CN102257358A - 使用惯性测量单元确定真北方向的指向的方法 - Google Patents

Abstract

藉由惯性单元确定地理北面方向的指向的方法一种借助具有三个速率陀螺仪测量轴和三个加速度计测量轴的惯性传感器模块来确定地理学北面方向的指向的方法，该方法包括以下步骤：·使用北面寻找模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第一指向值；·使用回转罗盘模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第二指向值；以及·通过使用所述第一指向值和所述第二指向值来确定北面方向的指向。

Description

使用惯性测量单元确定真北方向的指向的方法

本发明涉及寻找地理学北面方向的指向的方法。

寻找地理学北面是在涉及对准、绘图、引导或导航的任何操作前的一个阶段，以便确定拟从中确定对准或导航数据的基准指向。当借助包括惯性单元或惯性传感器模块的系统执行引导和导航时，一旦已“对准”在该指向，系统就变得可以工作。

已知使用寻北仪来确定北面方向的指向，该寻北仪包括稳固地固定于水平位置底面的自由陀螺仪。该寻北仪在陀螺仪没有相对于地表移动的情况下准确地确定北面方向。确定的准确性主要仅取决于陀螺仪的漂移，或当在相反指向上执行两次测量时漂移的稳定性。相比之下，最小量的陀螺仪移动，即使人们无法觉察到该移动，也会快速削弱这种准确性并歪曲北面寻找。因此必须非常好地安装寻北仪以避免任何这类运动。

利用配有适用于惯性导航的完全惯性传感器模块的设备，已知在设备相对于地表处于固定位置时通过使用来自处于回转罗盘模式的惯性传感器模块的数据来确定北面方向的指向。惯性传感器模块具有三个加速度计测量轴以及三个速率陀螺仪测量轴。设备对准则在于，要么使惯性传感器模块进入相对于局部或惯性地理参考系的预定位置并随后将其物理地保持在该位置，要么使用计算来估计局部或惯性地理参考系和惯性传感器模块之间的角度差并随后更新它们。

当使用这些差时，与实践中相对于地面无运动联合，来自加速度计和陀螺仪两者的数据的结合使用能执行对准并因此标识和维持传感器模块的核心的指向。然而，如此确定的指向的准确性取决于加速度计的准确性，并且加速度计的价格随着所要求的准确性而快速上升。对于给定的准确性，寻北仪的成本远低于回转罗盘。

通过延伸，可以发现术语“回转罗盘”用来既覆盖计算方法又覆盖专门配置成执行计算的技术设备。这同样适用于术语“寻北仪”。

本发明的一个目的是提供允许借助惯性传感器模块优化北面寻找的装置。

为此，本发明提供一种借助具有三个速率陀螺仪测量轴和三个加速度计测量轴的惯性传感器模块来确定地理学北面方向的指向的方法，该方法包括以下步骤：

·使用北面寻找模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第一指向值；

·使用回转罗盘模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第二指向值；以及

·通过使用第一指向值和第二指向值来确定北面方向的指向。

由此，第一指向值是通过将惯性传感器模块用作寻北仪，即通过来自陀螺仪数据计算指向，当计算指向本身时，不使用来自加速度计的数据，而只是将其用来确定相对于传感器模块的平均水平面。使用回转罗盘模式，即除了用于估计惯性单元的指向和姿态的陀螺仪数据还使用加速度计数据流，来计算第二指向值。这能够通过限制与惯性单元的角运动关联的大误差的风险来获得相对准确的指向值。

较为有利地，指向计算包括以下步骤：

·计算第一指向值和第二指向值之间的差；以及

·将计算出的差考虑在内，将第一指向值和/或第二指向值用作北面方向的指向。

这两个指向值受误差影响，所述误差包括由陀螺仪在测量过程中的平均漂移产生的共同分量以及由加速度计偏差(或偏移)的变化产生的非共同分量。加速度计偏差漂移的影响对于第一指向值来说是可忽略的，但对于第二指向值可能产生比陀螺仪误差影响更大的指向误差。相比之下，两指向值之间的差不受陀螺仪漂移的影响，因此陀螺仪漂移在计算差时被消除。该差随后可用作区别值，从而以简单和可靠方式将一个指向值或另一指向值保持为北面方向的指向值。如果该差非常小或等于零，则绝对项更为准确的第一指向值是要保持的值。否则，要保持的是第二指向值。本发明的方法因此使其更容易选择因变于测量条件提供最佳特性的工作方法。

更准确地说，该方法包括步骤：估计计算出的差和惯性单元相对于地面不存在运动的假设之间的一致性；以及

·如果该差与该假设一致，则第一指向值被认为北面方向的指向；以及

·如果该差与该假设不一致，则第二指向值被认为北面方向的指向；以及

或者，如果该差不能得出有关该差是否与不存在传感器模块相对于地面转动的假设一致的结论，则可使用两个指向值的结合来确定将要保持的指向。

优选地，估计一致性包括步骤：将纬度余弦的加权差值与至少一个阈值比较，优选地，所述阈值等于在测量时间内陀螺仪的平均向东漂移分量的标准差的平方加上测量时间内加速度计向南的平均偏差漂移的标准差的平方之和的平方根。

这种计算方法对于选择指向值来说尤为有效。

在一变例中，指向计算包括步骤：

·对第一指向值和第二指向值加权；以及

·将如此加权的第一指向值和第二指向值加到一起，以获得北面方向的指向，如此确定该加权以使有关北面方向指向的误差的标准差减至最小。

这能限制运动过程中的指向误差，同时在传感器模块相对于地面没有角运动时保留可接受的统计准确性，而不诉诸于昂贵的加速度计。

较为有利地，该方法包括步骤：借助处于惯性传感器模块外部的检测器检测传感器模块的运动；并使用第二指向值作为北面方向的指向。

因此，如果外部信息表示惯性传感器模块已移动，则第二指向值被自动保持。

在阅读以下本发明的特定、非限制性实现的描述时会发现本发明的其它特征和优点。

参照唯一附图，该附图是示出本发明实现的方框图。

本发明的方法涉及借助惯性传感器模块或惯性单元1寻找地理学北面，所述惯性传感器模块或惯性单元1包括配有若干加速度计3(图中仅示出其中的一个)并通过若干速率陀螺仪5(图中仅示出其中的一个)连接于例如机架的固定支承件4的平台2。应当理解，由于本发明不牵涉到惯性单元的结构(其结构可从别处获知)，因此将惯性单元的描述和表示简化到极点。惯性单元1固定于一件设备，例如具有惯性单元1的机架刚性固定于此的结构的车辆。

惯性单元1联系于计算机6，该计算机6执行程序7以出于计算朝地理学北面指向的目的控制惯性单元1：

·通过使用由至少一个速率陀螺仪5传递的数据信号作为寻北仪；以及

·通过还使用来自加速度计3的数据信号作为回转罗盘。

根据本发明的方法由此包括下列步骤：

·利用在寻北模式下由惯性单元1传递的数据来获得第一指向值C_CN；以及

·使用在回转罗盘模式下来自惯性单元1的数据以获得第二指向值C_GC。

这两个指向值C_CN和C_GC关联于包括陀螺仪分量和加速度计分量的误差。

对于计算第一指向值和计算第二指向值来说相同的指向误差的陀螺仪分量由陀螺仪投影到东西方向的平均漂移所产生。指向误差的陀螺仪分量等于Dm_E/(Ω_T*cos(L_AL))，其中Dm_g是由于陀螺仪的平均漂移而沿东方的平均漂移(在北面寻找工作过程中的平均值)，Ω_T是地面相对于惯性参考系的转速的模量(即大约4375微弧度/分钟(μrad/min)或15.04°/小时(°/h))，而L_AL是惯性单元1在寻找北面时的对准纬度。

对于第一指向值C_CN，指向误差的加速度计分量相比陀螺仪分量是可忽略的。关于第一指向值C_CN的误差还包括作为惯性单元1的核心绕东方的平均旋转Rm_E的结果的分量(该向东旋转是因为机架的运动以及可能的机壳和核心之间的微转和变形所致)并表示为：

Rm_E/(Ω_T*cos(L_AL)).

第二指向值C_GC的指向误差的加速度计分量由加速度计偏差斜率产生并表示为：

(PBm_S/g)/(Ω_T*cos(L_AL))

其中g是由于重力引起的局部加速度，而PBm_S是加速度计偏差沿南面方向的平均变化。

该方法包括使用在同一时段内取的两个惯性数据测量值计算第一指向值和第二指向值之间的差ΔC的步骤。两计算得到的指向之间的差：

ΔC＝C_GC-C_CN

关联于误差，该误差表示为：

[(PBm_S/g)-Rm_E]/(Ω_T*cos(L_AL))

以使该差独立于陀螺仪漂移。

该方法为将第一或第二指向值用作指向采取措施，同时将这两个值之间的差考虑在内。

在该优选实现中，该方法包括步骤：估计计算得到的差和惯性单元不相对于地面转动的假设之间的一致性，并且：

·如果该差与该假设一致，则第一指向值C_CN被认为是沿北面方向的指向；以及

·如果该差与该假设不一致，则第二指向值C_GC被认为是沿北面方向的指向。

估计一致性包括步骤：将通过纬度余弦和地球转速的模量加权的差与阈值S比较。

更准确地说，就是验证是否满足以下条件：

-S＜ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))＜S    (1)

其中：

S＝((stddev(PBm_S/g))²+(stddev Dm_E)²)^1/2

其中“stddev”是标准差的缩写。

如果满足关系式(1)，则使用第一值C_CN作为沿北面方向的指向。如果不满足关系式(1)，则使用第二值C_GC作为沿北面方向的指向。

本发明的方法包括步骤：借助处于惯性单元外的检测器检测惯性单元的运动，并且如果检测到运动，则将第二指向值C_GC作为沿北面方向的指向。

在一变例中，指向计算包括步骤：

·对第一指向值C_CN和第二指向值C_GC加权；以及

·将如此加权的第一指向值和第二指向值相加在一起，从而获得沿北面方向的指向，确定用来计算作为计算得到的差ΔC或ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))的函数的权重的公式，以使涉及结果指向的误差的标准差最小化。

沿北面方向的指向(或在这个变例中是加权指向)表示为：

λ_c*C_GC+(1-λ_c)*C_CN

其中加权系数λ_c使0≤λ_c≤1并且λ_c是计算出的差函数：

ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))

如此计算出的指向以等同于前述另外两个计算出的指向值那样的方式对陀螺仪漂移很敏感。

影响经加权指向的误差ErrCp(λ_c)使得：

rrCp(λ_c)*(Ω_T*cos(L_AL))＝Dm_E+λ_c*PBm_S/g+(1-λ_c)*Rm_E

其中：

Rm_E＝PBm_S/g＝ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))

加权系数λ_c可以该值为函数变化的方式：

ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))

或作为ΔC的函数基于多种标准定义。例如，可选择因变于：

X＝ΔC*(Ω_T*cos(L_AL))

的加权系数λ_c的变化关系，以使对于给定的纬度和可能的平均转速″Rm_E″的标准差不触发运动检测，使加权指向误差的标准差(静态地考虑而非临时考虑)减至最小：

ErrCp(λ_c)*(Ω_T*cos(L_AL))

自然，本发明不限于所述实现，而是覆盖落在权利要求所限定的本发明的范围内的任何变化形式。

惯性单元的结构可与前述结构不同。

为计算指向值执行的测量次数可以大于1次。

因此，可将惯性单元安装在一角位置元件上，该角位置元件可绕基本垂直于地面的轴线调整，并针对三个不同的角位置执行指向计算，由此通过对三个计算出的值求平均来消除陀螺仪漂移对指向误差的影响(由于漂移是正弦形式的)。

Claims (7)

1.一种借助具有三个速率陀螺仪测量轴和三个加速度计测量轴的惯性传感器模块来确定地理学北面方向的指向的方法，所述方法包括以下步骤：

·使用北面寻找模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第一指向值；

·使用回转罗盘模式下来自惯性传感器模块的数据以获得第二指向值；以及

·通过使用所述第一指向值和所述第二指向值来确定北面方向的指向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指向计算包括步骤：

·计算所述第一指向值和所述第二指向值之间的差；以及

·将计算出的差考虑在内，将第一所述指向值和/或所述第二指向值用作北面方向的指向。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：估计计算出的差和惯性单元相对于地面不存在运动的假设之间的一致性；以及

·如果所述差与所述假设一致，则将所述第一指向值作为指向；以及

·如果所述差与所述假设不一致，则将第二指向值作为北面方向的指向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，估计一致性包括步骤：将纬度余弦的加权差与至少一个阈值比较。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阈值等于测量过程中陀螺仪的平均向东漂移分量的标准差的平方加上测量过程中加速度计沿南面方向的平均偏差变化的标准差的平方之和的平方根。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指向计算包括步骤：

·对第一指向值和第二指向值加权；以及

·将如此加权的第一指向值和第二指向值加到一起，以获得北面方向的指向，如此确定所述加权以使有关北面方向指向的误差的标准差减至最小。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：借助处于惯性传感器模块外部的检测器检测传感器模块的运动；以及如果检测到这样的运动则使用第二指向值作为北面方向的指向。

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