见假设偏差是线性增长的，则通过累积(integrate)没有被校准的偏航率传感器信号而导出的航向变化将指示仅由偏差变化产生的120°的航向变化。

惯性传感器可以与GPS接收器结合使用以提供相当精确的车辆航向，并且即使在GPS信号不可用时，如果诸如车辆轮转速的距离度量可用，也能够定位。然而，汽车级惯性传感器通常不能提供与GPS信号相同级别的精度。当GPS信号可用时，GPS/惯性传感器集成系统可以使用GPS信号校准惯性传感器并且维持车辆航向和定位精度，并且在GPS信号不可用时使用经过校准的惯性传感器维持航向和位置解算(positionsolution)直到GPS信号再次可用。

已知的偏航率传感器校准算法通常作为两步过程来逼近偏差和比例校准，并且要求执行特殊的车辆操纵用于校准。例如，传感器偏差校准可能要求在已知时间段内沿直线驾驶车辆或者使车辆静止，以便可以作为传感器偏差误差的结果直接估计累积的偏航航向误差。对于比例校准而言，可能要求驾驶车辆通过受控弯道以提供比例校准。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种使用GPS信号校准诸如偏航率传感器的转首角速度传感器的偏差和比例因子的系统和方法。该系统接收轮转速或者旋转信号、车辆里程表读数、GPS信号和偏航率信号。该系统包括基于轮转速信号和GPS信号确定是否存在车轮滑转(wheel slip)的车轮滑转检测处理器。该系统还包括估计车辆加速度的基于车轮的加速度处理器。该系统还包括基于轮转速确定车辆航向的差动测距(differential odometry)处理器。该系统还包括使用轮转速和估计的车辆加速度确定GPS信号是否有效的GPS参考数据验证处理器。然后使用有效的GPS信号校准偏航率传感器信号，该偏航率传感器信号可以用于车辆航向的目的。

结合附图，根据下面的描述和随附的权利要求书，本发明的其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是横轴为时间、纵轴为航向的曲线图，其中包括示出由GPS信号、未经过校准的偏航率传感器信号、经过偏差校准的偏航率传感器信号和经过偏差和比例校准的偏航率传感器信号所提供的车辆航向的曲线；

图2为根据本发明实施例的车辆的平面图，其包括用于提供惯性传感器偏差和比例校准的系统；以及

图3为图2中示出的偏差和比例校准系统的方框图。

具体实施方式

本发明实施例的下述讨论针对一种用于提供惯性传感器偏差和比例校准以提供精确的车辆航向读数的系统和方法，该讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不打算限制本发明或者其应用或用途。

本发明提出一种使用GPS信号校准诸如偏航率传感器的转首角速度传感器的比例和偏差的系统和方法，从而维持惯性传感器的精度，使得当GPS信号不可用时允许使用汽车级偏航率传感器用于导航、定位、领航(heading)以及改善的车辆稳定性控制功能。本发明的算法使用同一数据集校准偏差和比例因子，并且不需要进行特殊的车辆操纵以实现校准。在一个非限制性实施例中，长达40秒的在1Hz或更高数据率的偏航率和GPS航向数据集被用于偏航率传感器的校准，在此期间可识别相对较直的驾驶区域和一个或多个车辆转弯(turn)。

图1是横轴为时间、纵轴为车辆航向的曲线图，其包括示出来自GPS信号的车辆航向的曲线10和示出对于未经过偏差和比例校准的偏航率传感器的车辆航向的曲线12。曲线14示出来自已经由本发明的算法进行了偏差校准的偏航率传感器的车辆航向，曲线16示出来自已经由本发明的算法进行了偏差和比例校准的偏航率传感器的车辆航向。

图2是车辆20的平面图，其包括前轮22和24以及后轮26和28。根据本发明实施例，车辆20还包括偏差和比例校准系统30。车轮22，24，26和28均分别包括轮转速传感器32，34，36和36，其向系统30提供轮转速和/或轮旋转信号。GPS接收器42向系统30提供GPS信号并且里程表44向系统30提供车辆里程表信号，尤其是驱动轴计数。此外，系统30从偏航率传感器46接收车辆偏航率信号并且从横向加速度传感器48接收车辆横向加速度信号。

图3是系统30的方框图，其中来自传感器32，34，36，和38的轮转速和/轮旋转信号在线52上提供，来自里程表44的里程表信号在线54上提供，来自GPS接收器42的GPS信号在线56上提供，并且来自偏航率传感器46的偏航率信号在线58上提供。正如将在下面进一步详细讨论的那样，系统30提供可以用于任何适当目的的车辆航向估计，所述适当目的例如数字罗盘、车辆导航、车辆稳定性控制等。当GPS信号可用时，系统30使用这些信号提供车轮航向并且使用该GPS信号校准偏航率传感器46的偏差和比例因子。当GPS信号不可用时，系统30使用先前校准的偏航率信号提供车辆航向。当GPS信号不可用并且偏航率传感器46不能正常工作时，那么系统30利用差动测距使用轮转速信号估计车辆转首角速度，其中以与校准偏航率传感器而提供车辆航向相同的方式，利用本发明的校准算法对差动测距进行偏差和比例校准。虽然为了车辆航向的目的系统30校准的是偏航率传感器46，但是可替换地，本发明的校准算法也可以用于任何车辆转首角速度传感器，例如差动测距传感器。

GPS参考数据的精度验证是本发明提供的传感器校准的一部分。对于本发明，车辆速度和位置估计被看作是用于校准过程的可用GPS参考速度数据。低成本GPS接收器通常使用伪距或者载波平滑(carriersmooth)伪距用于位置估计并且使用多普勒效应或者伪距变化率观测用于速度估计。在提到的所有GPS测量中，多普勒效应观测受多路径误差的影响最小。更重要的是，多路径误差也是汽车导航和定位应用的主要误差贡献者。因此，认为从多普勒效应导出的GPS速度在精度、可靠性和可用性方面比GPS位置估计好很多。

本发明的算法使用GPS报告的车辆速度和轮旋转/转速之间的比率来检验GPS参考数据的精度。这能够实现更可靠的检验而不使用位置域数据(position domain data)。除了基于GPS接收器42使用的可见GPS卫星的数量的一般的GPS数据验证技术之外，进行该检验，以产生一个解决方案(solution)和信噪比、每个卫星卫星高度和位置估计最小二乘残余(least square residuals)。

系统30包括车轮滑转检测处理器60，该车轮滑转检测处理器利用线52上的来自传感器32，34，36和38的每一个的轮转速和/或轮旋转信号和线56上的GPS信号检测车轮滑转并且最小化作为任意车轮22-28滑转结果的GPS验证机制的恶化。处理器60用作主要数据检验过程，并且利用简单的车轮速度(wheel velocity)-里程表速度比率以确定轮计数是否包括由车轮滑转产生的误差。根据一个非限制性实施例，处理器60利用根据基于下面等式(1)的算法的模型，确定是否存在任何车轮22-28的车轮滑转。

|v_i，GPS/v_{i，传感器}|≤δ              (1)

其中V_GPS是基于GPS的速度，V_传感器是基于轮传感器的车辆速度，δ是预定数据质量阈值。

如果处理器60确定不存在车轮滑转，那么轮转速和/或旋转信号以及里程表信号被发送给基于车轮的加速度估计处理器62或者可以由基于车轮的加速度估计处理器62适当使用，所述基于车轮的加速度估计处理器62估计车辆加速度。估计处理器62利用车轮速度的简单时间微分来估计车辆加速度。GPS位置和速度数据流通常因为处理延迟而滞后于车辆内的其他数据流。如果作为GPS信号处理和估计的一部分进行了过滤，那么这尤其正确。大多数可选的传感器使能的GPS接收器(即其中车辆传感器数据用于GPS位置和速度估计以及援助)发出触发脉冲以读取车辆数据消息，随后将该数据与GPS信号组合以提供内部组合的解决方案。因此，在相应GPS速度估计可用之前，通过轮转速传感器32，34，36和38可以得到特定时间的车辆速度。虽然这个延迟的量会变化，但是现有的硬件和软件已经显示出几十毫秒到一秒的延迟，最糟糕的情况是可选的传感器使能的GPS接收器。

处理器62使用从轮转速传感器32，34，36和38得到的估计的车辆加速度来识别由GPS信号的时间延迟导致的速度比率(GPS速度对基于车轮的速度)变化，因为它们是高度相关的。因此，与加速和减速期间GPS时间延迟相对应的比率变化不会被误识别为被破坏的GPS参考数据。

线56上的来自GPS接收器42的GPS信号和来自处理器60的轮转速/旋转信号被发送给重采样和时间同步处理器66，以使GPS信号和轮转速/里程表读数之间的时间帧同步，从而使车轮传感器数据流与GPS数据流同步。典型地，可以以高于GPS信号的采样率得到车辆传感器数据，并且因此，GPS信号速率控制发送给GPS验证过程的数据速率。例如，GPS信号可以是1Hz而车辆传感器可以是10Hz或者更高。

来自处理器66的时间同步的GPS信号和轮转速/旋转信号连同来自处理器62的加速度估计信号被一起发送给GPS参考数据验证处理器68。处理器68选择满足传感器校准的某些要求的有效GPS参考数据。传感器68的输出是识别特定时间段的GPS信号是否有效的信号。在一个非限制性实施例中，本算法利用基于下述等式(2)的模型提供在处理器68中对GPS参考数据的验证。

|v_i，GPS/v_{i，传感器}≤ka_i|              (2)

其中k为取决于所使用的GPS接收器的预定常数，a_i为由车轮数据时间差分化估计的车辆加速度。

线58上的偏航率传感器信号和来自处理器68的有效GPS信号被发送给偏差和比例校准处理器70。处理器70利用有效GPS信号消除偏差并且校准偏航率传感器46的比例因子，使得在GPS信号无效时，偏航率传感器46可以被用于车辆航向的目的。在一个实施例中，处理器70中使用的校准算法将GPS航向轮廓(profile)和偏航率航向轮廓当作两个形状，即，通过时间积分偏航率信号产生的，并且试图估计偏差和比例因子从而在模型中实现最小化。这个过程由下述等式(3)所示。

其中N为数据点的数量，α_i为信号出现时间(epoch)i的相对重要性，GPS_i为GPS航向(时间＝i)，S为比例因子，B为偏航偏差，传感器_i为例如使用下面的等式(6)导出的基于偏航的航向(时间＝i)。

等式(3)给出的模型也允许包含校准数据集中各个观测值的相对重要性的权重。例如，如果在GPS航向数据集中检测到几个错误的航向观测值，即使用GPS航向数据的连续性、车辆动态约束和基于偏航率的航向检测的几个错误的航向观测值，所述GPS航向数据集具有大得多的连续性，那么在参数优化过程中可以给那些数据点分配较小的权重或者甚至忽略。

在优化等式(3)的模型之前，该算法为偏差和比例参数建立两个搜索空间。基于GPS读数和利用理想偏航率传感器假设的基于偏航率的航向估计之间的航向差异，该算法估算偏差值并且在这个近似的偏差周围定义搜索空间。例如通过利用未校准的偏航率信号，其还选择可识别的车辆转弯(turn)，并且与导致比例因子的搜索空间误差估计一起估计近似的比例因子，。接着，进行搜索以估计最优偏差和比例因子值。

该校准算法的实际实施方式可能根据用于GPS信号的积分机制(integration mechanism)和车辆传感器而变化。例如，在复杂的实施方式中从经过校准的传感器得到的车辆航向可以反馈回GPS位置和速度估计处理器。在任何实施方式中，传感器的频繁校准将提高估计的航向的精度。理想地，使用有效GPS数据的最近片段作为连续过程进行该校准。然而，这可能是不可行的，因为车辆平台中的处理资源有限，因此在有效参考数据可用的任何时间并且当检测到显著的传感器偏差或者比例偏离时，需要自动化机制触发新校准更新。

可以使用基于下面等式(4)和(5)的模型监控有效GPS数据片段和相应的经过校准的传感器数据报告的航向中的显著变化，以触发校准参数的更新。

max|φ_{i，传感器}/φ_i，GPS|≤δ_比例                 (4)

其中φ_传感器为基于传感器的航向(偏航率或者差动测距)，φ_GPS为基于GPS的航向，δ_比例为比例因子阈值，δ_偏差为偏差阈值。

轮转速和/或旋转信号以及里程表信号也被发送到差动测距处理器64或者可以被差动测距处理器64使用。差动测距处理器64利用来自轮转速传感器32，34，36和38的轮旋转计数，以根据两个车轮例如车轮22和26或者24和28之间的距离确定车辆航向。处理器70中的偏差和比例校准算法还可以用于校准差动测距信号的偏差和比例。

然后将来自处理器70的偏差和比例校准因子连同线58上的偏航率信号一起发送给航向估计处理器72。处理器72中使用的航向估计算法利用经过处理器70中的算法校准的偏航率信号来估计车辆航向。在一个非限制性实施例中，通过下面的等式(6)中的模型，比例和偏差因子可以被用于估计校准过的基于偏航率传感器的航向。

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\φ}}_{i-1}+S(\∂{\mathrm{\φ}}_i-\mathrm{\Γ})\mathrm{dT}---\left(6\right)$

其中φ为基于偏航率传感器的航向，

为偏航率，S为比例因子，Γ为偏差因子，dΓ为偏航率传感器数据间隔(1/采样率)。

如果在任何特定时间偏航率信号不可用，那么航向估计处理器72可以利用来自测距处理器64的航向信号。许多因素均会导致处理器72不利用线58上的偏航率传感器信号，例如传感器故障。本领域中众所周知的是，通过车辆的两个前轮和后轮的轮转速提供车辆航向。然而，正如本领域所熟知的那样，与使用偏航率传感器提供车辆航向相比它不太准确

然后可以在车辆20上的任何合适系统(例如数字罗盘74)中使用来自处理器72的航向估计。

上面的讨论仅仅公开并且描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这种讨论和附图以及权利要求书中容易理解，可以对其进行各种改变、修改和变形而不脱离如下述权利要求书中限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于确定车辆航向的系统，所述系统包括：

GPS接收器，其提供指示车辆位置的GPS信号；

偏航率传感器，用于提供指示车辆的偏航率的偏航率信号；

加速度估计处理器，用于确定车辆的加速度并且提供加速度信号；

GPS验证处理器，其接收GPS信号、轮转速或旋转信号以及加速度信号，并且确定该GPS信号是否有效；以及

响应于偏航率传感器信号和GPS信号的偏差和比例校准处理器，如果该验证处理器确定GPS信号是有效的，那么所述校准处理器使用GPS信号为偏航率传感器信号提供偏差和比例校准因子。

2.根据权利要求1的系统，还包括轮转速传感器和响应于轮转速信号的车轮滑转检测处理器，该轮转速传感器用于提供车辆上的车轮的转速或旋转的轮转速或者旋转信号，所述车轮滑转检测处理器确定是否存在车轮滑转。

3.根据权利要求2的系统，其中车轮滑转检测处理器利用下述等式判断车轮滑转：

|V_i，GPS/v_{i，传感器}|≤δ

其中V_GPS是基于GPS的速度，V_传感器是基于轮转速传感器的车辆速度，δ是预定的数据质量阈值。

4.根据权利要求1的系统，还包括响应于来自校准处理器的偏差和比例校准因子以及偏航率信号的航向估计处理器，所述航向估计处理器利用校准因子和偏航率信号提供车辆航向。

5.根据权利要求4的系统，其中航向估计处理器利用下述等式提供车辆航向：

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\φ}}_{i-1}+S({\∂\mathrm{\φ}}_i-\mathrm{\Γ})\mathrm{dT}$

其中φ为基于偏航率传感器的航向，

为偏航率，S为比例因子，Γ为偏差因子以及dT为偏航率传感器数据间隔。

6.根据权利要求1的系统，其中GPS验证处理器利用GPS信号提供的速度和轮转速或者旋转信号提供的速度之间的比率确定GPS信号是否有效。

7.根据权利要求1的系统，其中加速度估计处理器利用轮转速的时间差分来估计车轮加速度。

8.根据权利要求1的系统，其中偏差和比例校准处理器利用下述等式确定偏差和比例校准因子：

其中N为数据点的数量，α_i为信号出现时间i的相对重要性，GPS_i为GPS航向，其中i为时间，S为比例因子，B为偏航偏差以及传感器_i为基于偏航的航向。

9.根据权利要求1的系统，还包括使GPS信号和轮转速信号之间的时间帧同步的重采样和时间同步处理器。

10.根据权利要求1的系统，还包括差动测距处理器，用于基于车轮旋转计数确定车辆航向。

11.一种用于校准车辆中的传感器的偏差和比例的系统，所述系统包括：

提供传感器信号的转首角速度传感器；

GPS接收器，其提供指示车辆位置的GPS信号；

GPS验证处理器，接收GPS信号并且使用轮转速和估计的车辆加速度来确定该GPS信号是否有效；以及

响应于来自转首角速度传感器的传感器信号和GPS信号的偏差和比例校准处理器，如果GPS验证处理器确定GPS信号有效，则所述校准处理器使用GPS信号为来自转首角速度传感器的传感器信号提供偏差和比例校准因子。

12.根据权利要求11的系统，还包括响应于来自该校准处理器的偏差和比例校准因子以及来自转首角速度传感器的传感器信号的航向估计处理器，所述航向估计处理器利用校准因子和来自转首角速度传感器的传感器信号提供车辆航向。

13.一种用于确定车辆航向的系统，所述系统包括：

GPS接收器，其提供指示车辆位置的GPS信号；

偏航率传感器，用于提供指示车辆的偏航率的偏航率信号；

多个轮转速/轮旋转传感器，用于提供车辆上的车轮的轮转速或轮旋转的信号；

车轮滑转检测处理器，其响应于该轮转速或轮旋转信号并且确定任何车轮是否具有车轮滑转；

加速度估计处理器，用于基于该轮转速或轮旋转信号确定车辆的加速度；

GPS验证处理器，其接收GPS信号和加速度信号，并且确定该GPS信号是否有效；以及

响应于偏航率传感器信号和GPS信号的偏差和比例校准处理器，如果该验证处理器确定GPS信号是有效的，那么所述校准处理器使用GPS信号为偏航率传感器信号提供偏差和比例校准因子；以及

响应于来自校准处理器的偏差和比例校准因子以及偏航率信号的航向估计处理器，所述航向估计处理器利用校准因子和偏航率信号提供车辆航向。

14.根据权利要求13的系统，其中车轮滑转检测处理器利用下述等式确定车轮滑转：

|v_i，GPS/v_{i，传感器}|≤δ

其中V_GPS是基于GPS的速度，V_传感器是基于轮转速传感器的车辆速度，δ是预定的数据质量阈值。

15.根据权利要求13的系统，其中航向估计处理器使用下述等式提供车辆航向：

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\φ}}_{i-1}+S({\∂\mathrm{\φ}}_i-\mathrm{\Γ})\mathrm{dT}$

其中φ为基于偏航率传感器的航向，为偏航率，S为比例因子，Γ为偏差因子以及dT为偏航率传感器数据间隔。

16.根据权利要求13的系统，其中GPS验证处理器利用GPS信号提供的速度和轮转速或者轮旋转信号提供的速度之间的比率确定GPS信号是否有效。

17.根据权利要求13的系统，其中加速度估计处理器利用轮转速的时间差分来估计车轮加速度。

18.根据权利要求13的系统，其中偏差和比例校准处理器利用下述等式确定偏差和比例校准因子：

其中N为数据点的数量，α_i为信号出现时间i的相对重要性，GPS_i为GPS航向，其中i是时间，S为比例因子，B为偏航偏差以及传感器_i为基于偏航的航向。

19.根据权利要求13的系统，还包括使GPS信号和轮转速信号之间的时间帧同步的重采样和时间同步处理器。

20.根据权利要求13的系统，还包括差动测距处理器，用于基于车轮旋转计数确定车辆航向。

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