CN107084743A - 利用gnss/ins数据的六自由度惯性测量单元的偏移和失准补偿 - Google Patents

利用gnss/ins数据的六自由度惯性测量单元的偏移和失准补偿 Download PDF

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Abstract

一种用于校正来自安装至车辆的六自由度IMU的角速度和加速度输出中的偏移和角度失准误差的系统和方法。该方法包括：从例如GNSS/INS提供惯性框架中的速度和评估姿态数据，以及利用该速度和姿态数据来确定车辆框架中的理想的加速度评估和理想的速度评估。然后，该方法利用该理想的加速度和速度评估以及来自IMU的IMU主体框架中的角速度和加速度输出来确定IMU偏移误差和失准误差。

Description

利用GNSS/INS数据的六自由度惯性测量单元的偏移和失准 补偿
发明背景
技术领域
本发明总体涉及用于确定六自由度(DOF)惯性测量单元(IMU)的输出的偏移和失准误差的系统和方法，且更具体地涉及用于利用来自全球导航卫星系统(GNSS)和/或惯性导航系统(INS)的速度和姿态数据来确定车辆上六自由度(6-DOF)IMU的输出的偏移和失准误差的系统和方法，其中，该方法包括利用速度和姿态来确定车辆框架中的理想加速度评估和理想角速度评估，以及利用理想加速度和角速度以及测得的来自IMU的角速度和加速度输出来确定IMU的偏移误差和失准误差。
背景技术
现代车辆的操作正变得更加自动化，即车辆能够提供需要更少驾驶员介入的驾驶控制。在车辆上使用巡航控制系统已经多年，其中，车辆操作员可以设置一特定的车辆速度，且车辆将维持该速度而无需驾驶员对油门进行操作。在本领域中，最近已经开发了自适应巡航控制系统，其中，该系统不仅维持设定速度，而且还将自动地减缓车辆(在利用各种传感器(例如雷达和相机)来检测到在前车辆移动移动的情况下)。某些现代车辆还提供自动泊车，其中，车辆将自动地提供用于泊车的转向控制。一些车辆系统提供无需驾驶员介入的自动制动，以避免后端碰撞。随着车辆系统的改进，它们将变得更自动，其目标是成为完全自动驾驶车辆。例如，未来车辆很可能将采用用于换道、让车、转离交通、转向交通等的自动系统。
车辆上各种主动安全控制系统、驾驶员辅助系统和自动驾驶操作，例如提供电子稳定控制(ECS)、自适应巡航控制(ACC)、车道保持(LK)、车道改变(LC)等，需要用于评估各种车辆动力学的高鲁棒性和精确性的模块。这种模块有必要提供获知车辆位置和速度以控制车辆。
以上所述的用于系统的主动安全性控制以及其它控制依赖于用于实现适当性能的精确的车辆速度评估。目前，提出的这些类型的系统依赖于车轮速度传感器和其它车辆运动输入，以提供车辆速度评估。然而，有时，确定车辆速度的传感器和控制模块失效或操作不当，在该情况下，车辆速度的损失可是严重的。在初级评估处理器失效的情况下，某些自动安全性需求(例如ASIL-D)需要多余的车辆速度评估过程。例如，针对那些需要主动控制的系统，需要控制系统在失效事件发生之后5秒之内来提供精确的速度评估，以便给驾驶员时间来控制车辆。
本领域已知可在车辆上提供六自由度(6-DOF)IMU，其提供6个测量变化率，具体地，为车辆滚动、俯仰和偏转的角速度测量，以及纵向加速度、横向加速度和向上/向下加速度的角速度测量。在车辆上提供的典型的IMU将包括三个提供角速度测量的陀螺仪以及三个提供加速度测量的加速计。
本领域中已经提出利用来自车辆上IMU的角速度和加速度测量来提供能够被车辆使用用于实现车辆速度评估的信号。2015年4月7日提出申请的、标题为通过六自由度IMU、GPS和雷达的数据融合实现的故障后可操作的车辆速度评估的美国专利申请系列号No.14/680,894，公开了用于提供多余车辆速度评估的系统和方法，其可确定一个或多个提供车辆速度的初级传感器是否已经失效，且倘若如此，则在次级模块中利用缓存的车辆速度值以及来自IMU的惯性测量信号来评估车辆速度。该方法还利用GPS信号数据和/或由来自静止物体的距离传感器(倘若它们是可用的)提供的速度数据来改进评估的车辆速度。
在'894申请中讨论的过程中，次级车辆速度评估的精确度很大地依赖于IMU加速度和角速度测量的精确度。然而，为此，由车辆上的IMU提供的角速度和角速度的测量由于一些误差源而通常偏离实际的加速度和角速度值。IMU测量中的两个主要误差源为加速计和陀螺仪偏移部件以及相应于将IMU安装至车辆的框架失准。每个轴上都有一偏移项，其相应于6个偏移误差项(除了3个失准误差之外)。尽管期望将IMU与车辆框架完美地对齐，但是仍有安装误差，即使它们很小，在计算中它们可提供显著的失准误差。另外，在车辆的制造过程中，通过移动车辆以及识别误差可以改进偏移和失准误差。然而，也很难精确地获取这种偏移和失准误差校正。另外，在车辆的制造阶段过程中，这些偏移和失准误差校正经常需要特殊的车辆操纵，且另外，由于不同的道路、车辆和环境状况，偏移项并不固定且可及时地改变。
发明内容
本公开描述了一种用于校正来自安装至车辆的六自由度IMU的角速度和加速度输出中的偏移和角度失准误差的系统和方法。该方法包括：从例如GNSS/INS提供惯性框架中的精确的速度和评估姿态数据，以及利用该速度和姿态数据来确定车辆框架中的理想的加速度评估和理想的速度评估。然后，该方法利用理想的加速度和速度评估以及来自IMU的IMU主体框架中的角速度和加速度输出来确定IMU偏移误差和失准误差。
从以下的说明和所附权利要求并结合附图，本发明的附加的特征将变得显而易见。
附图说明
图1是车辆的等比示意图，其示出了车辆基准框架和IMU主体框架；
图2是IMU误差评估系统的方框图；以及
图3是示出了用于提供IMU误差评估的过程的流程图。
具体实施方式
以下本发明的实施例的讨论涉及一种用于识别车辆上六自由度IMU中的IMU偏移和失准误差的系统和方法，其在本质上仅仅是示例性的，且决不以任何方式意于限制本发明或它的应用或使用。例如，该系统和方法针对次级车辆速度评估有特定的应用。然而，如本领域技术人员将理解的，该系统和方法可具有其它应用并可用于其它移动平台，例如，在火车、机器、拖拉机、轮船、露营车辆上等。
图1为车辆10的等比示意图，该车辆包括GNSS/INS单元12，其以已知的方式提供精确的车辆速度和姿态数据(包括滚动、偏转和俯仰角度)。另外，车辆10包括传感器14，该传感器旨在表示车轮速度传感器、方向盘角度传感器、偏转率传感器、纵向和横向加速度传感器等(如本文讨论所需)中的一个或多个。车辆10还包括六自由度IMU 16，其提供如本文还讨论的加速度和角速度测量。如上所述，IMU 16为包括3个加速计和3个陀螺仪的已知设备。例如，在'894申请中，当车辆速度测量数据不可用时，可采用来自IMU 16的测量以提供所讨论的车辆速度评估。
本文的讨论将涉及包括惯性框架(N-框架)的三坐标框架，其为位于地面上的固定参考框架，其中，X-轴朝向东，Y-轴朝向北，且Z-轴朝向上。如图1所示，车辆框架20(V-框架)为位于车辆10的重心处的主体固定框架，且X-轴朝向前，Y轴朝向左，且Z-轴朝向上。主体框架22(b-框架)为IMU 16的中心处的主体固定框架，且其中X-Y-Z轴与IMU 16中的加速计和陀螺仪的X-Y-Z轴相对齐。IMU误差包括每个加速计和陀螺仪沿着主体框架22的X-Y-Z轴的6个偏移分量，以及对应于主体框架22与车辆框架20之间的旋转角度的3个失准角度。主体框架22的每个轴线有两个偏移项，具体地，为一个加速度偏移和一个角速度偏移。
图2为系统30的方框图，其采用了IMU误差评估模型以校正以上所述的偏移和失准误差。系统30包括IMU误差评估模块32和状态评估模块34，该IMU误差评估模块评估IMU偏移和失准误差，该状态评估模块校正来自IMU 16的偏转测量并在速度和姿态评估模块中利用它们(偏转测量)。在误差评估模块32中，例如，在方框36处利用GNSS/INS数据来提供精确的车辆速度和姿态。利用来自方框36的车辆速度和姿态数据，模块32在方框38处确定车辆框架20的理想的加速度和角速度。
以下讨论详细说明了怎样确定理想的加速度和角速度。以下等式限定了车辆框架20中的速度和角速度。
其中，是车辆框架20中的车辆速度的时间导数，gn＝[0,0,-9.80665]t是惯性框架中的重力加速度矢量，fv是车辆框架20中的加速度矢量，且是从惯性框架到车辆框架20的变换矩阵，其对应于滚动φ、俯仰θ和偏转ψ的欧拉角度旋转，其中：
且其中，Ωv＝[ωvX]是IMU的车辆角速度ωv的反对称矩阵：
假定从GNSS/INS数据可以已知车辆速度Vv和滚动角度φ，俯仰角度θ和偏转角度ψ，通过利用等式(1)，车辆框架20中的理想的IMU加速度矢量fv和角速度测量Ωv可如下得到：
其中，利用速度数据的数值导数来获取以及利用等式(3)来获取如下：
其中，和被数值计算。
来自方框38的理想的IMU加速度矢量fv和理想的角速度Ωv被传送至IMU偏移和失准评估方框40，其将理想的加速度矢量fv和理想的角速度Ωv评估值与主体框架22中的角速度ωb(来自在方框42处提供的IMU 16中的陀螺仪)和主体框架22中的加速度值fb(来自在方框44处提供的IMU16中的加速计)进行比较，以计算偏移和失准评估误差。只要GNSS/INS数据提供精确的信息以在方框36处确定车辆速度和姿态，在方框40处就可精确地获得主体框架22的X-Y-Z轴上的每个加速计的偏移和失准误差以及3个失准角度误差。
为了计算偏移和失准评估误差，获取理想的测量与实际的测量之间的关系。在等式(5)中的IMU测量为理想的测量，在某种意义上，它们不包括任何IMU误差。将偏移和失准视为两种显著的误差，理想的值和实际的IMU测量的关系如下所示：
其中，fb和ωb是主体框架22中的实际的IMU测量，f偏移和ω偏移】分别是加速计和陀螺仪的偏移矢量，且是从车辆框架20到主体框架22的变换矩阵，其对应于IMU失准角度，如下：
其中，α、β和γ分别是关于X轴、Y轴和Z轴的失准欧拉角度。
等式(8)和(9)包括具有9个未知数的6个等式。为了获得等式的唯一解，与不同时间点的加速度测量有关的3个等式是必要的。
在方框40处，在以下两种情况下，利用理想的在两个不同的时间点的加速度测量来首次获取3个失准角度α、β和γ。第一种情况下，纵向加速度变化，而横向和竖向加速度恒定。在该情况下，为了在时间t1和t2处的IMU 16的理想的加速度测量，满足以下条件：
假定偏移项在时间t1和t2处保持恒定，且利用等式(8)-(13)，可得实际的IMU测量在时间t1和t2处的差异如下：
其中，Δf＝f(t2)-f(t1)，且其中，在车辆框架20中的恒定的横向和竖向加速度项以及偏移项通过相减被消除。
在((α,β,γ)＝(0,0,0,)附近对等式(14)进行线性化，得出：
得出：
倘若β≠0或γ≠0，则通过将等式(16)和(17)代入等式(14)可获得失准角度α，如下：
其中：
第二种情况下，纵向和竖向加速度变化，而横向加速度恒定。在这情况下，以下条件被提供。
假定偏移项在时间t1和t2处保持恒定，且利用等式(8)、(9)、(21)、(22)和(23)，可得实际的IMU测量在时间t1和t2处的差异如下：
其中，在车辆框架20中的恒定横向加速度项以及偏移项通过相减被消除。
在(α,β,γ)＝(0,0,0,)附近对等式(24)进行线性化，得出：
从等式(25)可获得失准角度β如下：
倘若从先前的时间可获得失准角度γ的评估，则：
为了实现失准评估算法，在等式(5)和(6)中的理想的IMU测量在模块32中被缓冲持续一段较短的时间(例如，1秒)。时间t2被设置成等于当前时间，且通过检索缓冲数据来确定时间t1，其满足在第一种情况或第二种情况下的条件。由于失准角度是恒定的，它们随着在每个时刻的当前值与先前值的平均而被更新。
一旦失准角度α，β和γ被计算出，利用等式(8)、(9)和(10)可获得用于加速计和陀螺仪的偏移分量，如下：
图3是流程图60，其示出了如以上所讨论的用于在方框38和40处用于提供IMU误差评估计算的过程。在方框62处，来自GNSS/INS的数据进行滚动φ、俯仰θ和偏转ψ的车辆姿态测量，到方框64处，将来自惯性框架的车辆姿态测量变换至车辆框架20，以获取如由等式(2)和(3)提供的变换矩阵和然后变换矩阵和被传送至方框66，以提供车辆框架20中的补偿速度，其包括角速度ωv以及由等式(5)提供的反对称矩阵Ωv。在方框68处提供来自GNSS/INS数据的车辆速度和加速度值Vv和且在方框70处利用来自方框66的由等式(5)提供的反对称矩阵Ωv对车辆框架20中的加速度进行补偿，以获取测得的由等式(6)提供的在车辆框架20中的加速度向量fv。算法利用来自方框70的向量fv以及来自方框74的IMU加速度测量值fb来计算失准角度α，β和γ(或者在第一种情况下利用等式(16)、(17)和(18)，或在第二种情况下利用等式(26)和(27))。算法产生变换矩阵用于在方框76处利用等式(10)来实现从车辆框架20到主体框架22的变换。然后，变换矩阵以及来自在方框80处的IMU 16的主体框架22中的角速度ωb和来自方框74的主体框架22中的加速度fb被提供至方框78，以利用等式(28)和(29)来产生偏移分量f偏移和ω偏移，其中，从等式(16)、(17)和(18)或等式(26)和(27)，以及等式(28)和(29)获得的结果给出了9个值。
识别来自方框40的偏移和失准误差的9个值被提供至模块34，以使得倘若GNSS/INS数据在任何特定时间点不可用时，则先前计算出的误差可被用于识别车辆速度和姿态(在这些值是需要的但车辆速度传感器失效的情况下)。因此，如在'894申请中，倘若需要IMU数据来评估车辆速度，则那些值在被用于那些计算之前先被针对误差进行调整。来自方框40的误差以及方框48处的IMU角速度ωb和方框50处的IMU加速度值fb被应用至在模块34中的IMU偏移和失准补偿方框46，以如下被校正。
一旦在方框46处校正IMU角速度和加速度值，那些校正后的值在方框52处就可被用于确定例如如在'894申请中所述的车辆速度和姿态。
如本领域技术人员将很好地理解，本文所讨论的用于描述本发明的一些或各种步骤和过程可以指代由计算机、处理器或其它电子计算装置(利用电现象来操作和/或变换数据)执行的操作。那些计算机和电子装置可采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括具有在其上储存的可执行程序(包括可由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令)的非暂时性计算机可读介质，其中，存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
以上讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。从这种讨论以及从附图和权利要求，本领域技术人员将容易地认识到，在不脱离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种改变、修改和变体。

Claims (10)

1.一种用于校正来自六自由度(DOF)惯性测量单元(IMU)的角速度和加速度输出中的偏移和角度失准误差的方法，所述IMU被安装在平台上，所述方法包括：
提供位于惯性框架中的速度和评估姿态数据；
利用所述速度和姿态数据来确定位于平台框架中的理想的加速度评估和理想的速度评估；以及
利用所述理想的加速度和速度评估以及来自所述IMU的角速度和加速度输出来确定IMU偏移误差和失准误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供速度和姿态数据包括提供来自全球导航卫星系统(GNSS)和/或惯性导航系统(INS)的速度和姿态数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定理想的加速度评估和理想的速度评估包括将位于所述惯性框架中的所述平台的速度、滚动角度、俯仰角度和偏转角度转换至所述平台框架中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，转换速度和滚动、俯仰和偏转包括利用以下等式：
<mrow> <msup> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>v</mi> </msup> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>v</mi> </msup> <msup> <mi>V</mi> <mi>v</mi> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>n</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <msup> <mn>9</mn> <mi>n</mi> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>f</mi> <mi>v</mi> </msup> </mrow>
<mrow> <msubsup> <mover> <mi>R</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>n</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>v</mi> </msup> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>n</mi> <mi>v</mi> </msubsup> </mrow>
其中，是所述平台框架中的速度的时间导数，gn＝[0,0,-9.80665]t是所述惯性框架中的重力加速度矢量，fv是所述平台框架中的加速度矢量，且是从所述惯性框架到所述平台框架的变换矩阵，其对应于滚动φ、俯仰θ和偏转ψ的角度旋转，其中：
<mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>n</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>cos</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>+</mo> <mi>cos</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>sin</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
且其中，Ωv＝[ωvx]是所述IMU角速度输出的反对称矩阵，如下：
<mrow> <msup> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>v</mi> </msup> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;phi;</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;phi;</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
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其中，ω为角速度，利用所述速度数据的数值导数来获取以及如下获得：
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其中，和被数值计算。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定IMU偏移误差和失准误差包括将所述理想的加速度评估和所述理想的速度评估与来自所述IMU的所述角速度和加速度输出进行比较。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，比较所述理想的加速度评估和所述理想的速度评估包括将来自所述平台框架的所述加速度和角速度评估转换至IMU主体框架。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述IMU偏移误差和失准误差包括利用在两个不同采样时间处的理想的加速度评估来识别三个失准角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述失准角度包括改变所述平台的纵向加速度，但横向和竖向加速度保持恒定。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述失准角度包括改变所述平台的所述纵向和竖向加速度，但横向加速度保持恒定。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述IMU偏移误差和失准误差包括使用等式：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>f</mi> <mi>b</mi> </msup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>v</mi> <mi>b</mi> </msubsup> <msup> <mi>f</mi> <mi>v</mi> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
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