CN107560612B - 用于确定交通工具的角位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定交通工具的角位置的方法和装置，该角位置例如为俯仰角。根据实施方式，使用安装到交通工具的第一角速度传感器来检测交通工具围绕第一旋转轴线的第一旋转角速度。使用安装到交通工具的第二角速度传感器来检测交通工具围绕第二旋转轴线的第二旋转角速度。第二旋转轴线基本上与第一旋转轴线正交。基于交通工具的第一旋转角速度与交通工具的第二旋转角速度的比率来确定交通工具的角位置。

Description

用于确定交通工具的角位置的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于确定交通工具的角位置的方法和装置。
背景技术
本发明涉及交通工具位置感测领域，更具体地说，本发明涉及感测交通工具的角位置，例如其侧倾、俯仰角或偏转。
由于全球导航卫星系统(GNSS)的精密性和准确性，其已经成为交通工具导航解决方案的实际标准。然而，在汽车应用中，具有天空的视线角度的先决条件不一定能够满足。例如，高层建筑物、茂密的树叶周围、在隧道内和在堆叠的道路和屋顶下方，GNSS接收严重受损。
航位推算是指通过附加传感器信息来增加GNSS位置定位以推断交通工具在GNSS中断期间的位置的过程。通常用于航位推算的一种类型的传感器是车轮传感器，其可以提供关于当GNSS信号不可用时的行进的距离的信息。通常，这些经由放置在车轮轴上的轴编码器来计算车轮转数。
然而，纯粹基于机轮旋转的航位推算位置更新具有其局限性，因为交通工具可以在三个维度上移动。例如，如图1所示，交通工具向上倾斜30度行驶距离L。车轮编码器将从斜坡起点推导距离L，尽管在水平方向上行进的实际距离仅为0.87L。因此，航位推算误差在水平方向上高估了13％，而没有提供在垂直方向行进的距离的指示。使用差速机轮旋转，例如左后轮上的单独的编码器和右后轮上的另一个编码器，可以允许在两个维度上进行航位推算，但是，这仍然不提供有关第三个维度中的运动的任何信息。
为此，许多现代的航位推算系统采用大量附加的传感器，例如加速度计和陀螺仪来检测交通工具的运动。当GNSS信号不可用时，知道交通工具的角位置可以大大地改善交通工具的位置估计。在上述示例中，知道交通工具的俯仰角将允许更准确地确定交通工具在三个维度中的位置。如下所述，有各种已知的技术来确定交通工具的俯仰角。
仅陀螺仪方法
原则上，可以使用与交通工具主体的横向轴线(y轴)完美对准的陀螺仪来确定交通工具的俯仰角。虽然简单，但是仅仅基于这样的陀螺仪测量的俯仰角确定不是很准确的原因有几个。
与使用陀螺仪相关的一个问题是由传感器本身的性质引起的。陀螺仪仅提供角速度，而不是角度的绝对测量。为了获得后者，需要对陀螺仪的输出求积分。然而，在不知道初始条件即安装陀螺仪的主体的初始俯仰角的情况下，计算的输出将是有误的，除非在t＝0时主体的初始俯仰角为零。
其次，由于陀螺仪仅表示角位移的变化率，所以在某些情况下测量具有极其短的持续时间。想象一下，例如交通工具经过平坦地面行进到具有恒定坡度的斜坡上。y轴陀螺仪的输出将记录在交通工具进入斜坡的瞬间的俯仰角的变化。然而，这种测量仅在交通工具爬坡时返回到零之前的很短的持续时间才会存在。测量的非常短的持续时间使获得可靠的结果具有挑战性，特别是如果使用俯仰角来推导出交通工具的高度。
多传感器方法
更常见的是，陀螺仪与加速度计一起使用，以更准确地确定角位置。在确定交通工具的俯仰角时，加速度计通常会提供更可靠的结果。在如前所述交通工具穿过斜坡的情况下，即使俯仰角没有改变，加速度计也在沿着恒定斜面向上行驶时连续地提供测量。这是因为加速度计提供了交通工具所经历的加速度的测量。
利用两种类型的传感器来确定准确的俯仰角的一种方式包括计算由每种类型的传感器确定的两个角度的差并反馈该“错误”差以校正由陀螺仪传感器测量的俯仰角。陀螺仪的输出与以前一样被积分，除了这次是它与从加速度计传感器间接收集的信息相关。
仅加速度计方法
也可以使用单一加速度计来确定静止或非加速交通工具的俯仰角。例如，可以使用感测停放的或沿着斜坡以恒定速度运动的交通工具的纵向(x轴)加速度的加速度计，以直接推导出交通工具的倾斜角或俯仰角(根据AX＝1g×sin(θ)，(其中AX表示加速度计输出并且θ是交通工具的俯仰角)。然而，这种确定仅仅当传感器在交通工具中正确定向时是准确的。否则，围绕其他轴线的任何旋转影响沿着交通工具x轴感测的加速度的大小，并且因此将误差引入到俯仰角计算中。此外，如果交通工具以非零加速度运动，则另外需要一种手段来确定由于其自身向前运动而导致的交通工具的加速度。然后加速度的这个额外分量需要被考虑并从加速度计感测到的加速度中减去。
需要的是用于确定交通工具的角位置的改进的技术。
发明内容
本发明提供用于确定交通工具的角位置(例如俯仰角)的系统和方法。根据实施方式，使用安装到交通工具的第一角速度传感器来检测交通工具围绕第一旋转轴线的第一旋转角速度。使用安装到交通工具的第二角速度传感器来检测交通工具围绕第二旋转轴线的第二旋转角速度。第二旋转轴线基本上与第一旋转轴线正交。基于交通工具的第一旋转角速度与交通工具的第二旋转角速度的比率来确定交通工具的角位置。
根据本发明的另一实施方式，使用安装到交通工具的第一角速度传感器来检测交通工具围绕第一旋转轴线的第一旋转角速度。使用安装到交通工具的第二角速度传感器来检测交通工具围绕第二旋转轴线的第二旋转角速度。第二旋转轴线基本上与第一旋转轴线正交。使用交通工具的第一旋转角速度和交通工具的第二旋转角速度来估计交通工具的角位置。使用交通工具的估计的角位置来估计交通工具位置的变化。
附图说明
本发明是针对其具体示例性实施方式进行描述的并且相应地对于附图进行了参考，在附图中：
图1示出了根据常规方法的部署用于航位推算的车轮传感器的交通工具；
图2示出了根据本发明的实施方式的用于确定交通工具的角位置的系统的方框示意图；
图3示出根据本发明的实施方式的为其确定俯仰角的交通工具；
图4示出了根据本发明的实施方式的行驶的交通工具在其上的角位置可以被确定的螺旋式汽车坡道；
图5示出根据本发明的实施方式的为其确定侧倾的交通工具；
图6示出了根据本发明的实施方式的可以考虑的交通工具主体系和传感器系之间的未对准；
图7示出了根据本发明的实施方式的在平坦地面上行驶时由z轴角速度传感器确定交通工具的前进方向；
图8a-8b示出了在没有激活本发明的情况下获得的停车场中的交通工具运动；
图9a-9b示出了根据本发明实施方式获得的停车场中的交通工具运动；以及
图10a-10b示出了根据本发明的另一实施方式的用传感器未对准校正获得的停车场中的交通工具运动。
具体实施方式
本发明提供用于确定交通工具角位置的系统和方法。作为说明性示例，本文关于确定汽车的角位置来描述本发明。然而，交通工具可以是能够从一个位置运动到另一个位置并能够经历角位置的变化且具有足够的尺寸使得本文描述的角速度传感器可以安装到其上的任何物体。这些交通工具的示例包括但不限于陆上交通工具(包括汽车、卡车和建筑设备)、飞行器(包括飞机和直升机)和船舶(包括潜水器)。所确定的角位置可以是侧倾、俯仰角或偏转中的任何一个或更多个。作为参考，交通工具被认为具有纵向轴线、横向轴线和垂直轴线。所有三条轴线的原点可以被定义为交通工具的中心(例如，其重心)。然而，其他定义是可能的。例如，汽车的后轴的中部可以被定义为轴线的原点。
纵向轴线(也称为x轴或侧倾轴)从原点延伸并离开交通工具的前部。因此，交通工具的直线向前运动通常与纵向轴线对齐。交通工具围绕纵向轴线的角位置被称为“侧倾”。在汽车的情况下，侧倾是指交通工具所经历的横向倾斜，例如当其通过(negotiate)曲线和/或有坡面的道路时。横向轴线(也称为y轴或俯仰轴)从原点延伸，离开交通工具的右侧(船只的右舷)并且与纵向轴线正交。交通工具围绕y轴的角位置被称为“俯仰角”，并且该角位置表示交通工具具有上升姿势(正俯仰角)或下降姿势(负俯仰角)的程度。垂直轴线(也称为z轴或偏转轴)从原点延伸，离开交通工具的底部并且与纵向轴线和横向轴线正交。交通工具围绕z轴的角位置被称为“偏转”或前进方向。
本发明涉及获得围绕交通工具的三个正交轴中的两个的角速度传感器测量结果，并且涉及使用这些测量结果来估计交通工具围绕第三轴线的角位置。在不需要使用加速度计的情况下估计角位置。例如，如果来自x轴(侧倾)传感器和z轴(偏转)传感器的测量结果是可获得的，并且如果观察到显著的偏转率，则可以确定交通工具俯仰角(围绕y轴的角位置)。这种方法使能在航位推算模式中改变高度确定，并且还提供提高前进方向的准确性的可能性。不需要加速度计。如果使用估计的俯仰角来将传感器轴线对准交通工具体系的轴线以解决任何未对准，则性能可以进一步提高。
作为另一示例，如果来自y轴(俯仰)传感器和z轴(偏转)传感器的测量结果是可获得的并且如果观察到显著的偏转率，则可以确定交通工具侧倾(围绕x轴的角位置)。
图2示出了根据本发明的实施方式的用于确定交通工具100的角位置的系统的方框示意图。交通工具100上已经安装有第一角速度传感器102和第二角速度传感器104。第一角速度传感器102和第二角速度传感器104优选地安装到交通工具，使得它们的测量轴线基本上平行于交通工具主体轴线并且基本上彼此正交。处理器106被配置为从第一角速度传感器102和第二角速度传感器104接收测量数据信号。处理器106还被配置为基于传感器数据信号来计算交通工具的角位置的估计。角速度传感器102和104可以包括陀螺仪或陀螺仪等效物，包括但不限于MEMS陀螺仪、光纤陀螺仪、振动结构陀螺仪或其它类型的角速度传感器。此外，第一角速度传感器102和第二角速度传感器104可以作为一个单元被封装在一起，例如，它们可以被实现为双轴陀螺仪。
如本文所解释的，处理器106可以使用交通工具的估计的角位置另外确定交通工具的位置的变化。例如，处理器106可以使用估计的角位置以及诸如从例如机轮旋转传感器或速度表获得的交通工具速度信息等其他信息来估计交通工具的位置的变化。在航位推算模式中，处理器106可以基于从GNSS信号获得的交通工具的初始位置和初始角位置以及基于来自传感器102和104的信息获得的交通工具的估计的角位置来确定交通工具的当前位置的估计。因此，如图2所示，交通工具可以可选地包括与处理器106通信的GNSS接收机108，以便获得可由处理器106结合其他信息使用的GNSS信息。
可以可选地在交通工具100内设置显示器110，以向交通工具100的操作者显示估计的交通工具角位置和位置信息。这样的信息可以替代地或另外地被传送到远程位置(例如，经由蜂窝或无线信令通信地耦合到交通工具100的远程服务器)，以用于收集、保存和潜在地对信息进行附加处理。
图3示出了根据本发明可以为其确定角位置(即俯仰角)的交通工具100。在该示例性实施方式中，第一角速度传感器102与交通工具100的侧倾轴线(x轴)对准，而第二角速度传感器104与交通工具100的偏转轴线(z轴)对准。角速度传感器102和104测量围绕其相应轴线的旋转角速度。如图3所示，角速度传感器102和104可以合并为双轴传感器112。注意，图3中示出了两个坐标系，即惯性参考系(Xi，Zi)和交通工具主体系(Xb，Zb)。这两个坐标系在本文给出的数学推导下进一步描述。
使用两个角速度传感器的俯仰角确定
如本文所述，仅使用横向或y轴陀螺仪来确定交通工具的俯仰角通常是不准确的，并因此被避免。本发明基于以下认识：在某些情况下，可以使用两个正交放置的陀螺仪来准确地确定交通工具的俯仰角。具体来说，当交通工具经历围绕其垂直轴线(z轴)的显著的旋转(或偏转)时，可以根据以下等式通过交通工具主体中的纵向(x轴)定位的陀螺仪和垂直(z轴)定位的陀螺仪来提供准确的俯仰角确定：
Figure GDA0002875921970000071
其中θ表示在其中安装陀螺仪的主体(交通工具)的俯仰角，并且GX和GZ分别是纵向(或x轴)陀螺仪和垂直(或z轴)陀螺仪的测量结果。
唯一的假设是，交通工具经历围绕垂直轴线(z轴)的显著的旋转，并且围绕交通工具的横向轴线(x轴)的侧倾变化率(和侧倾角度本身)可以忽略不计。第一个假设每当交通工具在行驶中转弯时有效，例如沿着停车场中的螺旋坡道上升或下降。图4示出了可以确定行驶交通工具在其上的角位置的示例性螺旋式汽车坡道。
对于大多数交通工具行驶的路面，第二个假设通常是正确的。这是因为道路有意地建造成最小化交通工具侧倾，并且因此侧倾角度通常可以忽略不计。
本发明具有三个关键优点。首先，它允许在交通工具中准确的俯仰角确定，而不需要加速度计的部署。这在只有陀螺仪可用的应用中特别有用。其次，与先前描述的单一加速度计相比，即使交通工具以不均匀运动移动，在俯仰角确定中也不需要加速度信息。第三，如本文所述，具有准确的俯仰角信息允许交通工具上升或下降时的改进的前进方向的确定。
数学推导
为了显示等式(1)的有效性，定义两个坐标系，即惯性参考系和交通工具主体系是有用的。惯性参考系是相对于地球的固定位置的静态轴线组。为了推导和讨论的目的，采用了共同的航空空间惯性参考系，其中x轴指向北，y轴指向东，而z轴指向下方(称为北-东-向下或NED参考系)。请注意，由于z轴定义为向下，任何高于地面的高度均为负。
在大多数应用中，诸如陀螺仪的传感器的轴线被制成与其中安装传感器的移动平台例如交通工具的轴线重合。在下面的推导中，交通工具主体系x轴被定义为指向交通工具的挡风玻璃之外，y轴横向地穿过车门指向，并且主体系z轴指向在交通工具下面的下方。传感器系与主体系重合，但如本文所讨论的那样，交通工具主体系和传感器系之间可能存在未对准。
安装在交通工具上的传感器(例如陀螺仪)报告相对于交通工具主体系的旋转速度。因此，为了确定交通工具的欧拉角速度，即俯仰角率
Figure GDA0002875921970000085
侧倾率
Figure GDA0002875921970000086
和偏转率
Figure GDA0002875921970000087
首先需要将它们转换成传感器在适当的坐标系，即惯性参考系中进行的测量结果。这可以通过执行一系列转换来完成。用于将交通工具主体上的传感器做出的角速度测量结果转换为惯性参考系中的欧拉角速度的变换矩阵由以下等式给出
Figure GDA0002875921970000081
如果GX表示交通工具主体系x轴传感器读数，GY表示交通工具主体系y轴传感器读数和GZ表示z轴传感器读数，则可以显示根据以下等式给出欧拉角速度
Figure GDA0002875921970000082
仅考虑侧倾率分量，即等式(3)中矩阵的第一行，则得出
Figure GDA0002875921970000083
在侧倾和侧倾的变化率可以忽略不计的假设下，即
φ≈0和
Figure GDA0002875921970000084
那么等式(4)变成
0＝GX+GZ tanθ (5)
并且对于俯仰角θ重新排列等式(5)最终产生
θ＝tan-1(-GX/GZ)
如由等式(1)所要求的。
使用两个角速度传感器的侧倾确定
本发明可以用于准确地测量交通工具的侧倾。具体地，可以使用横向(y轴)陀螺仪和垂直(z轴)陀螺仪来确定关于交通工具的x轴的角位置(侧倾)。
图5示出了根据本发明可以确定其侧倾的交通工具100。在该示例性实施方式中，第一角速度传感器102与交通工具100的俯仰轴线(y轴)对准，而第二角速度传感器104与交通工具100的偏转轴线(z轴)对准。交通工具100的后部在图5中示出，因为交通工具被定向成就像它正在进入页面一样。角速度传感器102和104测量围绕其相应轴线的旋转角速度。类似于图3，图5中示出了两个坐标系，即惯性参考系(Xi，Zi)和交通工具主体系(Xb，Zb)。此外，角速度传感器102和104可以结合成双轴传感器112。
与俯仰角确定一样，应该存在显著的偏转率。此外，俯仰角的变化率应该很小。侧倾确定的数学推导如下：
使用先前在上面的等式(3)中给出的矩阵的第二行：
Figure GDA0002875921970000091
假设恒定的俯仰角，即俯仰角的变化率可以忽略不计。方程(6)变为：
0＝GY cosφ-GZ sinφ (7)
侧倾的重新排列等式(7)得到：
Figure GDA0002875921970000092
因此，交通工具的侧倾由以下等式确定：
φ＝tan-1(GY/GZ)
传感器未对准校正
为此，惯性传感器系和交通工具主体系之间的任何未对准都未被考虑。为了简单起见，已经假设传感器已被安装成使其完全与交通工具对准。换句话说，已经假设交通工具主体系和每个陀螺仪的旋转轴线之间的角度差为零，即传感器系的轴线平行于交通工具主体系的轴线。
实际上，由于传感器壳体内的两个或更多个陀螺仪的不完美安装或传感器壳体本身在交通工具内安装时的不完全对准，几乎总是存在一些未对准。图6示出了可以考虑的交通工具主体系(b)和传感器系(s)之间的未对准。这种未对准将影响从传感器测量确定的任何角度。因此，由等式(1)确定的观察到的俯仰角θ将由交通工具的真实俯仰角θT和俯仰角未对准误差Δθerr组成，即
θ＝θT+Δθerr (8)
因此，根据等式(8)，为了获得交通工具的俯仰角的准确值，由于传感器未对准而导致的误差贡献Δθerr应从等式(1)确定的俯仰角中去除。传感器未对准是表示交通工具主体x-z平面和传感器x-z平面之间的角位移的单一角度。简而言之，从导出的每个俯仰角减去俯仰角未对准误差Δθerr来获得交通工具的真实俯仰角θT。这需要对俯仰角未对准误差Δθerr的先验知识。
俯仰角未对准误差Δθerr可以看作是实际安装的陀螺仪的传感器系与理想安装的陀螺仪(其与交通工具主体系完美对准)的传感器系之间的固定旋转角度。获得俯仰角未对准误差Δθerr的一种方式是使用不涉及使用车载惯性传感器的方法来确定交通工具俯仰角，并将结果与使用等式(1)确定的俯仰角进行比较。例如，当GNSS信号可用时，可以部署传统的定位技术以独立地确定交通工具的俯仰角。在传感器配置为正式使用之前，可以在控制或校准驾驶期间，在系统启动时最初完成此操作。或者，每当GNSS信号可用时，可以连续地校准未对准误差，以便检测传感器未对准的任何变化，例如由于交通工具有效载荷的变化。重要的是要注意，校准驾驶不需要在水平地面上进行。
前进方向的变化率校正
如果交通工具在完全水平的地面上横穿，则来自垂直或偏转(z轴)陀螺仪的读数将提供交通工具的前进方向的变化率
Figure GDA0002875921970000111
(也称为转弯或偏转率)的直接指示。因此，如果初始前进方向ψ0已知，则可以通过对交通工具的前进方向变化率积分来更新交通工具行进的前进方向或定向。图7示出了交通工具相对于惯性参考和交通工具主体系的前进方向。类似地，如果交通工具行驶在诸如墙壁(假设情况)之类的无限陡峭的斜度上，则来自侧倾(x轴)陀螺仪的读数将指示交通工具的前进方向的变化率或偏转率。在这两个正交的情况下，另一个陀螺仪上的读数将为零，即在水平地面上驾驶时GY＝0，向墙上驾驶时GZ＝0。
只有在这两种情况下，陀螺仪测量才能给出交通工具的前进方向的变化率的准确的指示。然而，实际上，交通工具横穿的地面很少是完全平坦的，并且永远不会无限陡峭。因此，从传感器获得的前进方向的变化率的信息通常在x轴方向和z轴方向都具有分量。
然而，交通工具俯仰角的知识可以用于在交通工具未横穿水平地面的情况下“校正”或解析交通工具的前进方向的变化率。以下等式(9)或(10)中的任一个将提供交通工具的“真实”偏转率
Figure GDA0002875921970000112
Figure GDA0002875921970000113
尽管这两个等式都将提供真正的偏转率，但是因为在交通工具在水平地面上行驶时它不会返回不连续性，所以使用等式(9)在数字上是优选的。另外，对于小的俯仰角，分母通常会较大，并且因此受系统误差的影响较小。
仅当检测到交通工具偏转的显著变化率时，才可执行俯仰角确定和随后的前进方向校正。例如，可以定义例如每秒五度的偏转率门限，使得仅在偏转率超过该门限时执行对交通工具的前进方向的校正。门限的定义可以相对于陀螺仪测量的质量进行。如果陀螺仪测量的质量较低，则可能会设置较高的门限。
高度传播
了解交通工具的真实俯仰角还允许独立于GNSS的交通工具高度的传播。这在交通工具上升/下降并且卫星信号不可用或者这种信号的接收受到损害的情况下是特别有利的。与汽车或卡车有关的GNSS信号可能不可用或受损的情况的例子包括多层停车场中的斜坡、隧道内的弯曲斜坡、通过山谷和峡谷的弯曲道路(如山路)、露天采矿点中的道路、GNSS信号被诸如高层建筑物等结构阻挡或阻碍的城市环境，以及其他类似的条件。
在GNSS信号刚刚丢失之前，例如在停车场或隧道的入口处，高度可以从经由GNSS确定的最后位置定位或经由使用GNSS和传感器测量的融合解决方案获得。此后，虽然GNSS信号不可用，例如，在交通工具进入停车场或隧道之后，可以从以下等式中计算新的高度
z(t1)＝z(t0)-vΔT sinθT (11)
而不管GNSS信号是否可用。这里z(t1)，z(t0)，v和ΔT分别表示当前时期的交通工具高度，前一时期的高度，交通工具速度和两个时期之间的时间段。注意，正角度将返回负高度，因为局部惯性参考系假设沿z轴的向下行进。速度可以从速度表或在给定时间内测量机轮转数的设备来确定。速度可以替代地来自在GNSS接收丢失之前的交通工具的最后已知速度。或者，如果一个或更多个加速度计可用，则速度可以从加速度计测量确定。
如本文所述的高度传播需要GNSS接收机或例如气压计的一些其他装置来测量绝对高度，以及两个角速度传感器，例如安装在交通工具中的双轴(侧倾和偏转或XZ)陀螺仪。注意，也可以采用三轴(侧倾、俯仰和偏转或XYZ)陀螺仪，其中仅仅不使用俯仰陀螺仪。换句话说，可以使用三轴陀螺仪的双轴。由于三轴陀螺仪的普遍存在，并且从更大的集成度降低了成本，因此后者的实现可能是优选的。如果需要高度信息，则该实现另外需要一种确定速度的装置，例如来自机轮传感器或速度表的输入。
高度传播和前进方向校正计算可以在位于GNSS接收机内的主机微处理器的接收机固件中进行。俯仰角可以如本文所述来计算。
如前所述，本发明不需要部署加速度计。然而，如果加速度计另外可用，则使用如上所述的陀螺仪的俯仰角确定将提供独立的测量结果，其可以与从加速度计确定的俯仰角相结合，以便获得更准确和可靠的俯仰角测量结果。
在图8a-8b、9a-9b和10a-10b中示出了使用本发明在停车场中进行的一系列测试驾驶。图8a-8b、9a-9b和10a-10b中的每个图中的黑线表示对照轨迹(或实际交通工具路径)，而灰线表示交通工具的计算轨迹。顶部(图8a、9a和10a)显示纬度与经度的关系，并且表示与计算的轨迹(以灰线所示)相比的对照交通工具轨迹(以黑线示出)的鸟瞰图。底部(图8b、9b和10b)显示了高度与时间的关系，以黑线显示的对照交通工具高度分布对比以灰线显示的计算出的高度分布。图8a-8b示出了交通工具在停车场中的移动，而没有激活本发明(陀螺仪存在但不用于确定俯仰角)。此外，图8b中的曲线图显示，在GNSS信号不可用并且直到GNSS信号再次可用(在停车车库的出口处)时，交通工具的高度不被推断，而是保持不变。图9a-9b示出了根据本发明的相同的移动，这次使用陀螺仪来确定俯仰角和高度。最后，图10a-10b示出了具有传感器未对准校正的附加特征的本发明。请注意，交通工具使用机轮转速传感器来确定交通工具在地块中的速度，这是计算交通工具高度所需要的。
本发明的前面的详细描述是出于说明的目被提供，而并不旨在是穷尽的或将本发明限制于所公开的实施方式。因此，本发明的范围是由所附权利要求限定的。

Claims (32)

1.一种确定交通工具(100)的角位置的方法，该方法包括以下步骤：
使用安装到所述交通工具(100)的第一角速度传感器(102)来检测所述交通工具(100)围绕第一旋转轴线(Xb,Yb)的第一旋转角速度(GX,GY)；
使用安装到所述交通工具(100)的第二角速度传感器(104)来检测所述交通工具(100)围绕第二旋转轴线(Zb)的第二旋转角速度(GZ)，所述第二旋转轴线(Zb)基本上与所述第一旋转轴线(Xb,Yb)正交；以及
基于所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)与所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的比率来估计所述交通工具(100)的所述角位置，
其中，当所述交通工具(100)经历围绕所述第二旋转轴线(Zb)的旋转的显著的变化率并且经历围绕所述第一旋转轴线(Xb,Yb)的旋转的可忽略的变化率时，同时执行检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的步骤和检测所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述角位置包括所述交通工具(100)的俯仰角。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述角位置包括所述交通工具(100)的侧倾。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一旋转轴线(Xb,Yb)与所述交通工具(100)的侧倾轴线重合，并且所述第二旋转轴线(Zb)与所述交通工具(100)的偏转轴线重合。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在所述检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)和所述检测所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)被执行时，所述交通工具(100)在弯曲的斜坡上行驶。
6.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
将表示所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的第一参数存储在计算机可读数据存储器中；以及
将表示所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的第二参数存储在所述计算机可读数据存储器中。
7.如权利要求6所述的方法，由处理器(106)使用表示所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的所述第一参数和表示所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的所述第二参数来执行所述估计所述交通工具(100)的所述角位置。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述估计所述交通工具(100)的所述角位置包括确定所述第一旋转角速度(GX,GY)与所述第二旋转角速度(GZ)的比率的反正切。
9.如权利要求2所述的方法，所述估计是根据以下等式进行的：
Figure FDA0002875921960000021
其中GX是所述第一旋转角速度，GZ是所述第二旋转角速度，并且θ是所述交通工具(100)的估计的俯仰角。
10.如权利要求2所述的方法，该方法还包括使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来估计所述交通工具(100)的高度的变化。
11.如权利要求2所述的方法，该方法还包括使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来估计所述交通工具(100)的三维位置。
12.如权利要求1所述的方法，该方法还包括校准所述第一角速度传感器(102)和所述第二角速度传感器(104)与所述交通工具(100)的对准。
13.如权利要求12所述的方法，其中，当GNSS信号可用时，周期性地执行对所述对准的所述校准。
14.如权利要求2所述的方法，该方法还包括使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来解析所述交通工具(100)的前进方向的变化率。
15.如权利要求14所述的方法，其中，仅当所述交通工具(100)的偏转率超过门限偏转率的值时，才执行对所述前进方向的变化率的所述解析。
16.一种被配置为能够安装到交通工具(100)以确定所述交通工具(100)的角位置的装置，该装置包括：
第一角速度传感器(102)，其被配置为检测所述交通工具(100)围绕第一旋转轴线(Xb,Yb)的第一旋转角速度(GX,GY)；
第二角速度传感器(104)，其被配置为检测所述交通工具(100)围绕第二旋转轴线(Zb)的第二旋转角速度(GZ)，所述第二旋转轴线(Zb)基本上与所述第一旋转轴线(Xb,Yb)正交；以及
处理器(106)，其被配置为基于所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)与所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的比率来估计所述交通工具(100)的所述角位置，
其中，所述装置被配置为当所述交通工具(100)经历围绕所述第二旋转轴线(Zb)的旋转的显著的变化率并且经历围绕所述第一旋转轴线(Xb,Yb)的旋转的可忽略的变化率时，同时执行检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)和检测所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述角位置包括所述交通工具(100)的俯仰角。
18.如权利要求16所述的装置，其中，所述角位置包括所述交通工具(100)的侧倾。
19.如权利要求16所述的装置，其中，所述第一旋转轴线(Xb,Yb)与所述交通工具(100)的侧倾轴线重合，并且所述第二旋转轴线(Zb)与所述交通工具(100)的偏转轴线重合。
20.如权利要求16所述的装置，其中，所述装置被配置为在所述交通工具(100)在弯曲的斜坡上行驶时检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)和所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)。
21.如权利要求16所述的装置，所述装置还包括计算机可读数据存储器，所述计算机可读数据存储器被配置为存储表示所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的第一参数和表示所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的第二参数。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述处理器被配置为使用表示所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的所述第一参数和表示所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的所述第二参数来估计所述交通工具(100)的所述角位置。
23.如权利要求16所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为通过确定所述第一旋转角速度(GX,GY)和所述第二旋转角速度(GZ)的比率的反正切来估计所述交通工具(100)的所述角位置。
24.如权利要求16所述的装置，其中，所述处理器被配置为根据以下等式估计所述交通工具(100)的俯仰角：
Figure FDA0002875921960000041
其中GX是所述第一旋转角速度，GZ是所述第二旋转角速度，并且θ是所述交通工具(100)的估计的俯仰角。
25.如权利要求17所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来估计所述交通工具(100)的高度的变化。
26.如权利要求17所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来估计所述交通工具(100)的三维位置。
27.如权利要求16所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为校准所述第一角速度传感器(102)和所述第二角速度传感器(104)与所述交通工具(100)的对准。
28.如权利要求27所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为当GNSS信号可用时周期性地校准所述对准。
29.如权利要求17所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来解析所述交通工具(100)的前进方向的变化率。
30.如权利要求29所述的装置，其中，所述处理器(106)被配置为仅当所述交通工具(100)的偏转率超过门限偏转率的值时，使用所述交通工具(100)的估计的俯仰角来解析所述前进方向的变化率。
31.一种确定交通工具(100)的角位置的方法，该方法包括以下步骤：
使用安装到所述交通工具(100)的第一角速度传感器(102)来检测所述交通工具(100)围绕第一旋转轴线(Xb,Yb)的第一旋转角速度(GX,GY)；
使用安装到所述交通工具(100)的第二角速度传感器(104)来检测所述交通工具(100)围绕第二旋转轴线(Zb)的第二旋转角速度(GZ)，所述第二旋转轴线(Zb)基本上正交于所述第一旋转轴线(Xb,Yb)；
使用所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)与所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)来估计所述交通工具(100)的所述角位置；以及
使用所述交通工具(100)的估计的角位置来估计所述交通工具(100)的位置的变化，
其中，当所述交通工具(100)经历围绕所述第二旋转轴线(Zb)的旋转的显著的变化率并且经历围绕所述第一旋转轴线(Xb,Yb)的旋转的可忽略的变化率时，同时执行检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)的步骤和检测所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)的步骤。
32.一种被配置为能够安装到交通工具(100)上用于确定所述交通工具(100)的角位置的装置，该装置包括：
第一角速度传感器(102)，其被配置为检测所述交通工具(100)围绕第一旋转轴线(Xb,Yb)的第一旋转角速度(GX,GY)；
第二角速度传感器(104)，其被配置为检测所述交通工具(100)围绕第二旋转轴线(Zb)的第二旋转角速度(GZ)，所述第二旋转轴线(Zb)基本上与所述第一旋转轴线(Xb,Yb)正交；以及
处理器，其被配置为使用所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)和所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)来估计所述交通工具(100)的所述角位置，并且所述处理器(106)被配置为使用所述交通工具(100)的估计的角位置来估计所述交通工具(100)的位置的变化，
其中，所述装置被配置为当所述交通工具(100)经历围绕所述第二旋转轴线(Zb)的旋转的显著的变化率并且经历围绕所述第一旋转轴线(Xb,Yb)的旋转的可忽略的变化率时，同时执行检测所述交通工具(100)的所述第一旋转角速度(GX,GY)和检测所述交通工具(100)的所述第二旋转角速度(GZ)。
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