CN102980575A - 倾斜计 - Google Patents

Abstract

一种使用速度计和前向加速度计来测量倾角的倾斜计。

Description

倾斜计

本申请是申请号为200980122031.1、申请日为2010年12月10日、发明名称为“倾斜计”的专利申请的分案申请。

技术领域

本技术总体上涉及航位推算系统，并且更加具体地涉及一种使用速度计和前向加速度计来测量高度变化的航位推算高度计设备。本技术还具体涉及使用速度计和前向加速度计来测量倾角的倾斜计设备。本技术属于加速度受补偿型倾斜计。

背景技术

航位推算（DR）是根据以前确定的位置估计当前位置并且根据所测得的速度、方向和/或加速度向前推进该位置的处理。DR从初始已知位置或定位点开始。可以使用测距、三角测量或地图比对来确定定位点。使用来自全球导航卫星系统（GNSS）的用于测距的无线电信号来确立开始航位推算的起始位置定位点，是公知的技术。

可以通过很多方法来确定航位推算速度。在现代仪器出现之前，在船上，DR速度是这样确定的：将叫做测速器（log）的木头浮子扔到船外，并且在船在水面上向前行进的同时，对在沙漏所计时间内从水手手上通过的绑在浮子上的绳子上的绳结进行计数。近代的船使用发动机每分钟转数、用于测量水面速度的自动测速器或者探底多普勒声纳。公路车辆一般情况下通过测量它们车轮的转速来测量速度。公路车辆也可以使用多普勒声纳或雷达来进行速度测量。可以用磁罗盘或磁通量闸门罗盘来测量水平方向。也可以通过对角速率传感器检测到的角度变化率进行积分来确定航位推算方向。角速率传感器有时也称作陀螺仪。对定向线性加速度进行积分的惯性系统可以用于航位推算，尤其是用于飞行器。

即使全球导航卫星系统（GNSS）在便利性和精确度方面都有了长足进步，对于连续GNSS定位点不可得或者受到噪声干扰时的情况，还是会继续存在对航位推算的需求。此外，全球导航卫星系统定位势必造成这样的结果：与对于水平位置和水平航向改变角相比，对于高度和垂直航向改变角精确度较低并且噪声较大。

发明内容

本技术优选地是通过测量前向运动来测量海拔高度变化的设备和方法。本发明还是通过测量前向运动来确定倾角的设备和方法。

在优选实施方式中，该技术优选地是航位推算高度计，具有用于确定前向速度的速度计；用于测量前向加速度的加速度计；和用于基于速度和所测得的加速度计算海拔高度变化的DR计算器。该高度计还可以包括：用于测量偏航（yaw）角速率的偏航速率传感器；和按照该偏航角速率补偿所测得的加速度的偏航补偿器，其中该DR计算器构成为用来使用经补偿的加速度和速度一起来计算海拔高度变化。

在优选实施方式中，该技术优选地是航位推算海拔高度的方法，包括：确定前向速度；测量前向加速度；和基于速度和所测得的加速度计算海拔高度变化。该方法还可以包括：测量偏航角速率；按照该偏航角速率补偿所测得的加速度；并使用经补偿的加速度与速度一起来计算海拔高度变化。

在优选实施方式中，该技术优选地是倾斜计，具有：用于确定前向速度的速度计；用于测量前向加速度的加速度计；和基于速度的变化率和所测得的加速度计算倾角的倾角计算器。该倾斜计还可以包括：用于测量偏航角速率的偏航速率传感器和构成为用来使用该偏航角速率补偿所测得的加速度的偏航补偿器，其中倾角计算器构成为用来使用经补偿的加速度和速度的变化率一起来计算倾角。

在优选实施方式中，该技术优选地是确定倾角的方法，包括：确定前向速度；测量前向加速度；和基于所测得的加速度和速度的变化率来计算倾角。该方法还可以包括：测量偏航角速率；按照该偏航角速率补偿所测得的加速度；和使用经补偿的加速度和速度的变化率来计算倾角。

在本技术中，优选地，海拔高度变化是根据前向速度和前向加速度确定的。

在本技术中，优选地，倾角是基于前向速度的变化率和前向加速度来确定的。

在本技术中，优选地，针对偏航角速率补偿所测得的加速度。

在本技术中，优选地，按照线性位置偏移，针对偏航角速率补偿所测得的加速度。

在本技术中，优选地，线性位置偏移是基于具有相反方向环路的回位来确定的。

在本技术中，优选地，按照偏航调准角，针对偏航角速率补偿所测得的加速度。

在本技术中，优选地，偏航调准角是基于具有相反方向环路的回位来确定的。

在本技术中，优选地，针对加速度计偏差补偿所测得的加速度。

在本技术中，优选地，安装加速度计偏差是基于具有相反朝向的回位来确定的。

在本技术中，优选地，重新启动加速度计偏差是最后一个倾角来确定的。

在本技术中，优选地，更新后的加速度计偏差是基于外部海拔高度修正（fix）与航位推算出来的海拔高度之间的差来校准的。

在阅读了下面的详细说明和观看了各个附图之后，对于本领域普通技术人员而言，这些和其它实施方式以及本技术的其它属性将无疑变得显而易见。

附图说明

图1图解说明了装载了本发明的航位推算高度计和倾斜计的车辆；

图1A图解说明了图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计的偏航调准角；

图2是图1的航位推算高度计和倾斜计的框图；

图3是图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度补偿器的框图；

图4是具有用于提高三维位置、速度和航向的精度的卡尔曼滤波器的图1的航位推算高度计和倾斜计的框图；

图5图解说明了图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计位置偏移和偏航调准角；

图6是用于确定海拔高度变化和倾角以及航位推算位置、速度和航向的本发明的方法的流程图；

图7A是用于为重新启动确定加速度计偏差校准的方法的流程图；

图7B是用于确定加速度计偏差校准的回位方法的流程图；

图7C是车辆行驶的示意图，其中使用相对的旋转环路来确定图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计偏差校准；

图8是用于为图1的航位推算高度计和倾斜计以及图6的方法确定加速度计偏差、线性位置偏移和偏航调准角的本发明的回位初始安装方法的流程图；和

图9A和9B图解说明的是停车场的楼层和公路衔接斜坡路，其中有益地使用了图1的本发明的航位推算高度计和倾斜计。

具体实施方式

现在将介绍用于实现本发明思想的优选实施方式和最佳模式的详情。应当理解，不必采用优选实施方式的所有细节，就可以实现本发明的思想。

图1表示分别用附图标记10和12指代的本发明的航位推算（DR）高度计设备和倾斜计设备。设备10、12是要被装在车辆14中的，此时该车辆14具有与水平面18成未知倾角θ的前向运动方向16。车辆14可以是具有接触地面25的后轮22和前轮23的汽车、卡车、有轨电车、无轨电车等等。

设备10、12包括速度计32和探前线性加速度计34。车辆14具有穿过车辆14转弯中心92（图5）的垂直于车辆14的转弯半径线R（图5）。对于用前轮23转弯的车辆14，转弯半径线R大致上穿过后轮22的轮轴。加速度计34相对于转弯半径线R而言，具有安装线性位置偏移L。图中所示线性位置偏移L在前向方向16上。

DR高度计设备10包括DR高度计算器40（图2）。倾斜计设备12包括倾角计算器42（图2）。速度计32可以是速度测量装置或者包括用于基于在已知时间周期内所测得的距离计算前进速度v(t)的计算装置的距离测量装置。速度计32可以是用于测量距离并且然后基于对后轮或前轮22、23在一个时间周期内的旋转进行计数来计算前向方向16上的速度v(t)的转速计或里程表。或者，速度计32可以利用多普勒雷达或声纳或者通过从地面25反射回来的信号进行的光学测量来测量前进速度v(t)。例如，飞机可以使用带有根据多普勒效应计算速度v(t)的速度计32的设备10、12。加速度计34可以是安装成用来测量前向方向16上的加速度α_m(t)的单轴装置，也可以是通过使用两个或三个轴上的线性加速度测量值的线性组合对前向方向16上的加速度α_m(t)进行测量的两轴或三轴装置。

图1A表示具有与车辆14的前向方向16成偏航调准角γ的测量方向46的加速度计34的物理安装方式。在简单的情况下，测量方向46与前向方向16是相同的。不过，可以将加速度计34的传感器安装成这样：测量方向46与前向方向16之间在水平面上相差偏航调准角γ。

图2是具有DR高度计算器40和倾角计算器42的航位推算高度设备10和倾斜计设备12的框图。设备10、12包括加速度补偿器50和偏航速率传感器52。偏航速率传感器52测量偏航角速率ω(t)。加速度补偿器50补偿偏航角速率ω(t)对所测得加速度α_m(t)的影响和加速度计偏差β对所测得加速度α_m(t)的影响，以确定经补偿的加速度α_c(t)。

DR高度计算器40使用前进速度v(t)和经补偿的前向加速度α_c(t)来计算高度变化ΔH。倾角计算器42包括速率计算器55，速率计算器55使用速度v(t)来确定速度对时间的变化率Δv/Δt，然后使用该速率Δv/Δt和经补偿的前向加速度α_c(t)来计算倾角θ。

图3是加速度补偿器50的功能框图。加速度补偿器50包括偏航补偿器62，偏航补偿器62包括偏航距离补偿器64和偏航调准补偿器66。偏航距离补偿器64使用所测得的偏航角速率ω(t)和偏移L来计算车辆14转弯（偏航）时出现的位置偏移加速度测量误差，并且为所测得加速度α_m(t)补偿这一误差。位置偏移误差是按照ω²(t)×L来计算的。偏航调准补偿器66使用所测得的偏航角速率ω(t)、速度v(t)和偏航调准角γ来计算车辆14转弯（偏航）时出现的偏航调准角加速度测量误差，并且为所测得加速度α_m(t)补偿这一误差。偏航调准角误差是按照ω(t)×v(t)×γ来计算的。

加速度补偿器50还包括回位补偿检测器72、重新启动偏差检测器74和加速度计偏差补偿器76。

补偿检测器72追踪两次触发之间的高度变化ΔH’s，并且针对两次触发之间的高度变化ΔH’s的和为零的情况，或者针对返回高度H_R等于启动高度H₁的情况，确定安装加速度计偏差β₁。为了消除停车地点俯仰角的影响，可以将车辆14面向相反方向地停车两次，以确定高度H_R和H₁。确定的是导致高度变化ΔH’s之和为零的加速度计偏差β₁。触发可以在设备10、12检测到返回到了水平位置时自动进行（最好在手动开启之后），也可以在操作者知道他已经回到了同一个位置的时候手动进行。为了确定加速度计偏差β₁、线性位置偏移L和偏航调准角γ的组合，要将车辆14沿顺时针循环方向开回到开始位置至少一次并且沿逆时针循环方向开回到开始位置至少一次。这些操作在图8以及图7B和图7C的流程图中进行了图解说明并且在下面所附的具体介绍中进行了介绍。

重新启动偏差检测器74使用这样两种思想：在车辆14刚开始动时速度v(t)仍然几乎为零，以及刚开始动时的倾角θ几乎与车辆14在上次停车之前运动时的上次倾角θ_L相同。由此，重新启动加速度计偏差β₀是用方程式1估算的。在方程式1中，加速度α最好是在进行了针对偏航角速率ω(t)的加速度补偿之后得到的。g是重力造成的恒定加速度。

1）β₀=α-gsinθ_L

当设备10、12处于不加电状态之后的预热过程中时，加速度计偏差β可能会快速变化。在加速度计偏差β稳定到足以精确校准之前，会有很长一段预热期。按照方程式1，这一问题可以通过使用这样的假设来确定重新启动加速度计偏差β₀而得到缓解：假设刚开始动时那一刻的倾角θ_L还没有从上一次为停车之前的最后一次运动计算的倾角θ_L发生变化并且假设刚开始动时那一刻的速度v(t)为零。

加速度计偏差补偿器76使用安装偏差β₁和/或重新启动偏差β₀和/或通过与外部导航信息进行比较而确定的偏差β来补偿所测得的加速度α_m(t)。可以包括卡尔曼（Kalman）滤波器80（图4）作为加速度计偏差补偿器76的一部分，以便对偏差β连续进行更好的估算。偏差补偿器76可以包括偏差开关，用于在安装加速度计偏差β₁、重新启动加速度计偏差β₀和卡尔曼滤波器获得新的校准值时新校准的加速度计偏差β之间进行切换。

加速度计34的小的垂直失准角与重力g相作用，使加速度α_m(t)的测量结果改变了接近常数的重力偏差项g×sin(垂直失准角)。这一重力偏差项实际上与所确定并补偿的加速度计偏差β相加（或相减）。

图4是具有卡尔曼滤波器80和一个或多个外部定位源82的本发明的设备10、12的优选实施方式的框图。示范性的外部源82包括但不局限于全球导航卫星系统（GNSS）接收器84、气压高度计85和地图匹配器86。GNSS接收器84接收并处理GNSS信号，以提供基于GNSS的定位信息，比如包括基于GNSS的外部海拔高度修正H_EXT的三维空间位置、时间、三维速度、包括倾角的三维航向、卫星信号多普勒和卫星伪距。气压高度计85提供基于气压的外部海拔高度修正H_EXT。地图匹配器86使用来自GNSS接收器84的位置和航向或者卡尔曼滤波器80的输出来提供地图调整位置，以将公路上或轨道上的位置匹配到电子地图上的线路上，并且按照方向航向信息匹配道路或轨道的左侧或右侧。地图匹配器86然后给出它的沿着道路或轨道或线路的位置的最佳地图匹配估计。沿着道路或轨道或线路的位置可以具有基于地图的海拔高度H_EXT，就像在可由卡尔曼滤波器80使用的地形图上一样。

速度计32、加速度计34和偏航速率传感器52向卡尔曼滤波器80提供速度v(t)、测得的加速度α_m(t)和偏航角速率ω(t)。卡尔曼滤波器80对其输入端的有噪音的和/或不连续的外部海拔高度修正H_EXT与其输出端的其航位推算海拔高度H之间的差进行滤波，其中航位推算海拔高速H是通过对高度变化ΔH’s进行累加来确定的。经过滤波的差用在反馈环路中，来提供加速度计偏差β的经过校准的版本。可以将卡尔曼滤波器80以计算机可读指令的形式存储在有形介质上，以便指示计算机装置（比如设备10、12）来执行这些指令。

滤波器80使用的所有可以得到的信息可以包括，但不局限于，加速度计偏差β、高度变化ΔH’s、来自速度计32的速度v(t)（或者来自速度计32的距离ΔS，由这个距离可以通过ΔS/Δt来计算速度v(t)）、所测得的前向加速度α_m(t)（或者得到部分补偿的加速度或得到完全补偿的加速度α_c(t)）和来自外部源82的包括但不局限于外部海拔高度H_EXT的定位导航信息。卡尔曼滤波器80使用这一信息来计算包括海拔高度H的三维位置、三维速度和包括倾角θ的三维航向。

卡尔曼滤波器80使用连续性和精确度不断变化的几种导航输入来提供连续更新的3D航向、3D位置和3D速度的最佳推定值。这些导航输入可以包括，但不局限于，大气压，来自GNSS接收器84的GNSS卫星伪距和多普勒，纬度、经度和外部高度H_EXT的地图匹配，航向的地图匹配，用于测量偏航角速率ω(t)的偏航速率传感器52（可以是陀螺仪），来自速度计32的速度v(t)或距离S测量结果以及由加速度计34得到的前向加速度α_m(t)测量结果。GNSS接收器84可以是全球定位系统（GPS）接收器。

卡尔曼滤波器80的内部或隐藏操作提供加速度计偏差β校准，用于补偿所测得的加速度α_m(t)以及对航向、位置和速度输出进行修正和/或平滑。卡尔曼滤波器80以类似于由Geier等人拥有的名称为《position and velocity estimation system for adaptiveweighting of GPS and dead reckoning information》的美国专利US5,416,712中介绍的卡尔曼滤波器相类似的方式操作，该美国专利的教导以引用的方式并入本申请。Elliot Kaplan和ChristopherHegarty在《Understanding GPS:principles and applications》（第二版，由位于马萨诸塞州诺伍德的Artech House,Inc.出版，版权2006，ISBN1-58053-894-0）中给出了对卡尔曼滤波器80的滤波技术的更深入理解。由Geier等人撰写的关于陆地车辆内的传感器结合的第9.3章尤其有启发性。

图5图解说明的是示出了在加速度计34与穿过车辆14的转弯中心92垂直于车辆14的转弯半径线R之间的前向方向16上的位置偏移L。对于使用前轮23转向的车辆14而言，转弯半径线R大致上穿过后轮22的轮轴。偏航调准角γ是加速度计34的前向方向46与车辆14的前向方向16之间的夹角。

图6是本发明确定海拔高度变化ΔH和倾角θ的方法的流程图。该方法的步骤可以以计算机可读的形式存储在有形介质100上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可以起到执行这些步骤的计算机的作用、作为执行这些步骤的计算机工作和运行。在步骤102中，测量加速度α_m(t)。在步骤104中，确定速度v(t)。在步骤106中，测量偏航角速率ω(t)。在步骤110和112中，针对偏航速率ω(t)的影响来补偿加速度α_m(t)。在步骤110中，针对作为偏航角速率ω(t)的函数的线性位置偏移L补偿加速度。在步骤112中，针对作为偏航角速率ω(t)和速度v(t)的函数的偏航调准角γ补偿加速度。在步骤114中，针对加速度计偏差β补偿加速度。在安装校准中，可以通过回位法(图8)将加速度计偏差β确定为加速度计偏差β₁。在重新启动时，可以由上一次的倾角θ_L将加速度计偏差β计算(图7A)为加速度计偏差β₀。

在步骤116中，由速度v(t)和经补偿的加速度α_c(t)计算海拔高度变化ΔH。在步骤118中，从外部定位源82接收外部定位信息，比如位置、伪距、海拔高度、多普勒和航向。在步骤122中，对海拔高度变化ΔH进行累计，以提供DR海拔高度H。为了连续操作，DR高度计10累计直到最后的前一个DR高度H的一系列海拔高度变化ΔH’s，以便提供DR高度H’s的连续序列。在步骤124中，基于外部定位信息、利用卡尔曼滤波技术对DR高度H进行滤波，以便计算包括高度H的三维位置、三维速度和包括倾角θ的三维航向。在步骤126中，使用DR高度H和外部定位信息、利用卡尔曼滤波技术重新计算加速度计偏差β，然后将其应用于对用于提供经补偿的加速度α_c(t)的加速度计偏差β进行更新。在卡尔曼滤波技术的多个状态下，步骤124和126一般一起进行。

在步骤132中，由速度v(t)和时间计算速度变化率Δv/Δt。在步骤134中，使用下面的方程式4、由经补偿的加速度α_c(t)和速度变化率Δv/Δt来计算倾角θ。

图7A是计算重新启动加速度计偏差β₀的方法的流程图。该方法的步骤可以以计算机可读的形式存储在有形介质150上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可以起到执行这些步骤的计算机的作用、作为执行这些步骤的计算机工作和运行。在步骤152中，计算倾角θ’s。当设备10、12断电时，存储计算出的最后一个倾角θ_L。

设备10、12在任意时间段的休眠或关闭状态下被断电。在步骤154中，开启设备10、12并开始移动。在步骤155中，设备10、12进行工作来测量加速度α_m(t)并针对偏航角速度ω(t)补偿所测得的加速度α_m(t)，以提供上面的方程式1中的加速度α。在步骤156中，由倾角θ_L在方程式1中计算重新启动加速度计偏差β₀。

图7B是回位校准方法的实施方式的流程图。该方法的步骤可以计算机可读的形式存储在有形介质200上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可以起到执行这些步骤的计算机的作用、作为执行这些步骤的计算机工作和运行。在步骤202中，接收来自用户的回位触发，且设备10、12确定其位置和第一海拔高度H₁。在步骤204中，设备10、12检测到它正在移动。在步骤206中，当设备10、12确定了它已在预定的时间范围内返回到1至3米的阈值内的相同二维水平位置时，确定返回环路高度H_R。时间长度可以在几秒到几分钟的范围内。按照另外一种可选方式，在接收到第二触发时，测量返回环路高度H_R。

在简单情况下，驾驶员在车辆14停放时向设备10、12发出触发，然后沿环路驾驶回到相同的停放位置。该方法进行了这样的假设：当检测到设备10、12已返回到相同水平位置或者被第二次触发时，返回环路高度H_R与起始高度H₁相同。在步骤208中，设备10、12确定使得海拔高度变化ΔH’s的总和为零的加速度计偏差β，或者确定使得起始高度H₁与返回环路高度H_R相等的加速度计偏差β。

图7C是用于回位校准的车辆行驶示意图。车辆14在位置250启动，沿逆时针环绕252行驶回到起始位置250，以进行单环校准。为了进行双环校准，车辆14继续通过顺时针环绕254回到起始位置250。逆时针环绕252或顺时针绕254都可以首先进行。环绕252和254中的任一个或二者可重复任意次数并且结果求平均，且这些环无需是精确的圆形。

图8是使用回位方法确定加速度计偏差β的安装值β_I、线性位置偏移L的值以及偏航调准角γ的双环安装校准的流程图。该方法的步骤可以以计算机可读的形式存储在有形介质300上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可以起到执行这些步骤的计算机的作用、作为执行这些步骤的计算机工作和运行。在步骤304中，使设备10、12预热。该预热使加速度计偏差β稳定。在步骤306中，将车辆14面向第一方向停放。测量第一加速度α_m(t)。因为车辆14没有移动，所以所测得的加速度α_m(t)将会很小。

在步骤308中，缓慢驾驶车辆14返回到相同停放位置，并面向相反方向停车。测量第二加速度α_m(t)。因为车辆14没有移动，所以该测得的加速度α_m(t)将会很小。在步骤314中，使用第一和第二所测得的加速度α_m(t)之间的差来区分加速度计偏差β_I与重力g因地面25的停放倾角而产生的影响。

在步骤316中，设备10、12使用刚刚计算出来的加速度计偏差β_I和预先选择的偏航调准角γ和位置偏移L的估算值来确定起始高度H₁。在步骤318中，沿顺时针(或逆时针)环绕迅速驾驶车辆14回到停放位置。该驾驶必须足够快，才能使得偏航角速率ω(t)近似于将在操作中遇到的偏航角速率ω(t)’s。在步骤322中，确定第一回位(RTP)高度H_R1。在步骤324中，沿相反方向的环绕迅速驾驶车辆14回到停放位置。该驾驶必须足够快，才能使得偏航角速率ω(t)近似于将在操作中遇到的偏航角速率ω(t)’s。在步骤326中，确定第二回位(RTP)高度H_R2。在步骤328中，使用下面的方程式2和3并根据起始高度H₁、第一RTP高度H_R1和第二RTP高度H_R2计算有效安装位置偏移L和偏航调准角γ。步骤328确定加速度计偏差β_I、位置偏移L和偏航调准角γ，以使在起始高度H₁与第一环绕高度H_R1之间以及在第一环绕高度H_R1与第二环绕高度H_R2之间高度变化ΔH’s的总和为零；或者确定加速度计偏差β_I、位置偏移L和偏航调准角γ，以使起始高度H₁、第一环绕高度H_R1和第二环绕高度H_R2相等。

高度和倾角的确定

下面段落说明设备10、12计算高度变化ΔH和倾角θ的操作。方程式2表示基于经补偿的加速度α_c(t)和速度v(t)、针对测量时间ΔT和重力加速度常数g计算高度变化ΔH。

$2)---\mathrm{\ΔH}=\{\underset{0}{\overset{\mathrm{\ΔT}}{\∫}}{\mathrm{\α}}_c\left(t\right)v\left(t\right)\mathrm{dt}-(1/2)[v^2\left(\mathrm{\ΔT}\right)-v^2\left(0\right)\left]\right\}(1/g)$

方程式3表示作为所测得的加速度α_m(t)、加速度计偏差β、位置偏航速率误差ω²(t)×L和对准偏航速率误差ω(t)×v(t)×γ的函数的经补偿的加速度α_c(t)。

3）α_c(t)=α_m(t)+β-ω²(t)L-ω(t)v(t)γ

对于左转弯或右转弯来说，位置偏航速率误差是相同的。对于左转弯和右转弯来说，对准偏航速率误差是相等且相反的。方程式4示出了作为经补偿的加速度α_c(t)和速度随时间的变化率Δv/Δt的函数的倾角θ。

4）θ=Sin^-1{[(α_c(t)-Δv/Δt]/g}

总体优点

在优选实施方式中，本发明提高了包括GPS接收器、偏航速率陀螺仪或航向陀螺仪、传动轴或轮速度测量装置以及根据情况选装的地图匹配能力的车辆导航设备的性能。本发明增加了前向方向线性加速度计和数个加速度计补偿算法，以将此设备的精度提高为在1米或2米内而无需差动GPS测量；并且提供了连续且平滑的高度和倾角而无需连续或平滑的GPS测量。

众所周知，GPS纬度和经度测量与高度的误差相关联的。通过改善对于高度的掌握，通过这些关联利用本发明改善了对于纬度和经度的掌握。在视野受阻的情况下，GPS速度可能有噪声，或者GPS卫星信号的几何结构(DOP)可能较差，或者只有三个GPS卫星信号可用。在这些情况下，改进的高度测量使纬度和经度的测量得以显著改进。

利用比GPS精度更高的本发明的高度的直接掌握与包括高度信息的地图匹配数据库相结合。使用精确的高度或高度变化信息，地图匹配算法可迅速地确定车辆是否处在公路驶出坡道处的两个平行轨迹中的一个上，这两个平行轨迹中的一个是上升或下降的，另一个则不是。只使用GPS和航向陀螺仪可能在直到已经行驶了相当长距离，到达两条可能的路径在地图匹配数据库中水平分开了与GPS精度相称的距离的地点之前，都不能产生所需的精度来作出这一判断。在迅速确定选路信息时，知道车辆是否已离开公路是关键的。按照本发明的直接掌握高度也可以在无GPS覆盖或基于GPS的高度不精确的多层停车结构中时确立车辆的垂直位置。

图9A图解说明了停车场的多个楼层512，其中当基于GNSS的高度不能可靠地区分楼层512时，使用本发明的DR高度H在由螺旋坡道连接的各楼层512之间进行区分。

图9B图解说明了公路522、向上衔接斜坡路524和向下衔接斜坡路526，其中当基于GNSS的航向不能可靠地区分这些斜坡路时，倾角θ的测量结果在向上斜坡路524和向下斜坡路526之间进行了区分。

虽然用目前优选的实施方式介绍了本发明，但是应该理解，这一公开内容不应解释为是限制性的。在阅读了以上公开内容之后，各种超集、子集和等同物对于本领域的技术人员无疑将是显而易见的。然而，这些超集、子集和等同设置不应视为对本发明的思想构成限制。因此，意图将下面的权利要求解释为覆盖本发明的真实精神和范围。

概念

作为简短概括，本文公开了至少下列宽泛概念。

概念1.一种倾斜计，包括：

速度计，用于确定前向速度；

加速度计，用于测量前向加速度；和

倾角计算器，用于基于所述所测得的加速度和所述速度的变化率计算倾角。

概念2.按照概念1所述的倾斜计，此外还包括：

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；

偏航补偿器，用于按照所述偏航角速率补偿所述所测得的加速度，以确定经补偿的加速度；并且其中

倾角计算器构成为用来使用所述经补偿的加速度与所述速率一起来计算所述倾角。

概念3.按照概念2所述的倾斜计，其中：

偏航补偿器包括偏航位置补偿器，该偏航位置补偿器用于针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线性位置偏移来对所述所测得的加速度进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念4.按照概念3所述的倾斜计，此外还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于使用双回环推算所述线性位置偏移，该双回环具有顺时针环绕或逆时针环绕之一之后的第一次回位和所述顺时针环绕或逆时针环绕中的另一个之后的第二次回位。

概念5.按照概念2所述的倾斜计，其中：

偏航补偿器包括偏航调准补偿器，该偏航调准补偿器构成为用来针对所述偏航角速率与偏航调准角一起来对所述所测得的加速度进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念6.按照概念5所述的倾斜计，此外还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于使用双回环估算所述偏航调准角，该双回环具有顺时针环绕或逆时针环绕之一之后的第一次回位和所述顺时针环绕或逆时针环绕中的另一个之后的第二次回位。

概念7.按照概念1所述的倾斜计，此外还包括：

偏差补偿器，该偏差补偿器用于按照加速度计偏差对所述所测得的加速度进行补偿，以确定经补偿的加速度，其中

倾角计算器构成为用来使用所述经补偿的加速度与所述速率一起来计算所述倾角。

概念8.按照概念7所述的倾斜计，此外还包括：

DR高度计算器，该DR高度计算器用于根据所述速度和所述经补偿的加速度来计算海拔高度变化；和

卡尔曼滤波器，该卡尔曼滤波器构成为用来对所述海拔高度变化和外部海拔高度修正进行滤波，以估算所述加速度计偏差。

概念9.按照概念8所述的倾斜计，其中：

所述外部海拔高度修正是从GNSS信号得出的。

概念10.按照概念8所述的倾斜计，其中：

所述外部海拔高度修正是从地图匹配得出的。

概念11.按照概念7所述的倾斜计，此外还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于根据回位估算所述加速度计偏差。

概念12.按照概念7所述的倾斜计，此外还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于根据朝向相反方向的回位估算所述加速度计偏差。

概念13.按照概念7所述的倾斜计，此外还包括：

重新启动偏差检测器，该重新启动偏差检测器用于估算暂停活动时段之后重新开始运动时的所述加速度计偏差，所述估算基于所述暂停活动时段之前的最后一个所述倾角。

概念14.按照概念1所述的倾斜计，此外还包括：

GNSS接收器，该GNSS接收器用于确定基于GNSS的位置和包括基于GNSS的倾角的基于GNSS的三维航向；

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；并且其中：

倾角计算器构成为用来使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置、所述速率和所述所测得的加速度来确定精度比所述基于GNSS的向上航向更高的航位推算倾角。

概念15.按照概念14所述的倾斜计，此外还包括：

电子路线图，该电子路线图具有相互接近的具有不同道路倾角的第一和第二平行衔接斜坡路；并且其中：

所述航位推算倾角用于在所述斜坡路不能由所述基于GNSS的位置可靠地区分开来的时候在所述第一和第二斜坡路之间进行区分。

概念16.一种确定倾角的方法，包括：

确定前向速度；

测量前向加速度；和

基于所述所测得的加速度和所述速度的变化率来计算倾角。

概念17.按照概念16所述的方法，此外还包括：

测量偏航角速率；

按照所述偏航角速率补偿所述所测得的加速度，以确定经补偿的加速度；并且其中：

计算所述倾角包括使用所述经补偿的加速度与所述速率一起来计算所述倾角。

概念18.按照概念17所述的方法，其中：

按照所述偏航角速率补偿所述所测得的加速度包括针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线性位置偏移来进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念19.按照概念18所述的方法，此外还包括：

估算所述线性位置偏移包括使用双环，该双环具有顺时针环绕或逆时针环绕之一之后的第一次回位和所述顺时针环绕或逆时针环绕中的另一个之后的第二次回位。

概念20.按照概念17所述的方法，其中：

按照所述偏航角速率补偿所述所测得的加速度包括针对所述偏航角速率和偏航调准角一起来进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念21.按照概念20所述的方法，此外还包括：

估算所述偏航调准角包括使用双环，该双环具有顺时针环绕或逆时针环绕之一之后的第一次回位和所述顺时针环绕或逆时针环绕中的另一个之后的第二次回位。

概念22.按照概念16所述的方法，此外还包括：

按照加速度计偏差补偿所述所测得的加速度，以提供经补偿的加速度；其中

计算所述倾角包括使用所述经补偿的加速度与所述速率一起来计算所述倾角。

概念23.按照概念22所述的方法，此外还包括：

根据所述速度和所述经补偿的加速度来计算海拔高度变化；和

对所述海拔高度变化和外部海拔高度修正一起进行卡尔曼滤波，以估算所述加速度计偏差。

概念24.按照概念23所述的方法，此外还包括：

从GNSS信号得出所述外部海拔高度修正。

概念25.按照概念23所述的方法，其中：

从地图匹配得出所述外部海拔高度修正。

概念26.按照概念22所述的方法，此外还包括：

根据回位估算所述加速度计偏差。

概念27.按照概念22所述的方法，此外还包括：

根据朝向相反方向的回位估算所述加速度计偏差。

概念28.按照概念22所述的方法，此外还包括：

估算暂停活动时段之后重新开始运动时的所述加速度计偏差，所述估算基于所述暂停活动时段之前的最后一个所述倾角。

概念29.按照概念16所述的方法，此外还包括：

确定基于GNSS的位置和包括基于GNSS的倾角的基于GNSS的三维航向；

测量偏航角速率；并且其中：

计算所述倾角包括使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置、所述速率和所述所测得的加速度来提供精度比所述基于GNSS的倾角更高的航位推算倾角。

概念30.按照概念29所述的方法，此外还包括：

提供电子路线图，该电子路线图具有相互接近的具有不同道路倾角的第一和第二平行衔接斜坡路；和

使用所述航位推算倾角来在所述斜坡路不能由所述基于GNSS的位置可靠地区分开来的时候对所述第一和第二斜坡路进行区分。

Claims (14)

1.一种倾斜计，包括：

速度计，用于确定前向速度；

加速度计，用于测量前向加速度；

偏差补偿器，该偏差补偿器用于按照加速度计偏差对所测量的前向加速度进行补偿，以确定经补偿的前向加速度，和

倾角计算器，该倾角计算器被构造为使用所述经补偿的前向加速度和所述前向速度的变化率来计算倾角；

所述倾斜计，还包括：

重新启动偏差检测器，该重新启动偏差检测器用于估算暂停活动时段之后重新开始运动时的所述加速度计偏差，所述估算基于所述暂停活动时段之前的最后一个所述倾角。

2.按照权利要求1所述的倾斜计，其中所述重新启动偏差检测器的估算进一步基于刚开始启动时速度仍然几乎为零的估算。

3.按照权利要求1所述的倾斜计，还包括：

DR高度计算器，该DR高度计算器用于根据所述前向速度和所述经补偿的前向加速度来计算海拔高度变化；和

卡尔曼滤波器，该卡尔曼滤波器被构造为对所述海拔高度变化和外部海拔高度修正进行滤波，以估算所述加速度计偏差。

4.按照权利要求3所述的倾斜计，其中：

所述外部海拔高度修正是从GNSS信号得出的。

5.按照权利要求3所述的倾斜计，其中：

所述外部海拔高度修正是从地图匹配得出的。

6.按照权利要求3所述的倾斜计，还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于根据回位估算所述加速度计偏差。

7.按照权利要求3所述的倾斜计，还包括：

回位补偿检测器，该回位补偿检测器用于根据朝向相反方向的回位估算所述加速度计偏差。

8.一种确定倾角的方法，包括：

确定前向速度；

测量前向加速度；

按照加速度计偏差补偿所测量的前向加速度，以提供经补偿的加速度；和

使用所述经补偿的前向加速度和所述前向速度的变化率来计算倾角；

该方法，还包括：

估算暂停活动时段之后重新开始运动时的所述加速度计偏差，所述估算基于所述暂停活动时段之前的最后一个所述倾角。

9.按照权利要求8所述的方法，其中在刚开始启动时估算所述加速度计偏差包括估算在刚开始启动时速度仍然几乎为零。

10.按照权利要求8所述的方法，该方法还包括：

根据所述前向速度和所述经补偿的前向加速度来计算海拔高度变化；和

对所述海拔高度变化和外部海拔高度修正一起进行卡尔曼滤波，以估算所述加速度计偏差。

11.按照权利要求10所述的方法，还包括：

从GNSS信号得出所述外部海拔高度修正。

12.按照权利要求10所述的方法，其中：

从地图匹配得出所述外部海拔高度修正。

13.按照权利要求10所述的方法，还包括：

根据回位估算所述加速度计偏差。

14.按照权利要求10所述的方法，还包括：

根据朝向相反方向的回位估算所述加速度计偏差。

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