CN101855517A - 目标的方位测量 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种目标方位测量系统，用于改善装有该系统的目标的方位的第一估算值准确度，该系统包括：用于测量目标的第一加速度的加速度计；提供目标的位置或速度的估算单元；以及处理装置，用于将第一加速度和估算单元的输出进行比较，以形成校正信号，并且还用于将校正信号应用到目标的方位的第一估算值，以产生目标的方位的第二估算值。

Description

目标的方位测量

技术领域

本发明涉及目标的方位测量，具体地涉及用加速度计测量目标方位的方法和系统。

背景技术

可将三维加速度计装附于各种目标上，并可按三维方式测量目标的加速度。作为这些测量的一部分，加速度计测量由重力引起的作用在目标上的力。

通过利用测量由重力引起的作用在目标上的力，加速度计能够用作倾斜传感器来测量目标相对于地球的角方位。

然而，由于加速度计不能区分由重力引起的力和由于非重力的“惯性力”引起的加速度，所以，在大多数情况下，能够确定所测得的加速度与重力的不符，但是仅从这些测量结果不能确定目标的方位。

此外，通常不可能通过对加速度计的测量结果求积分来估算(estimate)目标的位置。这有如下三条理由：首先，由于重力和“惯性力”所引起的总加速度的各个部分都是未知的；第二，“惯性力”作用的方向相对于重力作用的方向是未知的；以及第三，必须两次积分加速度测量结果才能得到位置测量结果，而由于测量结果的漂移(drift)，这实际上是不可能精确地实现的。

众所周知，利用三维加速度计测量目标倾斜与两维或三维磁强计测量地球磁场的组合，能测量或确定目标的方位。

图1示出这种系统的方框图。系统2包括加速度计4和磁强计6，它们提供加速度测量，并得出装有加速度计4和磁强计6的目标的相应方向(heading)。

该系统2还包括用于存储目标方位的先前估算值(estimate)Q的寄存器或存储器8。该方位Q可按数学方式表示为四元数、欧拉角或者任何其它合适的方位表达。

第一单元10对于在基于地球的参考系中由重力(矢量G)对目标引起的加速度提供预期测量结果。该预期测量结果提供给第一变换单元11，第一变换单元11根据目标方位的先前估算值Q计算来自加速度计4的预期测量结果。换言之，第一变换单元11将在基于地球的参考系中与重力相关的矢量G转换到相对于目标固定的参考系中。

同样，第二单元12对于在基于地球的参考系中的磁场(矢量M)提供预期测量结果。该预期测量结果提供给第二变换单元13，第二变换单元13根据目标方位的先前估算值Q计算来自磁强计6的预期测量结果。第二变换单元13也是将矢量M转换到相对于目标固定的参考系中。

加法器14确定分别来自加速度计4和磁强计6的实际测量结果与它们的来自第一变换单元11和第二变换单元13的预期值之间的差值。所得到的误差信号提供给乘法器15。

在单元18中，通过对估算信号关于方位估算值Q求微分(differentiating)，计算估算的加速度计4和磁强计6的信号对方位估算值的灵敏度矩阵。在逆变块20中对灵敏度矩阵求逆(例如，通过伪逆变)。

将逆变块20的输出提供给乘法器15。乘法器15将逆变块20的输出和来自加法器14的误差信号组合，产生校正值ΔQ。

在更新器22中，将校正值ΔQ与方位的先前估算值Q组合，产生方位的新估算值Q，存储在寄存器或存储器8中。

当把方位估算值Q表示为四元数时，更新器22是称为四元数乘法器的乘法器。当使用旋转矩阵表示方位估算值Q时，更新器是称为矩阵乘法器的乘法器。

然后该过程以迭代循环方式重复。

如上所述，加速度计4给出的各测量结果随目标方位的变化(即从目标和加速度计的观点沿不同方向的重力引力)而变化，同时也随作用于目标的其它非重力的结果而变化。加速度计4不能区分这些重力和“惯性力”。因此，为了在解决因目标运动引起的高频加速度力的同时跟踪目标的快速旋转，将三维陀螺仪加入到系统2中。

图2示出带陀螺仪的系统。这里的方位重构算法基本上与图1的相同，其差别是现在还用来自陀螺仪24的测量结果更新方位估算值Q。特别是为了角速度测量结果与角方位Q的正确积分，在第二更新器28中与更新器22的输出组合之前，在第二乘法器26中，用采样周期dt乘陀螺仪24的测量结果。

在将校正值ΔQ提供给第一更新器22之前，还通过第三乘法器30用因子K(其中K＜＜1)加权校正值ΔQ。

然而，使用陀螺仪的缺点是，它们相当昂贵、体积大，而且功耗大。

因此，在使用加速度传感器和磁强计来测量目标方位的系统中，当加速度是由除作用在目标上的重力以外的力所引起时，这种估算的目标方位将是不准确的。

比如，考虑一桶水围绕水平轴回转。假定桶以足够快的速度回转，当桶在回转的顶部被倒置时水不会落下，因为作用在水上的重力和惯性力的合力将向上，而当桶在回转的底部时，作用在水上的重力和惯性力的合力将向下。

如果把加速度传感器放置在桶中，由于方位重构算法期望所测加速度对应于重力(重力总是作用向下)而不考虑因桶回转所引起的加速度力(在所有现有技术的系统，如图1和2所示系统中都是如此)，所以当桶在回转的顶部时，估算的方位Q是相当不准确的。

如上所述，为了避免这种问题，在该系统中可以包含陀螺仪。然而，陀螺仪具有漂移，这意味着陀螺仪测量结果的低频分量(DC)可能是不可靠的。因此，在包含陀螺仪的系统中，在利用图2所示加速度计和磁强计的组合的同时，要增加低频反馈回路，以便补偿陀螺仪测量结果的漂移。

如果作用在目标上的加速度力是瞬时的(例如，桶仅回转几秒钟)，这些现有技术系统适用。然而，陀螺仪的漂移和加速度计的失败补偿意味着：如果目标加速度持续超过几秒钟，则方位估算可能是完全错误的。

因此，需要改善用加速度计测量或估算目标方位的方法和系统。

发明内容

因此，本发明提供一种目标方位测量系统，用于改善装有该系统的目标的方位的第一估算值准确度，该系统包括：用于测量目标的第一加速度的加速度计；提供目标的位置或速度的估算单元；以及处理装置，用于将目标的第一加速度和目标的位置或速度进行比较，以形成校正信号，并用于将校正信号应用到目标的方位的第一估算值，以产生目标的方位的第二估算值。

根据本发明的第二方面，提供一种用于改善目标方位的第一估算值准确度的方法，该方法包括：测量目标的第一加速度；提供目标的位置或速度；将目标的第一加速度和目标的位置或速度进行比较，以形成校正信号；以及将校正信号应用于目标方位的第一估算值，以产生目标方位的第二估算值。

附图说明

现在仅仅通过实例参考下面的附图描述本发明，其中：

图1示出使用加速度计和磁强计的测量结果来估算目标方位的现有技术系统；

图2示出使用加速度计、磁强计和陀螺仪的测量结果来估算目标方位的现有技术系统；

图3示出本发明第一实施例用于测量目标方位的系统；

图4示出本发明第二实施例用于测量目标方位的系统；以及

图5示出本发明第一实施例用于测量目标方位的另一系统。

具体实施方式

本发明通过对于目标的运动补偿由加速度计所做的测量来改善如图1所示的系统。按照这样的方式，就能够识别因重力和非重力所引起的由加速度计所做测量结果的各个部分。

现在参照附图3描述本发明的第一实施例。目标方位测量系统32包括加速度计34和磁强计36，加速度计34和磁强计36对于装有它们的目标的各处地球磁场，提供加速度的测量结果和方向(heading)。下文中将加速度计34对目标的加速度测量结果称作“第一”加速度。

系统32还包括用于存储目标方位的先前估算值Q的寄存器或存储器38。该方位Q可按数学方式表示为四元数、欧拉角或其它合适的方位表达。

在该实施例中，第一计算单元40在基于地球(或至少基于非目标)的参考系中为由于重力和非重力引起的目标的加速度提供预期测量结果，因此，与图1所示的系统不同，通过考虑重力和其它的目标的加速度来计算预期测量结果。

第一计算单元40包括估算单元41，用于估算因作用在目标上的非重力引起的目标加速度。估算单元41包括用于测量目标位置P的位置传感器42。位置传感器可以是任何合适的传感器，例如像全球定位系统接收器、激光跟踪系统、视觉跟踪系统、进行电容性测量或电感性测量的一个或多个传感器的这样一类的传感器。除全球定位系统接收器之外，这些位置测量系统测量目标相对于具有已知位置的一个参考点或多个参考点的位置。

来自位置传感器42的测量结果被相继设置的微分块44和46关于时间两次微分，并提供给第一加法器48。因而，微分块46的输出将表示因作用在目标上的非重力所引起的目标加速度。该部分目标加速度在下文中称为“第二”加速度。

应能理解，可以由一个以单一操作来计算位置测量结果P的二阶微分的模块代替顺序设置的微分块44和46。

此外，还应能够理解，可以测量目标的速度(或许是从位置测量结果得到速度，或者相反地是直接测量速度)，并且通过对速度测量结果一次微分来计算目标的加速度。

第一计算单元40还包括第一存储单元50，第一存储单元50存储矢量G，矢量G表示因地球坐标(或其它基于非目标的)参考系中的重力所引起的加速度，并将矢量G提供给第一加法器48。这部分目标加速度在下文中称为“第三”加速度。

第一加法器48组合模块46以及第一存储器50的输出(第二和第三加速度)，以产生目标加速度的净值(net value)。

将第一加法器48的输出与目标方位的先前估算值Q一道提供给第一变换块52，第一变换块52将第一加法器48的输出转换到目标参考系，从而为特定的目标方位Q确定来自加速度计34的预期测量结果。

设置第二存储单元54和第二变换单元56，根据目标方位的先前估算值Q和表示地球磁场的矢量M计算来自磁强计36的预期测量结果。

第二加法器58分别接收来自第一和第二计算单元40、54的加速度计34和磁强计36的预期测量结果，并接收来自加速度计34和磁强计36的实际测量结果，确定实际测量结果和它们的期望值之间的差值。该差值是个误差信号，并将该差值提供给第一乘法器60。

在单元64中，通过对估算信号关于方位估算值Q求微分来计算估算的加速度计34和磁强计36的信号对方位估算值的灵敏度矩阵。在逆变块66中，对所述灵敏度矩阵求逆(例如通过伪逆变)。

逆变块66的输出提供给第一乘法器60。第一乘法器60将逆变块66的输出与来自第二加法器58的误差信号组合，产生校正值ΔQ。

在更新器68中，将校正值ΔQ与方位的先前估算值Q组合，产生存储在寄存器或存储器38中的方位的新估算值Q。

如前面所述的那样，当把方位估算值Q表示为四元数时，更新器68是称为四元数乘法器的乘法器。当使用旋转矩阵表示方位估算值Q时，更新器是称为矩阵乘法器的乘法器。

然后，系统32以迭代循环方式重复该过程，以便更新方位估算值Q，这是因为目标响应在目标上的力而运动。

通过用目标位置的二阶导数或目标速度的一阶导数补偿预期的加速度测量结果，使所预期的目标加速度测量值更加准确，以此结果，改善了目标方位的估算值。此外，这样的改善足够显著地减少或者甚至是免除了在该系统中要包括陀螺仪的需求。

本发明的这一实施例特别适合用于各种运输方式，例如，小汽车，公共汽车，火车，船，飞机和直升机，以致系统34能确定交通工具行驶的方向，或者本发明的这一实施例特别适合在飞机或直升机中提供人工地平仪。本发明还适合于室内应用，例如测量人体一部分的方位。

然而，如果在系统32中包括了陀螺仪，例如通过包括如图2所示的附加部件24-30而在系统32中包括了陀螺仪，那么与现有技术相比进一步改善了方位估算的准确度。

在有些目标方位测量系统的应用中，众所周知的是，目标的所有运动都起因于旋转，例如在康复应用中人体的上肢和下肢。这意味着由目标方位的变化而引发所有的“惯性”力。在这种情况下，可用加速度计使这些加速度因所述测量结果的预期值而得到补偿。

下面将参考附图4描述适合这类应用的本发明的第二实施例。

目标方位测量系统72的许多部分与附图3所示系统32的许多部分对应。对于系统72与系统32相同的部件已经给出相同的附图标记，并且下面不再描述这些部件。

在系统72中，第一计算单元80在基于地球(或至少基于非目标)的参考系中为因重力和非重力所引起的目标加速度提供预期测量结果。与第一实施例一样，通过考虑重力和其它的目标的加速度来计算加速度计34的预期测量结果。然而，在该实施例中，不是使用位置传感器测量目标的位置，而是使用目标的体模型(body model)和目标方位的估算值Q来计算目标的位置P。

因而，第一计算单元80包括估算单元81，估算单元81本身包括体模型82，体模型82包含多个目标运动方程，作为目标方位的函数。于是，体模型使目标的特定方位与特定位置相链接。将体模型82与目标方位的先前估算值Q一道提供给第三变换单元84。

第三变换单元84使用目标方位的先前估算值Q计算目标的位置P(如方框86所示)。

然后，算得的位置P被相继设置的微分块88和90关于时间微分两次，并提供给第一加法器92。因而，微分块90的输出将表示因作用在目标上的非重力所引起的目标加速度。如前所述，这部分目标加速度在下文中称为“第二”加速度。

此外，还应该理解，可以由一个模块代替顺序设置的微分块88和90，所述这一个模块以单一操作计算所算得的位置P的二阶微分。

第一计算块80还包括第一存储单元94，第一存储单元94存储表示因地球坐标(或其它基于非目标的)参考系的重力所引起的目标加速度的矢量G，并将矢量G提供给第一加法器92。

第一加法器92组合模块90和第一存储单元94的输出(第二和第三加速度)，得出目标加速度的净值。

将第一加法器92的输出与目标方位的先前估算值Q一道提供给第一变换块52，第一变换块52将第一加法器92的输出转换到目标参考系，从而为特定的目标方位Q确定来自加速度计34的预期测量结果。

这之后，系统72计算误差信号和校正值，与上面对附图3的描述一样。

此外，通过用目标位置的二阶导数或目标速度的一阶导数来补偿所述预期的加速度测量结果，该预期的测量结果值更加准确，以此使目标方位的估算值得到改善。

另外，在系统72中可以包括陀螺仪，与附图2所示的一样，相对于现有技术进一步改善了方位估算的准确度。

所描述的系统72还可以改善目标的方位测量，甚至在使用各种复杂的体模型时也是如此。这样的体模型会包括铰接的目标的模型(如胸腔、上臂、下臂和手)。在一个实施例中，在体模型中被识别的目标的不同部分可以各自具有附着于其上的加速度计和磁强计，用于测量目标的该部分(例如，可以对上臂和下臂分开测量)。

在一个实施例中，在同一迭代过程期间，系统72能估算目标的所有部分的方位，这意味着该系统中的每个部件能处理目标所有部分的估算方位和测量结果。然而，该种方案的缺点是，对于具有许多铰接的目标的较大体模型，计算灵敏度矩阵在计算强度方面将是密集的。

可供选择的是，可以采用分级体模型，其中假定“母肢(parentlimbs)”的方位估算独立于“子肢(child limbs)”的测量(例如，臂的上部的方位估算与臂的下部的测量无关)。在该种情况下，灵敏度矩阵应该仅包括在该迭代期间所考虑的那部分目标的运动所引起的那些加速度。

例如，假设在人体臂的上部和下部有传感器装置，而且要确定的是整个臂的姿势。在该种情况下，下臂的体模型应该包括如下的加速度力：因肩关节的角加速度引起的力，因肩关节的角速度引起的离心力，因肘关节的角加速度引起的力，以及因肘关节的角速度引起的离心力。然而，灵敏度矩阵应该仅包括Q的灵敏度，Q的灵敏度是因肘关节角加速度引起的力和因肘关节角速度引起的离心力的函数，而不是与肩有关的力的函数。

应该理解，在附图3和4的系统中，把对非重力的补偿加给重力，以产生加速度计34的测量结果的预期值。然而，可以理解的是，可以代之以从加速度计34所做的实际测量结果中减去所述补偿。

附图3和4示出的每个系统所采用的方案都是利用估算的方位Q将预期的加速度计和磁强计的测量结果转换到目标参考系中。

然而，也可以采用这样的方案：使用估算的方位Q将加速度计和磁强计的实际测量结果转换到地球坐标中(而不是在目标参考系中)，随后用于利用地球坐标中期望的力和场来计算所述校正信号。

附图5示出如何修改本发明的第一实施例来实现这样的方案。

此外，目标方位测量系统102的许多部分与附图3所示系统3的许多部分对应。对系统102与系统32相同的部件已经给出了相同的附图标记，并且下面就不再描述这些部件。

因此，在系统102中，使用位置传感器42测量的位置的二阶微分和存储在存储器50中的矢量G计算加速度计34的预期测量结果。该预期测量结果(在地球坐标参考系中)直接提供给灵敏度矩阵62和第二加法器58。

同样地，由存储在存储器104中的矢量M(在地球坐标参考系中)表示的磁强计的预期测量结果，也直接提供给灵敏度矩阵62和第二加法器58。

在该实施例中，分别用使用方位的先前估算Q的第一和第二变换单元106和108，将加速度计34和磁强计36的测量结果(在目标参考系中测得)转换到地球坐标参考系中。

如果希望，可以按照类似方式修改本发明的第二实施例。

对本发明的进一步修改可以包括：由(从位置传感器、体模型或另外的得到的)位置测量结果计算由于非重力所引起的估算的加速度，使用该估算的加速度形成校正信号。代替对位置测量结果的双重微分，现在需要对来自第一存储单元的G的值和来自加速度计的测量结果进行两次积分。

尽管主要是关于硬件描述了本发明，但是，应该理解，能用软件容易地实现该系统的一个或多个部件。

因此，描述了一种使用加速度计确定目标方位的系统和方法。

尽管在附图和前面的说明中详细地描述和说明了本发明，但是认为这样的描述和说明是示意性或示范性的，并且是非限制性的；本发明不限于这里公开的实施例。

在实施要求保护的本发明时，本领域技术人员通过研究附图、公开的内容和所附的权利要求，能理解和实现对所公开的实施例的变化。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词不排除多个。信号处理器或其它单元，可以实现在权利要求书中限定的几项功能。在相互不同的从属权利要求中限定的某些措施的事实并不表明这些措施的组合不能有利被使用。不应该认为在权利要求书中的任何附图标记限制本发明的范围。计算机程序可以存储/分配在合适介质上，例如以其它硬件一起或作为其它硬件的一部分而提供的光学存储介质或固态介质，还可以以其它形式分配计算机程序，例如，通过因特网或其它有线或无线的电信系统。

Claims (22)

1.一种目标方位测量系统(32；72；102)，用于改善装有该系统的目标的方位的第一估算值准确度，该系统包括：

用于测量目标的第一加速度的加速度计(34)；

提供目标的位置或速度的估算单元(41；81)；以及

处理装置(58，60，64，68)，用于将第一加速度和估算单元的输出进行比较，以形成校正信号，以及用于将校正信号应用到目标的方位的第一估算值，以产生目标的方位的第二估算值。

2.如权利要求1所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(41)包括用于测量目标位置的位置或速度传感器(42)。

3.如权利要求2所述的目标方位测量系统，其中，位置或速度传感器(42)包括如下之一：全球定位系统接收器，激光跟踪系统，视觉跟踪系统，进行电容性测量或电感性测量的传感器。

4.如权利要求1所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(81)包括用于目标的体模型(82)。

5.如权利要求4所述的目标方位测量系统，其中，体模型(82)包含用于目标的一个或多个运动方程。

6.如权利要求4或5所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(81)适于用体模型(82)使用目标的方位的第一估算值来估算目标的位置或速度。

7.如前面权利要求中任一项所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(41；81)提供目标的位置，并且所述估算单元进一步还包括微分块(44，46；88，90)，微分块(44，46；88，90)关于时间对位置两次微分，以产生目标的第二加速度。

8.如权利要求1至6的任一项所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(41；81)提供目标的速度，并且所述估算单元进一步还包括微分块，微分块关于时间对位置微分一次，以产生目标的第二加速度。

9.如权利要求1至6的任一项所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(41；81)提供目标的位置，并且所述系统进一步还包括积分块，积分块关于时间对目标的第一加速度两次积分，以产生目标位置的估算值。

10.如权利要求1至6的任一项所述的目标方位测量系统，其中，估算单元(41；81)提供目标的速度，并且所述系统进一步还包括积分块，积分块关于时间对目标的第一加速度积分一次，以产生目标的速度的估算值。

11.如前面权利要求中任一项所述的目标方位测量系统，该系统进一步地包括一个或多个变换块(52，56；106，108)，用于将相应的测量结果或估算值从相对于目标为不固定的参考系转换到相对于目标为固定的参考系，或者反之亦然。

12.如权利要求11所述的目标方位测量系统，其中，一个或多个变换块(52，56；106，108)使用目标的方位的第一估算值转换相应的测量结果或估算值。

13.如权利要求11或12所述的目标方位测量系统，其中，一个或多个变换块(52，56；106，108)起作用，将测量结果和/或估算值转换到公共参考系。

14.如前面权利要求中任一项所述的目标方位测量系统，其中，处理装置适于将第一加速度、估算单元的输出以及因重力引起的目标加速度的值进行比较，形成校正信号。

15.如权利要求14所述的目标方位测量系统，其中，从存储单元(50；94)将因重力引起的目标加速度值提供给处理装置。

16.如权利要求14或15所述的目标方位测量系统，进一步包括括变换块(52)，用于将因重力引起的目标加速度值从相对于目标为不固定的参考系转换到相对于目标为固定的参考系。

17.如前面权利要求中任一项所述的目标方位测量系统，进一步包括磁强计(36)，磁强计(36)在相对于目标为固定的参考系中测量磁场的强度和/或方向。

18.如权利要求17所述的目标方位测量系统，进一步包括存储单元(54；104)，存储单元(54；104)存储在相对于目标为不固定的参考系中的磁场的预定强度和/或方向。

19.如权利要求18所述的目标方位测量系统，进一步包括变换块(56)，变换块(56)将测量的或预定的强度和/或方向转换到公共参考系。

20.如权利要求18或19所述的目标方位测量系统，其中，处理装置适于在形成校正信号中将测量的和预定的强度和/或方向进行比较。

21.如前面权利要求中任一项所述的目标方位测量系统，其中，用四元数或欧拉角表示目标方位的估算值。

22.一种用于改善目标方位的第一估算值准确度的方法，该方法包括：

测量目标的第一加速度；

提供目标的位置或速度；

将第一加速度和目标的位置或速度进行比较，形成校正信号；以及

将校正信号应用于目标方位的第一估算值，产生目标方位的第二估算值。

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