CN103109159A - 用于对位置测量装置中的漂移进行补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对安装在船舶（1）上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，所述船舶在操作过程中至少发生围绕水平轴（X、Z）的旋转运动和垂直平移运动，所述水平轴以一个平衡位置为中心，所述船舶包括用于对所述船舶围绕轴（X、Y、Z）的旋转进行测量的一个陀螺仪（50）和用于对所述船舶沿着三个方向的加速度进行测量的三轴加速计（20），其中从所述陀螺仪输出的信号经过低通过滤，其中倾斜信号基于所述加速计的测量值来计算并且经过低通过滤，其中控制器（51、52、53）用于对从所述陀螺仪输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值。本发明的特征在于所述倾斜信号的所述低通过滤的截止频率经选择使得它大于所述平移运动的典型振荡频率但小于所述旋转运动的典型振荡频率，且总力矢量基于所述加速计的三个测量值来计算并且表示所述船舶的总加速度，以及所述倾斜信号基于所述总力矢量来计算。

Description

用于对位置测量装置中的漂移进行补偿的方法

本发明涉及一种用于对包括陀螺仪的位置测量装置中的漂移进行补偿的方法。

例如，在卫星天线对可移动物体，例如大船和其他漂浮或飞行船舶，或者陆地上的船舶等进行定位的过程中，已知的是用陀螺仪来指引卫星天线，即使在船舶相对于水平面和铅垂线移动时陀螺仪也一直指向所需卫星。

包括陀螺仪的位置测量装置中的存在一个问题是陀螺仪通常会逐渐漂移。已知的是使用低通过滤加速计信号来补偿该陀螺仪漂移。

瑞典专利号SE531778、美国专利号US6588117及弘S K（Hong,SK）的文章：“用于无人驾驶飞行器（UAV）的、基于模糊逻辑的闭环捷联航姿系统（Fuzzy logic based closed-loop strapdown attitude system forunmanned aerial vehicle(UAV)）”麻吉玛的文章，关于技术和自动化的第五次国际会议（2005年10月），网址：http://icta05.teithe.gr/index.php，都描述了用于对各种可移动船舶例如小船和飞机等进行该陀螺仪补偿的方法。

所有这些方法都基于以下假设：船舶在操作时围绕固定的平衡位置转动或旋转，在该平衡位置船舶处于有效运转位置；从加速计输出的信号可以经过低通过滤，因此所述旋转产生的噪音被消除；以及所得的低通过滤信号因此可以用于对陀螺仪进行漂移补偿。

以上所述的瑞典专利没有考虑到例如大船的不同类型的振动具有不同的典型频率，其中这些振动中的一部分的频率可能远远低于其他振动。然而，船舶的某些运动，其周期大于所述低通过滤的截止频率，将不会被低通过滤消除。

例如，长周期的运动包括小船经历的海洋升沉、持续的加速度、减速度和转弯。

以上美国专利和文章都涉及了这样的问题，即它们不能以令人满意的方式应付船舶的垂直平移运动。

本发明解决了上述描述的问题。

因此，本发明涉及一种用于对安装在船舶上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，所述船舶在操作过程中至少发生以船舶在操作时假定的平衡位置为中心的旋转运动和垂直平移运动，所述旋转运动围绕一个或多个轴进行，所述一个或多个轴在所述平衡位置时是水平的，其中船舶进一步包括至少一个用于测量船舶围绕轴的旋转的陀螺仪和一个用于测量船舶沿三个方向的加速度的三轴加速计，所述三个方向一起跨越三维空间，其中从陀螺仪输出的信号经过低通过滤，从而获得低通过滤陀螺仪信号，其中倾斜信号由加速计的测量值组成或由加速计的测量值计算得到，所述倾斜信号表示船舶围绕所述轴的旋转，其经过低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号，其中控制器用于对从陀螺仪输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值。

本发明的特征在于：倾斜信号的低通过滤的截止频率经选择使得它大于垂直平移运动的至少一个典型振荡周期；总力矢量基于加速计（20）的三个测量值来计算，其中总力矢量表示船舶（1）的总加速度；以及倾斜信号基于所述总力矢量来计算。

在下文中，将参照本发明的示例性实施例和附图对本发明进行详细描述，在附图中：

图1所示为涉及有船舶的坐标系；以及

图2所示为描述根据本发明的方法的方框图。

在图1中，所示坐标系涉及船舶1，例如大船。在图1中，Y轴从船舶起垂直指向上，Z轴处于船舶的纵轴上向前的方向，X轴垂直穿过船舶的纵轴。当船舶斜着滚动时，它围绕Z轴在旋转方向θ上旋转。当船舶在纵向上俯仰时，它围绕X轴在旋转方向φ上旋转。当船舶改变航向时，它围绕Y轴在旋转方向ψ上旋转。可以意识到，相同的坐标系可以用于其他类型的漂浮或飞行船舶，或者陆地上的船舶，例如，其他类型的小船、飞机、直升机、汽车等等，它们围绕平衡位置运动，在该平衡位置处船舶处于垂直位置。

在操作过程中，船舶1发生旋转运动，该旋转运动以垂直平衡位置为中心，其中船舶在图1中示出。旋转运动围绕一个或多个轴进行，这些轴在平衡位置时是水平的，即文中实例中的滚动方向θ和俯仰方向φ。此外，在操作过程中，船舶1发生垂直平移运动，即在垂直方向Y上的运动。对于这样的运动，根据本发明的方法获得了令人满意的结果，当船舶在方向ψ、X和Z上运动时，所述方法还可以实施，例如下文中描述），用于获得令人满意的陀螺仪漂移补偿。

图2所示为描述根据本发明的方法的方框图。陀螺仪50对船舶1在旋转方向θ和φ中至少一个方向上瞬时的相对旋转进行测量，优选的是在所有旋转方向ψ、θ和φ上，图2中所示为后一种情况。陀螺仪50优选地对同一个点的实测角进行测量，且优选在一个单元中包括三轴陀螺仪。陀螺仪50固定安装在船舶1上，其中该陀螺仪被布置成位置测量装置的一部分，优选地用于确定船舶1相对于位置已知的某物体，例如卫星的位置。本文中船舶1的位置表示其相对于该位置已知物体的角坐标，并且还可能是地理位置以及相对于该物体海平面以上的海拔。

此外，船舶1包括固定安装的三轴加速计20，用于测量船舶1沿着三个方向的加速度。优选的是这些方向是正交的，且优选的是它们平行于轴X、Y和Z。然而，只要三个方向不在同一平面内，根据本发明的方法就适用，因为这样它们一起跨越三维空间。优选的是加速计20经布置以测量单个点在不同方向上的加速度。

合适的陀螺仪的实例为KVH工业公司以商标名KVH DSP-3000出售的陀螺仪。合适的加速计的一项实例为瑞士日内瓦的意法半导体公司在市场上出售的加速计。该加速计用适于当前应用的频率进行采样，优选在5次每秒与50次每秒之间。

构成陀螺仪50的输出信号的瞬时测定的角度ψ、θ和φ中的每一者在各自的低通过滤步骤51、52、53中进行低通过滤，因此可针对每个角度值获得低通过滤陀螺仪信号。

由加速计20瞬时测定的值被发送到计算模块23，该计算模块根据预定的常规函数F，基于加速计20测定的值来计算倾斜角。可以意识到，在加速计20将已经计算的倾斜信号作为输出值进行递送时，类似的方法是适用的，因此从加速计20输出的信号可以分成各部分，这些部分随后可以用于进一步的方法步骤中。在下文中，所描述的加速计在每个轴向上对单独的输出信号进行递送。

所述倾斜信号经布置以表示船舶1围绕上述水平滚动轴θ和俯仰轴φ中至少一者的旋转，并且所述预定的函数F由矩阵变换和几何计算构成，所述矩阵变换和几何计算接收加速计20的输出值作为输入参数。所计算的倾斜信号随后在各个低通过滤步骤24、25中进行低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号。

此外，各个控制器54、55、56经布置以对来自陀螺仪50的、关于每个角度值ψ、θ和φ的各个输出信号中的至少一者进行补偿，所述角度值由陀螺仪50测量得到，优选是对所有这些输出信号进行补偿，使得陀螺仪50的漂移被消除且旋转值变得正确可靠。控制器54、55、56可以实施为分立的部件或在同一个控制器中由不同的功能器件组成实现。

所述补偿是基于两个低通过滤信号之间的差值，所述低通过滤信号一方面来自陀螺仪50，另一方面来自加速计20。

如上所述，船舶1的旋转运动同时由加速计20和陀螺仪50来测量。如在上述瑞典专利号SE531778中更详细描述，陀螺仪适于测量小的相对角变化，但是遇到陀螺仪随时间漂移的问题，这将会使绝对角度的测量不可靠。另一方面，加速计适于在静态条件下测量绝对角度，但在另一方面不太适于测量动态条件下的变化，并且对于会干扰绝对角度变化测量的平移加速度非常敏感。

因此，各个控制器54、55、56可首先接收来自加速计20的低通过滤信号作为输入值，其次接收来自陀螺仪50的经低通过滤，漂移补偿（见下文）的信号，这两个信号表示围绕同一轴的旋转。基于这两个信号，控制器54、55、56随后计算补偿信号，所述补偿信号在各个添加模块57、58、59中被添加到各个陀螺仪轴的瞬时值中。因此，添加模块57、58、59的各个输出值构成各个低通过滤器51、52、53的输入参数和最终经漂移补偿的陀螺仪值ψ、θ和φ。

由于船舶1在方向θ和φ上的旋转运动以所述平衡位置为中心，因此来自加速计20的关于这些旋转的低通过滤倾斜值构成了一个非常准确的值，这些值用于表示有关船舶的平衡位置相对于加速计20安装方向的倾斜。对于陀螺仪50也是如此。因而，这两个信号之间的负差大致上构成合适的补偿信号，该补偿信号可以用于连续地校准陀螺仪50的瞬时信号。然而，优选的是各个控制器54、55、56实施合适校准的PID类型的控制算法，例如PD类型的算法。

优选的是加速计信号的低通过滤和陀螺仪信号的低通过滤都具有相同的截止频率，从而针对不同典型频率的船舶1的运动均获得好的结果。

对于船舶1围绕上述平衡位置振荡的运动而言，只要围绕平衡位置的振荡频率充分大于上述加速计信号的低通过滤的截止频率，上述类型的补偿就会起作用。对于较低频率的运动而言，所述结果通常不令人满意，因为在这种情况下低通过滤加速计信号包括长周期噪声，该噪声会影响陀螺仪漂移补偿。

如果所选择的倾斜信号的低通过滤的截止频率足够低以赶上同样低频的运动并与之持平，那么在另一方面陀螺仪补偿的减速度会太长，从而在许多应用中不能获得足够准确的结果，例如在水上、在海上或当船舶在不平坦的陆地上移动时。

根据本发明，倾斜信号的低通过滤的截止频率因此经选择使得其大于垂直平移运动的至少一个典型周期。换句话说，所述截止频率经选择使得其大于具有最长周期的运动的频率，所述具有最长周期的运动对于垂直平移运动而言是典型的。该截止频率的选择同时提供足够快的响应时间，因为较长周期的垂直平移运动可以根据下文所描述的内容得到补偿。

根据尤其优选的实施例，所述截止频率进一步经选择使得其低于船舶1在不改变航向的直行方向上正常移动过程中围绕上述平衡位置的转动的典型周期。

低频干扰运动通常且尤其出现在海洋应用中，但也出现在空中和陆地上，它的一种类型为船舶1的垂直平移运动。对于低频干扰运动而言，在海上，其由相对较慢的海洋升沉构成；在空中，由海拔变化构成；在陆地上，由海平面以上的陆地海拔变化构成。

根据本发明，模块23基于加速计20的三个测量值X、Y、Z计算总力矢量，其中总力矢量表示船舶1的总瞬时加速度，其包括重力加速度以及由船舶1的运动导致的任何额外施加的加速度。随后，模块23基于所计算的总力矢量来计算倾斜信号，例如根据如下：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{X}{F_{\mathrm{total}}}\right);$

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\left(\frac{Y}{F_{\mathrm{total}}}\right);$

$F_{\mathrm{total}}=\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}.$

由于垂直平移运动所导致的船舶的加速度平行于重力加速度，因此角度θ和φ的计算值与垂直加速度分量无关，尤其是与上述低频垂直运动无关。这与起初提及的、先前已知的用于对陀螺仪进行漂移补偿的方法不同，因为它们都只使用两个加速计轴来计算倾斜角，所述倾斜角又用于对陀螺仪进行漂移补偿。因此，低频垂直运动会干扰所计算的倾斜角，并且因此会干扰陀螺仪补偿。

当船舶移动时，还有其他类型的低频运动发生，从而产生干扰加速度。然而，一般而言，船舶1的操纵控制而引起的加速度分量可以通过船舶1上现有或有意安装的传感器所获得信息的帮助来计算，这种类型的加速度分量可以当作已知。

根据优选实施例，加速计20的测量值被连续地调整，使得它们被补偿的量为船舶1的该可能已知加速度，该加速度通过船舶的操纵控制瞬时地获得。该补偿通过在模块23计算倾斜信号之前修改瞬时加速计信号而获得，并且通过从加速计20的相应测量值中减去已知加速度的各个相应分量而实现。

表达“可能加速度”旨在抓住该已知的加速度并不是一直存在，而是可能为0，例如在飞机的水平飞行过程中。

图2所示为加速计信号的该补偿的一对实例。

在已知加速度由船舶1移动方向上的可能的线性加速度或减速度构成的情况下，加速计20的测量值基于布置在船舶1上的速度计的输入数据来进行补偿，该速度计的形式如下：现有GPS接收器30、现有计程仪40，或用于测量速度的另一合适装置。速度计30、40连续地对船舶1的速度进行测量，并且移动方向上的任何加速度或减速度都基于测定的速度来计算。最后，将所计算的加速度值从加速计20的输出信号中减去，由此加速计20的输出信号得以调整。在加速计20经布置以直接测量Z方向上加速度的情况下，由于其测量方向中的一个测量方向如图2所示的与船舶1的纵轴方向一致，因此将加速度简单地从瞬时的Z测量值中减去。否则，加速计20的输出值将使用合适的矩阵变换来修改，从而获得相应的效果。

该减法在计算模块21中执行，所述计算模块还可以包括本身较为常规的控制器，从而对加速计20输出的瞬时信号执行合适的控制工程修改，该控制工程修改例如PID控制，其比简单的减法更加复杂。

船舶在移动方向Z上前后移动过程中发生转动，已知的加速度由可能的离心力引起，所述离心力垂直作用于船舶的移动方向并且由船舶1的偏航引起，在这种情况下，加速计20的测量值基于来自速度计和测量装置的输入数据来进行补偿，所述速度计如上所述布置在船舶1上，所述测量装置连续地对船舶在单位时间的旋转进行测量。如果速度v（测量单位m/s）和单位时间旋转Ω（单位为弧度/s）是已知的，那么实际上在X方向上加速计的测量值是由值v|Ω来改变的。

因此，加速计20的X测量值将使用计算模块22来调整，类似于模块21，所述计算模块22可包括更高级的控制器，所述更高级的控制器为合适的PID类型等，并且模块22从GPS接收器30、计程仪40或另一合适的速度计以及从用于测量单位时间旋转的装置接收输入数据。

根据优选实施例，用于测量单位时间转动的所述装置由陀螺仪50本身构成，所述陀螺仪的输出信号经过计算模块26，所述计算模块26基于陀螺仪50的输出信号，采用常规的方式，使用预定函数G，计算在当前偏航平面内单位时间的瞬时角变化。

这样，加速计20的测量值因此在X方向上连续地被调整，使得它被补偿的量为垂直于船舶1移动方向的已知离心力，补偿方法是从加速计20的X测量值中减去所述计算值，在这种情况下所述X测量值沿着某一轴进行测量，所述轴布置在平衡位置的上述水平面内并且垂直于船舶1的移动方向。以上描述了关于船舶1移动方向上的加速度，与之类似的是，加速计20的测量值可以使用合适的矩阵变换用相应的方式进行调整，前提是加速计的测量方向中没有一个方向是垂直于移动方向并且布置在水平面内。

在上述实例中，其中加速计20的输出值由于船舶1的偏航所引起的离心力而被连续地调整，来自陀螺仪50的瞬时输出信号因此用于对来自加速计20的瞬时输出信号进行连续补偿，同时来自加速计20的低通过滤输出信号与来自陀螺仪50的低通过滤输出信号一起用于对来自陀螺仪50的瞬时输出信号进行补偿。同样的原理也可以在其他条件下使用，在这些条件下离心力通过操纵装置而施加到船舶1，例如当飞机在垂直平面内转动的过程中，例如当开始上坡时。

如上所述，优选的是陀螺仪50经布置以对围绕三个正交轴的旋转进行测量，所述三个正交轴与图1中标记的轴X、Y和Z一致。

在这种情况下，至于围绕船舶1移动方向Z的旋转θ，以及围绕轴X（其垂直于船舶1移动方向Z并且当船舶1处于上述平衡位置时还垂直于铅垂线）的旋转φ，优选的是这些旋转测量值使用上述低通过滤倾斜信号来进行漂移补偿。

另一方面，至于在方向ψ上由陀螺仪50所测量的转动，即船舶1围绕轴Y（当大船1处于平衡位置时该轴Y平行于铅垂线）的旋转，优选的是该旋转测量值使用来自船舶1上现有罗盘10（例如，准确的陀螺罗盘）的低通过滤信号来进行漂移补偿。低通过滤是通过低通过滤步骤11实现的，这类似于低通过滤步骤24、25并且优选使用与步骤24、25相同的低通过滤截止频率。形成步骤11的低通过滤信号提供给控制器56的方式对应于上述步骤24、25结合控制器54、55中的方式。

因此，根据本发明的方法可以实现：固定安装在船舶上的位置确定装置中的陀螺仪，可以用简单可靠的方式对陀螺仪漂移进行补偿，即使是在垂直升沉类型的低频干扰和各种其他低频干扰加速度的条件下也如此。此外，陀螺仪漂移补偿使用本身常规并且通常已存在于船舶上的部件来进行，这样成本较低。

上文中已经描述了优选实施例。然而，所属领域的技术人员将明白，可在不脱离本发明的思想的情况下对所描述的实施例做出许多修改。

例如，可意识到，根据本发明的方法可以基于位置测量装置有利地用于对陀螺仪进行漂移补偿，所述位置测量装置固定安装在任何类型的船舶上，所述船舶经布置以漂浮移动，飞行或在陆地上，并且显示出上述以平衡位置为中心的相对较高频率的运动。一项实例为直升机，其平衡位置在水平飞行过程中由其正常的角位置构成或在悬停过程中由其正常的角位置构成。

因此，本发明不应限于所描述的实施例，而是可在所附权利要求的范围内变化。

Claims (12)

1.一种用于对安装在船舶（1）上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，（50）其中船舶在操作过程中至少发生

旋转运动，该运动以船舶（1）在操作过程中假定的平衡位置为中心，其中旋转运动围绕一个或多个轴（X、Z）进行，所述一个或多个轴（X、Z）在所述平衡位置时是水平的，以及

垂直平移运动，

其中船舶（1）进一步包括用于对所述船舶（1）围绕轴（X、Y、Z）的旋转进行测量的至少一个陀螺仪（50）和用于测量所述船舶（1）沿着三个方向（X、Y、Z）的加速度的三轴加速计（20），所述三个方向（X、Y、Z）一起跨越三维空间，其中从所述陀螺仪（50）输出的信号经过低通过滤，从而获得低通过滤陀螺仪信号，其中倾斜信号由所述加速计（20）的测量值组成或由所述加速计（20）的测量值计算得到，所述倾斜信号表示所述船舶（1）围绕所述轴（X、Y、Z）的旋转，其经过低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号，其中控制器（51、52、53）用于对从所述陀螺仪（50）输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值，其特征在于以下项的组合：

首先，所述倾斜信号的所述低通过滤的截止频率经选择使得其大于所述垂直平移运动的至少一个典型的振荡频率且同时小于所述旋转运动的典型频率，

第二，总力矢量基于所述加速计（20）的所述三个测量值来计算，其中总力矢量表示所述船舶（1）的总加速度，以及

第三，所述倾斜信号基于所述总力矢量来计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述倾斜信号的值之前，所述加速计（20）的测量值连续地经调整使得其被补偿的量为所述船舶（1）的可能已知加速度，所述可能已知加速度是通过所述船舶（1）的操纵控制而瞬时获得的，所述补偿的方法是从所述加速计（20）的所述测量值中减去该已知加速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述加速计（20）的所述测量值连续地经调整使得其被补偿的量为某一已知加速度，所述已知加速度的形式为船舶（1）移动方向（Z）上可能的线性加速度或减速度，且速度计（30、40）连续地对所述船舶（1）的速度进行测量，以及该加速度或减速度基于相同的速度进行计算且随后从所述加速计（20）的所述测量值中减去，所述测量值由此被调整。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述加速计（20）的所述测量方向（X、Y、Z）中的一个测量方向与船舶（1）的纵轴方向一致，以及所述加速计（20）的所述测量值被补偿的量为所述船舶（1）的速度变化所引起的所述已知加速度，补偿的方法是从所述加速计（20）在所述船舶（1）的所述纵轴方向上的所述已知测量值中减去所述测定的已知加速度。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于所述加速计（20）的所述测量值连续地经调整使得其被补偿的量为某一已知加速度，所述已知加速度的形式为所述船舶（1）的偏航所引起的、垂直于所述船舶（1）移动方向（Z）的可能离心力，且速度计（30、40）连续地对所述船舶（1）的速度进行测量，且在偏航平面内所述船舶（1）的单位时间旋转被测量，以及所述已知加速度基于所述速度和单位时间旋转来计算并且随后从所述加速计（20）的所述测量值中减去，所述测量值由此被调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述加速计（20）的所述测量方向（X、Y、Z）中的一个测量方向经布置在水平面内并且垂直于所述船舶（1）的移动方向（Z），以及所述加速计（20）的所述测量值被补偿的量为作用于所述船舶（1）上的离心力所引起的所述已知加速度，补偿的方法是从所述加速计（20）在垂直于所述船舶（1）的所述纵轴方向（Z）上的所述测量值中减去所述测定的已知离心力。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述单位时间旋转基于所述陀螺仪（50）的所述测量值来计算。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于所述船舶（1）的速度基于所述船舶（1）上的现有测速器（40）、GPS接收器（30）等仪器的测量值来连续地计算。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪（50）经布置以测量所述船舶（1）围绕一个轴的旋转，所述轴平行于所述船舶的所述纵轴方向（Z），且所述陀螺仪（50）的漂移是使用所述低通过滤倾斜信号来补偿的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪（50）经布置以测量所述船舶（1）围绕一个轴的旋转，所述轴垂直于所述船舶（1）的移动方向（Z）且当所述船舶（1）处于所述平衡位置时还垂直于铅垂线，且所述陀螺仪（50）的漂移是使用所述低通过滤倾斜信号来补偿的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪（50）经布置以测量所述船舶（1）围绕一个轴（Y）的旋转，当所述船舶（1）处于所述平衡位置时所述轴（Y）平行于所述铅垂线，且所述陀螺仪（50）的漂移是使用来自所述船舶（1）上现有罗盘（10）的低通过滤倾斜信号来补偿的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所有的低通过滤都具有相同的截止频率。

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