CN102853832B - 车辆动态惯性感测器学习校正方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆动态惯性感测器学习校正方法及其装置，系将一车辆动态变化观测器及一惯性感测器共同设置于一进行惯性移动的车辆上，取得实际车辆动态变化及初始感测信号，并对初始感测信号进行积分，以获得感测该车辆的车辆动态变化；对此二者取其差值，再以该差值配合使用误差能量最佳化对车辆动态变化取离散以获得参数误差变化量，之后再反馈至车辆动态变化模型，进行参数校正以获得一校正后的车辆动态变化模型；是以，本发明可在没有卫星导航系统、电子罗盘或压力感测器等等条件下，仍可作长时间高稳定性的空间定位导航。

Description

车辆动态惯性感测器学习校正方法及其装置

技术领域

本发明系关于一种车辆惯性感测器，尤指一种车辆动态惯性感测器学习校正方法及其装置。

背景技术

为了提供更舒适及更安全驾驶，许多车商已对中高单价的车辆开始使用多功能电子装置或附加更多电子装置，例如适路性车灯、导航系统、即时车况警示装置等等，期以实现辅助自动驾驶功能。

上述大部份车辆用电子装置主要目的不外乎依据即时车况辅助驾驶人注意或调整车辆安全行驶功能，以适路性车灯来说，会依据车辆转弯、车速判断路况(上坡、下坡、弯道等)，调整切换近灯、远灯以及近灯与远灯灯形，再以导航系统来说，提供驾驶人目前车辆位置及指引驾驶人路线；是以，该些车用电子装置或辅助驾驶用电子装置必须取得车辆的即时动态资讯，才能作出最适切的控制。

目前常见用以提供车辆动态资讯的装置即称为惯性感测器，概如加速器、陀螺仪等等用以检知车速、加速度、角速度，以确实反应车辆行进中的移动状态。然而，车辆实际取用惯性感测器的感应信号，必须经过有效的运算(积分运算)，才能获得有用且正确的车辆移动资讯，而又为了确保运算结果的误差值可降到最低，一般会辅助参考卫星导航系统、电子罗盘或压力感测器进行误差校正。然而，用于辅助惯性感测器进行误差校正的电子装置，却易受地理环境影响，例如行经附近高建筑物道路、地下道而无法收到卫星信号，又例如隧道内的地球磁场效应不明显、压力周波影响等等，均使得原本可作为校正参考值的信号消失或正确性变差，导致惯性感测器的感测信号经过积分计算后的误差无法降低，使得依赖惯性感测器感测信号作为控制信号的电子装置，在通过该些道路时产生不佳的反应，无法提供最佳适路性的辅助驾驶功能。以导航系统来说，通过如地下道等无法顺利接卫星信号的道路，其定位连续性及可用性均会降低，无法作到定位精准度，而有暂时迷航状态出现；再以适路性车灯来说，通过该些道路可能无法提供最佳的投射角度或光形等等问题。

发明内容

有鉴于上述车用惯性感测器误差校正技术缺陷，本发明主要目的系提供一种车辆动态惯性感测器校正方法及其装置。

欲达上述目的所使用的主要技术手段系令该车辆动态惯性感测器学习校正方法包含有：

将一车辆动态变化观测器及一惯性感测器共同设置于一进行惯性移动的车辆之相同位置上；

取得该车辆动态变化观测器的实际车辆动态变化，与该惯性感测器的初始感测信号；

对初始感测信号进行积分，以获得感测该车辆的车辆动态变化，该车辆动态变化模型系包含有偏移量及比例因子参数；

取得实际车辆动态变化与感测车辆动态变化的差值；

以该差值使用误差能量最佳化对车辆动态变化取离散，以获得参数误差变化量；及

再反馈至车辆动态变化模型校正其偏移量及比例因子，获得一校正后的车辆动态变化模型。

欲达上述目的所使用的主要技术手段系令该具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置包含有：

一车辆动态变化观测器，系感知并输出一进行惯性移动车辆的实际车辆动态变化；

一惯性感测器，系感测一惯性移动车辆的惯性信号，并输出该感测惯性信号；

一存储单元，系电连接该车辆动态变化观测器及该惯性感测器，以储存实际车辆动态变化及感测惯性信号，以及包含偏移量及比例因子参数的车辆动态变化模型；

一处理单元，系电连接至该存储单元，并内建一学习校正程序，以学习不同路况之实际车辆动态变化，校正该车辆动态变化模型并回存至该存储单元。

上述本发明系预先让惯性感测器进行各种路况的学习，最后储存各路况的车辆动态变化模型，当实际上路后即可依据目前路况进行正确车辆动态变化的计算，可在没有卫星导航系统、电子罗盘或压力感测器等等条件下，仍可作长时间高稳定性的空间定位导航，反而提供卫星导航系统车辆即时移动资讯，而提高其定位连续性及可用性。

附图说明

图1为本发明车辆动态惯性感测装置的功能方块图。

图2为本发明车辆动态惯性感测器校正方法的流程图。

图3A为本发明对陀螺仪进行校正的功能方块图。

图3B为本发明对陀螺仪进行微调校正的示意图。

图4A为本发明对加速规进行校正的功能方块图。

图4B为本发明对加速规进行微调校正的示意图。

主要元件符号说明：

10车辆动态惯性感测装置        11车辆动态变化观测器

12惯性感测器                  12a陀螺仪

12b加速规                     13存储单元

14处理单元                    20车辆

具体实施方式

首先请参阅图1所示，系为本发明具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置10，其包含有：

一车辆动态变化观测器11，系感知并输出一进行惯性移动车辆的实际车辆动态变化；

一惯性感测器12，系感测一惯性移动车辆的惯性信号，并输出该感测惯性信号；

一存储单元13，系电连接该车辆动态变化观测器11及该惯性感测器12，以储存实际车辆动态变化及感测惯性信号，以及包含偏移量及比例因子参数的车辆动态变化模型；

一处理单元14，系电连接至该存储单元13，并内建一学习校正程序，以学习不同路况之实际车辆动态变化，校正该车辆动态变化模型并回存至该存储单元13。

上述学习校正程序再请配合参阅图2所示，系包含有以下步骤：

将一车辆动态变化观测器11及一惯性感测器12共同设置于一进行惯性移动的车辆20之相同位置上，如图3B所示；

取得该车辆动态变化观测器11的实际车辆动态变化，与该惯性感测器12的初始感测信号S11；

对初始感测信号进行积分，以获得感测该车辆20的车辆动态变化，该车辆动态变化模型系包含有偏移量(offset)及比例因子(scale factor)参数S12；

取得实际车辆动态变化与感测车辆动态变化的差值S13；

以该差值配合使用误差能量最佳化对车辆动态变化取离散，以获得参数误差变化量；及

再反馈至车辆动态变化模型校正其偏移量及比例因子，获得一校正后的车辆动态变化模型S15。

以下谨进一步以陀螺仪12a为例说明上述惯性感测器学习校正后之车辆动态变化模型过程：

由于陀螺仪12a系用以感测车辆20的角速率，故请配合参阅图3A所示，首先设定陀螺仪初始参数，令车辆20开始进行转弯的惯性运动u(k)，此时该车辆动态变化观测器11会输出实际转换角度变化h(k)，而该陀螺仪会输出角速率w(k)；此时，储存单元13会周期性地储存角速率w(k)，并以阵列数据型态储存之。该处理单元14系自储存单元13内取得角速率阵列数据，带入车辆动态变化模型 $\left(\hat{H}\right[k]=\∫({\hat{p}}_n{w}^n+{\hat{p}}_{n-1}{w}^{n-1}+...+{\hat{p}}_0)\mathrm{dt};e_{\hat{H}}[K]=\hat{H}[k\left]\right)$ 进行积分运算，求得感测的转换角度在积分期间，该处理单元14同时自存储单元13读取实际转弯角度变化H[k]，并计算实际转弯角度变化H[k]的变化量，取实际航向变化H[k]的变化量与感测的航向变化之差值e_H[k]。接着，再以二次能量误差最佳化与梯度法计算该车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量，再用离散化积分完成陀螺仪参数校正方程式，详如下列公式：

e_H[k]＝H[k]-H[k-m]

$J_W=\frac{1}{2}{(e_H\left(k\right)-e_{\hat{H}}[k\left]\right)}^2$

$\stackrel{\·}{\hat{p}}=-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gyro}}\frac{\∂J_w}{\∂\hat{P}};{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gyro}}:$ 陀螺仪学习率

$\left[\begin{array}{c}\widehat{p_n}\left[k\right]\\ \widehat{p_{n-1}}\left[k\right]\\ .\\ .\\ .\\ \widehat{p_0}\left[k\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\widehat{p_n}[k-1]\\ \widehat{p_{n-1}}\left[k\right]-1\\ .\\ .\\ .\\ \widehat{p_0}\left[k\right]\end{array}\right]+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gyro}}\·\left(e_H\right[k]-e_{\hat{H}}[k\left]\right)\·\left[\begin{array}{c}{w}^n\\ w^{n-1}\\ .\\ .\\ .\\ 1\end{array}\right]$

由于该惯性感测器为模拟电压，而经上述积分运算后系为数字数据，必须再经一道数字模拟转换程序；而在数字模拟转换程序中，会因取样量化误差与门槛值取样的判断，而降低惯性感测器的灵敏度，因此最好再经一道微调校正调整程序，以更贴近实际转换角度。

请配合参阅图3B所示，令设置有该车辆动态变化观测器12的车辆20，重复一固定转弯角度的移动，例如将方向盘打到底，原地绕圈n次(包含左转弯及右转弯)，如此即可具体得知正确的转弯角度H，再与运算该车辆动态变化模型时，获得的累积积分角度变化进行比对，调整该车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度变化差距接近0。

以下再以另一惯性感测器(加速规12b)学习校正后之车辆动态变化模型过程：

由于加速规12b系用以感测车辆的加速度v，故请配合参阅图4A所示，首先设定加速规初始参数，令车辆开始进行直线加速的惯性运动，此时该车辆动态变化观测器11会输出实际车辆速度v，而该加速规会输出加速度a[k]；此时，储存单元13会周期性地储存加速度a[k]，并以阵列数据型态储存之。该处理单元14系自储存单元13内取得加速度阵列数据，带入车辆动态变化模型 $\hat{v}\left[k\right]=\∫({\hat{q}}_n{a}^n+{\hat{q}}_{n-1}{a}^{n-1}+...+{\hat{q}}_0)\mathrm{dt};e_{\hat{v}}\left[t\right]=\hat{v}\left[k\right]$ 进行积分运算，求得感测的速度变化。在积分期间，该处理单元14同时自存储单元13读取实际速度变化v[k]，并计算实际速度变化v[k]的变化量，取实际速度变化v[k]的变化量与感测的速度变化之差值e_v1[t]、e_v2[t]。接着，再以二次能量误差最佳化与梯度法计算该车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量，再用离散化积分完成加速规参数校正方程式，详如下列公式：

e_v1[t]＝v₁[k]-v₁[k-m]

e_v2[t]＝v₂[k]-v₂[k-m]

$J_v=\frac{1}{2}{(e_v\left(k\right)-e_{\hat{v}}[k\left]\right)}^2$

$\stackrel{\·}{\hat{q}}=-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{acc}}\frac{\∂J_v}{\∂\hat{q}};{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{acc}}:$ 加速规学习率

$\left[\begin{array}{c}\widehat{q_n}\left[k\right]\\ \widehat{q_{n-1}}\left[k\right]\\ .\\ .\\ .\\ \widehat{q_0}\left[k\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\widehat{q_n}[k-1]\\ \widehat{q_{n-1}}\left[k\right]-1\\ .\\ .\\ .\\ \widehat{q_0}\left[k\right]\end{array}\right]+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{acc}}\·\left(e_v\right[k]-e_{\hat{v}}[k\left]\right)\·\left[\begin{array}{c}{a}^n\\ a^{n-1}\\ .\\ .\\ .\\ 1\end{array}\right]$

至于加速规为提高感测灵敏度所执行的微调校正调整程序，请再配合参阅图4B所示，令设置有该车辆动态变化观测器10的车辆20，重复一固定长度的直线移动，例如将以车辆行驶，以观测器得知正确车辆速度v，再与运算该车辆动态变化模型时，所获得速度变化进行比对，调整该车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者速度变化差距接近0为止。

上述本发明系预先让惯性感测器进行各种路况的学习，最后储存各路况的车辆动态变化模型，当实际上路后即可依据目前路况进行正确车辆动态变化的计算，可在没有卫星导航系统、电子罗盘或压力感测器等等条件下，仍可作长时间高稳定性的空间定位导航，反而提供卫星导航系统车辆即时移动资讯，而提高其定位连续性及可用性。

Claims (10)

1.一种车辆动态惯性感测器校正方法，其特征在于，所述的车辆动态惯性感测器校正方法包含有：

将一车辆动态变化观测器及一惯性感测器共同设置于一进行惯性移动的车辆之相同位置上；

取得所述的车辆动态变化观测器的实际车辆动态变化，与所述的惯性感测器的初始感测信号；

对初始感测信号进行积分，以获得感测所述的车辆的车辆动态变化，所述的车辆动态变化模型系包含有偏移量及比例因子参数；

取得实际车辆动态变化与感测车辆动态变化的差值；

以所述的差值使用误差能量最佳化对车辆动态变化取离散以获得参数误差变化量；及

再反馈至车辆动态变化模型校正其偏移量及比例因子，获得一校正后的车辆动态变化模型。

2.如权利要求1所述的车辆动态惯性感测器校正方法，其特征在于，上述惯性感测器系为一陀螺仪，故其感测车辆动态变化为转弯角度变化；又上述取得参数误差变化量步骤系以二次能量误差最佳化与梯度法计算所述的车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量。

3.如权利要求1所述的车辆动态惯性感测器校正方法，其特征在于，上述惯性感测器系为一加速规，故其感测车辆动态变化为加速度变化；又上述取得参数误差变化量步骤系以二次能量误差最佳化与梯度法计算所述的车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量。

4.如权利要求2所述的车辆动态惯性感测器校正方法，其特征在于，所述的方法进一步包含有一微调校正调整程序步骤，系令设置有所述的车辆动态变化观测器的车辆，重复一固定转弯角度的移动，以获得正确的转弯角度，再与运算所述的车辆动态变化模型时，所获得的累积积分角度变化进行比对，调整所述的车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度变化差距接近0。

5.如权利要求3所述的车辆动态惯性感测器校正方法，其特征在于，所述的方法进一步包含有一微调校正调整程序步骤，系令设置有所述的车辆动态变化观测器的车辆，重复进行一直线移动，以获得正确的速度，再与运算所述的车辆动态变化模型时，所获得速度变化进行比对，调整所述的车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度变化差距接近0为止。

6.一种具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置，其特征在于，所述的具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置其包含有：

一车辆动态变化观测器，系感知并输出一进行惯性移动车辆的实际车辆动态变化；

一惯性感测器，系感测一惯性移动车辆的惯性信号，并输出所述的感测惯性信号；

一存储单元，系电连接所述的车辆动态变化观测器及所述的惯性感测器，以储存实际车辆动态变化及感测惯性信号，以及包含偏移量及比例因子参数的车辆动态变化模型；

一处理单元，系电连接至所述的存储单元，并内建一学习校正程序，以学习不同路况之实际车辆动态变化，校正所述的车辆动态变化模型并回存至所述的存储单元；其中，所述的学习校正程序保护以下步骤：

取得所述的车辆动态变化观测器的实际车辆动态变化，与所述的惯性感测器的初始感测信号；

对初始感测信号进行积分，以获得感测所述的车辆的车辆动态变化，所述的车辆动态变化模型系包含有偏移量及比例因子参数；

取得实际车辆动态变化与感测车辆动态变化的差值；

以使用误差能量最佳化对车辆动态变化取离散以获得参数误差变化量；及

再反馈至车辆动态变化模型校正其偏移量及比例因子，获得一校正后的车辆动态变化模型。

7.如权利要求6所述的具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置，其特征在于，所述的惯性感测器系为一陀螺仪，故其感测车辆动态变化为转弯角度变化；又上述取得参数误差变化量步骤系以二次能量误差最佳化与梯度法计算所述的车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量。

8.如权利要求6所述的具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置，其特征在于，所述的惯性感测器系为一加速规，故其感测车辆动态变化为加速度变化；又上述取得参数误差变化量步骤系以二次能量误差最佳化与梯度法计算所述的车辆动态变化模型中偏移量误差变化量及比例因子误差变化量。

9.如权利要求7所述的具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置，其特征在于，所述的装置进一步包含有一微调校正调整程序步骤，系令设置有所述的车辆动态变化观测器的车辆，重复一固定转弯角度的移动，以获得正确的转弯角度，再与运算所述的车辆动态变化模型时，所获得的累积积分角度变化进行比对，调整所述的车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度变化差距接近0。

10.如权利要求8所述的具学习校正功能的车辆动态惯性感测装置，其特征在于，所述的装置进一步包含有一微调校正调整程序步骤，系令设置有所述的车辆动态变化观测器的车辆，重复进行一直线移动，以获得正确的速度，再与运算所述的车辆动态变化模型时，所获得速度变化进行比对，调整所述的车辆动态变化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度变化差距接近0为止。