CN110621961B - 低成本惯性导航系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种地下采矿车辆，该地下采矿车辆包括：三轴MEMS陀螺仪，其可绕旋转轴线旋转；以及陀螺仪接口，其计算：相对于与所述旋转轴不同的第一轴的第一旋转速率偏差；相对于与所述第一轴和所述旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差；通过使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据基于地球旋转速率矢量计算绕所述旋转轴的旋转速率；并且基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率计算相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差。导航单元接收所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差，并计算所述车辆的姿势。

Description

低成本惯性导航系统
相关申请的交叉引用
本申请要求澳大利亚临时申请2017901179和澳大利亚完整申请2017232241的优先权，这两者的内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及惯性导航系统和方法。
背景技术
导航是在移动车辆中进行的基本过程，并且广义上包括参考全球参考系确定车辆的当前位置和姿势，使得能够朝向目标位置或沿目标路径确定方向或路径。一些导航方法依赖于参考信息，例如恒星、地标或卫星(GNSS)。然而，在诸如地下采矿之类的某些应用中，这种参考信息并不总是可用的。因此，车辆的导航单元通常基于航位推测来导航。这涉及到确定车辆行驶的速度和方向，然后将相应的矢量添加到当前位置以预测新位置。
虽然能够相对准确地确定当前速度或加速度，但是通常难以确定北方向。加速度计足够准确，可以用来确定由于地球铅垂重力(或简称“重力矢量”)引起的加速度的局部矢量方向，该局部矢量方向是由于地球的重力和向心旋转引起的加速度的组合，并且等效于局部水平表面(或简称“局部水平面”)的表面法线。图1示出了地球100绕北轴101旋转，如箭头102所示。车辆103位于地球100上(不是按比例的)。图1示出了包括x轴106、y轴107和z轴108的车辆参考系105。假设车辆103是水平的，则z轴表示表面法线，这意味着车辆103姿势中唯一未知的是参考系105绕z轴的旋转。确定旋转或换句话说确定y轴107(或x轴106)的方向的过程被称为寻北。如果陀螺仪足够准确，可以检测到地球的旋转速率，那么陀螺仪可以用于寻北。基于地球的旋转速率的矢量(或简称为“旋转速率矢量”)以及局部测量的重力矢量，能够完全确定局部参考系105相对于地球参考系的取向。这允许将车辆转向到期望的方向(例如正北方或任何其他方向)。
Bojja等人在2016年6月8日的IEEE Sensors Journal(IEEE传感器期刊)中的“Compact North Finding System(紧凑型寻北系统)”公开了一种寻北系统，该寻北系统包括2轴MEMS加速度计和1轴光纤陀螺仪(FOG)速率传感器。FOG的优点在于它们具有良好的准确度，但它们的缺点是它们的光纤部件难以制造，这使得这些装置昂贵。
发明内容
本公开提供了一种使用三轴MEMS陀螺仪的寻北系统。该系统允许执行校正过程，该校正过程估计所有三个轴中的旋转速率偏差，并使用该旋转速率偏差来校正低成本MEMS陀螺仪中固有的不准确性。
MEMS代表微机电系统，通常是尺寸在20微米到1毫米之间的系统，并且包括电子部件和机械部件。在MEMS陀螺仪的情况下，存在机械部件(例如振动质量块)以及检测振动质量块的面外振动的电子部件。机械部件和电子部件通常被制造成一体的结构。例如，通过研磨或蚀刻在同一硅衬底上制造检重块(weight)，例如通过光刻在硅衬底上制造电子部件。
地下采矿车可以包括长壁采矿机(包括相关的轨道、顶棚支架、驱动器、输送机，平台装载机和破碎机)、连续采矿机、巷道掘进机、装载机、搬运机、人员运输工具、救援车、穿梭式矿车、灵活的装送列车、刨煤机或具有或不具有从矿井中移除材料的提取装置的任何其他机器设备。
地下采矿车辆包括：
三轴MEMS陀螺仪，其安装在旋转器上，所述旋转器构造成使所述三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴旋转成多个不同取向；
陀螺仪接口，其连接到所述三轴MEMS陀螺仪，并被构造成从所述三轴MEMS陀螺仪接收关于所述多个不同取向的旋转测量数据，并进一步被构造成：
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述旋转轴不同的第一轴的第一旋转速率偏差；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述第一轴和所述旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差；
通过使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据基于地球旋转速率矢量计算绕所述旋转轴的旋转速率；并且
基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差；以及
导航单元，其连接至所述陀螺仪接口的，并被构造成：
从所述陀螺仪接口接收所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；和
基于所述地球旋转速率矢量、所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差计算所述地下采矿车辆的姿势。
MEMS陀螺仪的结构有利于在半导体工艺中大规模制造这种陀螺仪，这使得它们比光纤陀螺仪(FOG)便宜得多。这允许MEMS更广泛的应用。此外，使用具有三个轴的陀螺仪，可以在运动期间连续地维持姿势。更具体地，三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴旋转以计算第一和第二旋转速率偏差。这些偏差可用于通过使用静态感测的地球旋转速率矢量的推断来计算绕旋转轴的偏差。与使用包括迭代数值优化方法的其他方法相比，这导致绕旋转轴的偏差的显著更精确的计算。这补偿了MEMS陀螺仪的较低精度，特别是，这解决了MEMS偏差重复性差的问题。此外，仅需要单个旋转轴，这减少了对常平架和其他复杂机械结构的需求。同时，精确地确定绕单个旋转轴的旋转速率偏差。
所述地下采矿车辆优选包括车辆控制器，所述车辆控制器连接至车辆并构造成：
停止所述车辆；
在所述车辆停止的同时校正惯性导航系统；
在所述车辆停止的同时使所述旋转器旋转所述三轴陀螺仪；
使所述陀螺仪接口计算出所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；并且
基于所计算的姿势恢复所述车辆的移动。
所述地下采矿车辆还优选包括通信地联接至所述导航单元的三轴加速度计，其中所述导航单元被构造成基于来自所述三轴加速度计的加速度数据来计算所述姿势。
所述导航单元优选是惯性导航单元，并且被构造成基于所述姿势确定所述地下采矿车辆的绝对位置。
所述陀螺仪接口优选地还被构造成通过计算绕所述旋转轴的旋转速率来计算所述第三旋转速率偏差，并且基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率以及所述地球旋转速率矢量来计算所述第三旋转速率偏差。
优选地，所述陀螺仪接口还被构造成通过使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据来计算所述旋转速率。
优选地，所述陀螺仪接口被构造成根据
Figure BDA0002217887090000041
计算绕第三旋转轴的旋转速率ωthird，其中ωEarth是地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的旋转速率和绕所述第二轴的旋转速率。
优选地，所述地下采矿车辆还包括滤波器，所述滤波器连接至所述陀螺仪接口并且被构造成连续跟踪所述第三旋转速率偏差。
优选地，所述地下采矿车辆还包括另外的三轴MEMS陀螺仪，其相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装，其中所述导航单元连接至所述另外的三轴MEMS陀螺仪，并且被构造成从所述另外的三轴MEMS陀螺仪接收另外的旋转测量数据，并且基于所述另外的旋转测量数据计算所述地下采矿车辆的所述姿势。
具有以“连续积分模式”运行并且特别是当车辆静止不动时借助旋转设置校正的第二固定的三轴陀螺仪是有利的。
优选地，所述陀螺仪接口被构造成根据
Figure BDA0002217887090000042
计算绕第三旋转轴的旋转速率ωthird，其中ωEarth是地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的旋转速率和绕所述第二轴的旋转速率；
所述地下采矿车辆还包括通信地联接至所述导航单元的三轴加速度计，所述导航单元被构造成基于来自所述三轴加速度计的加速度数据来计算所述姿势；并且
所述地下采矿车辆还包括另外的三轴MEMS陀螺仪，所述另外的三轴MEMS陀螺仪相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装，并且所述导航单元连接至所述另外的三轴MEMS陀螺仪并且被构造成从所述另外的三轴MEMS陀螺仪接收另外的旋转测量数据，并且基于所述另外的旋转测量数据计算所述地下采矿车辆的所述姿势。
一种用于计算地下采矿车辆的姿势的方法，所述方法包括：
使三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴旋转成多个不同取向；
从所述三轴MEMS陀螺仪接收关于所述多个不同取向的旋转测量数据；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述旋转轴不同的第一轴的第一旋转速率偏差；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述第一轴和所述旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差；
通过使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据基于所述地球旋转速率矢量计算绕所述旋转轴的旋转速率；
基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差；
基于所述地球旋转速率矢量、所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差以及所述第三旋转速率偏差计算所述地下采矿车辆的姿势。
优选地，所述方法还包括：
停止所述车辆；
在所述车辆停止的同时校正惯性导航系统；
在所述车辆停止的同时旋转所述三轴陀螺仪；
计算出所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；并且
基于所计算的姿势恢复所述车辆的移动。
优选地，停止所述车辆包括在恢复所述车辆的移动之前使所述车辆停止10秒以上且300秒以下。
优选地，恢复所述车辆的移动包括恢复大于或等于零米且小于100米的移动。
优选地，所述方法还包括基于来自三轴加速度计的加速度数据计算与航向无关的姿势分量。
优选地，所述方法还包括基于所述姿势确定所述地下采矿车辆的绝对位置。
优选地，所述方法还包括通过计算绕所述旋转轴的旋转速率来计算所述第三旋转速率偏差，并且基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率以及所述地球旋转速率矢量来计算所述第三偏差。
优选地，计算所述旋转速率包括使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差来校正所述旋转测量数据。
优选地，计算绕所述第三旋转轴的旋转速率ωthird包括计算
Figure BDA0002217887090000061
其中ωEarth是所述地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的旋转速率和绕所述第二轴的旋转速率。
优选地，所述方法还包括连续跟踪所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差。
通过旋转三轴MEMS陀螺仪，基于地球旋转速率矢量计算三轴速率偏差并基于地球旋转速率矢量和三轴旋转速率偏差计算车辆的姿势，提供了用于车辆导航的三轴MEMS陀螺仪的使用。
在适当的情况下，对车辆或方法的任何方面描述的可选特征类似地适用于此处描述的其他方面。
附图说明
图1示出了根据现有技术的车辆在地球上的局部参考系。
将参考以下附图描述实施例：
图2a示意性地示出了地下矿井。
图2b示出了偏航、俯仰和滚转的主要测量。
图3a、图3b、图3c和图3d示出了旋转标记(maytag)原理。
图4a、图4b、图4c和图4d示出了旋转标记地球旋转轴奇点。
图5示出了地下采矿车辆。
图6示出了三轴MEMS陀螺仪。
图7示出了用于计算地下采矿车辆的姿势的方法。
具体实施方式
寻北(或者更专业地说“陀螺平台指北”)是一种足够灵敏和准确的陀螺仪的能够检测相对于旋转的地球100固定的任何观察系105中存在的地球旋转速率的能力。此外，该量通常表示为矢量，其包含作为矢量大小的旋转速率大小、作为矢量方向的旋转轴101以及使用右手定则定义关于矢量的旋转方向的旋转方向102。地球旋转速率轴101和方向从表面上看相对于地球表面固定，使得在北极观测到的矢量从局部水平面直接指向上，在南极观测到的矢量从局部水平面直接指向下，并且与赤道处的局部水平面平行(如图1中所示)。因此，对于该矢量的局部观测，该方向能用于“寻北”，因此能用于陀螺平台指北的功能。
该矢量的大小代表地球的旋转速率，为每秒7.292x 10-5弧度，或每小时约15.04度。这不是正如一天24小时所预期的那样每小时15度，其原因是为了适应地球绕太阳的轨道；每小时15.00度测量太阳时，而每小时15.04度的速率是由惯性测量系统观测到的恒星速率。
然而，用于陀螺平台指北的陀螺仪的灵敏度应该明显优于该速率，以便能够分解地球旋转速率矢量的分量。在赤道上，所有这些观测到的速率都存在于局部水平面水平分量中，因此代表了可达到的最大灵敏度。这随着纬度的增加而下降(作为纬度的余割)，直到接近极点时矢量在水平平面上的分量非常小。如果车辆参考系105的取向不是水平的并且能够接近任一极端(平行或垂直于地球旋转速率矢量)，则陀螺仪的寻北灵敏度可能发生高极大变化。
图2a示意性地示出了地下矿井200。地下矿井200包括井道201和进入坡道202以及图1中的采矿车辆103。如能够在图中看到的，当地下采矿车辆103行驶穿过进入坡道202时，采矿车辆的姿势改变。在一些实施例中，进入坡道202具有螺旋形状，这意味着地下采矿车辆103的姿势显著改变。
图2b示出了地下采矿车辆103的示例性姿势。在该实施例中，姿势由惯性测量系统(INS)常规报告的标准欧拉角描述以描述INS的取向。分别依次关于坐标系轴'x'、'y'、'z'定义欧拉角俯仰251、滚转252和偏航253。该顺序代表一个选定的约定，并唯一地定义INS相对于局部水平面和地理北方的取向。然而，在其他实施例中，同样可以使用不同的标签和约定选择。
寻北灵敏度
回到灵敏度的问题，使用陀螺平台指北对于给定纬度的北方向的精度是陀螺仪部件在感测平面中的灵敏度的函数。
近似值提供了作为陀螺仪部件噪声的函数的象限角的预期精度：
Figure BDA0002217887090000071
其中δ是陀螺仪速率不确定度，以度/小时为单位，θ是可预期的角度指向精度。请注意，当陀螺仪速率不确定度等于地球旋转速率时，精度等级为±45度，这意味着测量无法确定罗盘象限内的方向。为了达到1度等级的精度，通过该估计，陀螺仪速率不确定度需要优于大约0.2度/小时。
MEMS惯性测量单元技术参数
关于寻北应用，惯性测量单元(IMU)技术参数的最相关方面是陀螺仪技术参数。局部测量的重力矢量的强度通常很大(9.8m/s2，也称为1g)，这样即使等级为10毫-g(98mm/s2)的加速计不确定度也代表等级为0.5度的精度(对于水平面的确定来说)。相比之下，具有等级为每小时±20度的不确定度的MEMS陀螺仪能够提供不超过±50度的指向精度，这对于寻北应用来说是不够的。
在这一点上，有必要对加速度计和陀螺仪两者中的各种不确定度进行一些澄清。两个关键技术参数是偏差不稳定性和偏差重复性。加速度计和陀螺仪两者上的偏差是主要的不确定度，它们用于以可能不可预测的方式向测量信号添加正或负信号，其方式可能是不可预测的。可以以某种方式补偿偏差，以便重新得到使得能够将方向确定至所需精度的信号。偏差不稳定性指的是当去除所有其他影响(例如漂移和白噪声)时偏差的最终稳定性。这表示偏差的稳定程度以及预期变化的速度。在其他受控制的环境中(例如温度稳定的环境)，可以预期具有0.05度/小时的偏差不稳定性的陀螺仪不会比该速率更快地改变。然而，偏差重复性描述偏差在众多控制因素(例如开启重复性、预热、温度和老化)下的重复性。偏差不稳定性在没有这些因素的情况下可以限制偏差的变化，但是在其他情况下这通常被重复性因素淹没，因此代表功能限制。对于具有不超过每小时20度的偏差重复性的MEMS陀螺仪，除非通过测量或控制补偿重复性，否则小的偏差不稳定性可能无法确保指向精度。作为参考，具有非常小的光纤环面积的低级FOG表现出等级为每小时2度的偏差重复性。
如上所述，为了实现FOG级指向性能，应该以某种方式补偿较差的偏差重复性技术参数。通常会考虑两种选择：(1)温度控制；和(2)旋转标记(maytagging)，也称为转位(indexing)。
温度控制
由于MEMS的性质，这些系统(整个单元以及单元内)根据温度梯度对温度变化非常敏感。因此，作为正常操作的一部分，在MEMS IMU中进行温度控制。此控制之后的残差是制造商技术参数中通常报告的，因此任何进一步的外部补偿都需要根据基本技术参数进行显著改进。
如果系统持续保持恒定温度，则从MEMS初始上电开始的任何变化最终将平衡并保持恒定在基本稳定性极限内(在偏差的情况下，偏置不稳定性)。除非在该恒定温度状态下独立地测量偏差，否则即使该值也可以以偏差不稳定的速率漂移，使得在足够的时间内，它可以增长到由重复性指定的极限。
此外，这仅代表在偏差的温度控制中要解决的一个问题。实际上，在真实环境中维持MEMS中的温度和温度梯度的恒定性可能是非常成问题的。可以使用加热和冷却MEMS的机构，或者另选地在一个极端进行控制，在该极端可以保证对环境的热增益/损失，从而分别仅允许使用冷却/加热。这增加了仪器的体积和其他因素，以确保温度控制能够正确操作。
通常，也会重启该单元，从而存在预热瞬态。即使每次都达到相同的温度，开启偏差重复性还会导致未知的偏差。总体上而言，这些问题使得通过这种方法对偏差进行补偿具有挑战性。因此，第二种选择旋转标记(maytagging)可能是优选的。
(旋转标记)
该过程指的是绕所选择的轴将系统物理地旋转精确已知的量，在存在已知的旋转速率信号(通常是地球旋转速率)的情况下，所述轴是旋转标记轴。这也被称为“转位”，其中不同的旋转取向表示不同且精确已知的转位位置。通常，有两个位置代表精确的180度旋转。该过程具有这样的效果：垂直于旋转标记轴的轴中存在的任何信号将被符号反转。采矿车辆103可以保持静止以进行旋转标记旋转标记过程。
在一个实施例中，这里的第一轴、第二轴和第三(旋转)轴彼此垂直并且相对于车辆103固定或者相对于车辆103处于已知的取向，例如第一轴平行于车辆103的向前方向；第一轴平行于车辆103的侧向方向以及旋转轴平行于车辆的竖直轴。然而，其他取向可能是合适的，并且三个轴可以不是精确垂直的而是线性独立的。类似地，例如在第一和第二轴的方向上可以以180度增量或90度增量绕旋转轴旋转，或可以以任何其他步长旋转，只要其导致线性独立测量即可。
图3a、图3b、图3c和图3d示出了旋转标记原理。在位置3a至3d中，旋转标记轴是竖直虚线301，感测轴是水平虚线箭头302，测量信号是黑色箭头，并且偏差是粗箭头。在3a和3b中，不存在偏差，因此当感测轴302绕旋转标记轴301旋转180度时，将看到沿该轴的水平信号改变符号，但保持相同的大小。请注意，竖直信号保持不变，因为此方向没有变化。在3c和3d中测得的相同信号具有随轴移动的偏差。感测轴改变方向，偏差随此轴移动。再次注意，关于旋转标记轴的信号和偏差不会改变。因此，在一个位置，在感测轴上看到较大的信号，而在另一个位置看到较小的信号。因此，可以从每个位置中的两个信号之间的差异明确地推断出偏差。然而，旋转标记轴上的偏差仍然未知，因为其没变化。还要注意，尽管寻北通常是测量地球旋转速率的目标，但作为寻北过程的中间步骤，地球旋转速率本身被用作参考信号以使用旋转标记原理揭示系统中存在的偏差。
因此，在3D系统中，单个旋转标记轴可用于推断另外两个垂直轴上的偏差。例如，绕x轴的旋转标记能用于解决y轴和z轴上的偏差，其中x轴上的偏差保持未知。在需要全导航解决方案的应用中，这可能是不够的，因为希望准确地知道关于所有三个轴的信号以便产生解决方案。在寻北应用的背景下，仅使用三个轴中的两个就足以确定北方向。然而，使用这种方法存在病态情况。
旋转标记病态情况-地轴对准奇点
图4a、图4b、图4c和图4d示出了旋转标记地球旋转轴奇点。考虑这样的情况，其中仪器旋转标记轴对于给定位置可以沿着地球旋转速率矢量对准或不对准。在图4a至图4d中，感测的地球旋转速率矢量以细实线401示出，旋转标记轴是呈粗线402的z轴，并且x和y轴分别是虚线403和404。为了说明3D依赖性，用“仰视图”(4a和4b)和“侧视图”(4c和4d)示出了图4a至4d，其中仰视图是从x-y平面下方沿正z轴方向观察的，并且而侧视图是沿负x轴朝z-y平面看而观察的。如果如在4a和4c给出的两个视图中所示的所有轴上都存在信号，那么x-y平面中的地球旋转速率矢量分量允许容易地测量到北方的角度(如先前在图2中所描述的)。当旋转标记轴与地球旋转速率矢量不对准时将发生这种情况。然而，当旋转标记轴接近对准该矢量时，情况类似于4b和4d给出的视图，其中x-y平面中几乎没有信号。因此北方对准很难确定，因为由于该平面中的信号很小并且与陀螺噪声水平相当而使它变得非常嘈杂。如果可以使用z轴信号，这将不是问题，因为在其他z-x和z-y平面中形成的角度可以为北方进行参考。然而，关于z轴的旋转标记仅提供获知x-y平面中的信号，并且z轴上的未知偏差可以完全遮蔽真实信号并因此完全遮蔽北方向。
这种情况代表了单旋转轴旋转标记的病态情况。当系统将旋转标记轴与地球旋转速率矢量对准时，精度降低到无法确定方向的程度。这可以在任何纬度发生。例如，如果在赤道操作，则地球旋转速率矢量是水平的并且指向北方。具有接近对准此方向的旋转标记轴方向的任何系统都无法清楚地解析北方。类似地，在某个中间纬度，地球旋转速率矢量将指向北方但是由于当前纬度而向局部水平面倾斜。具有与此方向对准的旋转标记轴的任何系统都将阻止精确获得方位。
可就此问题作出最后评论。随着接近对准地球旋转轴，方位解决方案的质量降低。这实际上提供了这样的信息：车辆的对准因此必须接近北方。虽然如此，但问题仍然存在于接近对准北方的精确度。这不是直接可解决的。
完全竖直的病态情况
当车辆完全水平时，会出现另一种情况。然而，这与单旋转轴旋转标记旋转标记的缺点没有任何关系；这是一个存在于所有INS中的问题，并且仅仅与定义关于局部垂线的方位中固有的奇点有关。使用IMU加速度计测量仪器的水平，IMU加速度计在仪器中没有其他运动力或误差源的情况下明确地确定局部测量的重力矢量的方向。当系统非常接近垂线时，出现了图4中所示的相同问题，在这种情况下，局部测量的重力矢量信号与竖直加速度计轴对准。然而，在这里，由仪器确定的北方向不会变得不确定，而是对倾斜非常敏感。所报告的方位可以根据倾斜方向绕竖直方向摆动，由于水平面中重力矢量的小分量，倾斜方向可以显著改变方向。在很大程度上，这可以通过谨慎地选择方位的定义来简单地规避。
地下采矿车辆
图5示出了地下采矿车辆500，其包括安装在旋转器502上的三轴MEMS陀螺仪501。旋转器502被构造成将三轴MEMS陀螺仪501绕旋转轴503旋转成多个不同的旋转取向，由箭头504指示旋转取向。采矿车辆500还包括连接至三轴MEMS陀螺仪501的陀螺仪接口505。陀螺仪接口505被构造成从三轴MEMS陀螺仪501接收关于多个不同旋转取向的旋转测量数据。旋转测量数据可以包括由陀螺仪测量的旋转速率(包括相应的偏差)。例如，旋转测量数据可以包括绕三轴陀螺仪501的三个轴的当前测量的旋转速率，并且可以是每个采样时间的数据三元组(w1，w2，w3)。注意，旋转测量数据也可以由陀螺仪510预处理，例如进行平滑处理。在这个意义上，接收关于不同旋转取向的旋转测量数据意味着接收关于第一取向(例如0度)的第一数据三元组，以第二取向(例如90度)接收第二数据三元组等等。陀螺仪接口505还被构造成基于旋转测量数据计算三轴MEMS陀螺仪501关于不同于旋转轴503的第一轴的第一旋转速率偏差。陀螺仪接口505还被构造成基于旋转测量数据计算三轴MEMS陀螺仪501关于不同于第一轴并且不同于旋转轴503的第二轴的第二旋转速率偏差，并且基于第一旋转速率偏差、第二旋转速率偏差以及地球旋转速率矢量计算三轴MEMS陀螺仪501关于旋转轴的第三旋转速率偏差。
MEMS陀螺仪的一个实施例是来自SBG Systems的Apogee-A，其报告的偏差运行不稳定性<0.08度/小时。
采矿车辆500还包括连接至陀螺仪接口505的导航单元506。导航单元506被构造成接收由陀螺仪接口505计算的第一旋转速率偏差、第二旋转速率偏差和第三旋转速率偏差。导航单元506还被构造成基于地球旋转速率矢量、第一旋转速率偏差、第二旋转速率偏差和第三旋转速率偏差来计算地下采矿车辆500的姿势。
当使用术语“构造”时，这可以指用于构造系统的各种不同方式。例如，旋转器502可以是微处理器、FPGA、ASIC或被编程为旋转陀螺仪的其他可构造装置，或者可以是底盘和马达，底盘和马达在没有进一步输入的情况下自动旋转陀螺仪。类似地，陀螺仪接口和导航单元506可以是被编程为执行所描述的功能的处理器，或者可以是ASIC、FPGA或被构造成执行那些功能的其他可构造装置。还应注意，旋转器502、陀螺仪接口505和导航单元506可以横跨一个或多个硬件装置实施。特别地，旋转器502、陀螺仪接口505和导航单元506可以使用单独的或重叠的编程代码、过程或线程来在同一微处理器上实现以表示这些单元。
MEMS陀螺仪501、旋转器502、陀螺仪接口505和导航单元506一起形成导航系统507，该导航系统507可以集成到单个装置中并且用在采矿车辆和土木工程车辆以及具有或不具有访问GPS信号的其他应用上。
MEMS陀螺仪
继上面引入MEMS陀螺仪之后，图6更详细地示出了三轴MEMS陀螺仪501。陀螺仪501包括保持处理电子器件的中央部分和四个检重块(proof weight)602、603、604和605。检重块602、603、604和605如箭头所示在图面中振动。当车辆500转弯并且陀螺仪旋转时，在陀螺仪501自身旋转的同时，检重块602、603、604和605倾向于维持它们的振动平面。结果，检重块602、603、604和605从平面振动出来，这可以由电容器(未示出)检测。该电容测量表示旋转速率，其可以以度/秒、弧度/秒或赫兹为单位来测量。
在一些实施例中，本文中引用的MEMS传感器可以是单轴系统，每个单轴系统单独安装在具有支撑电子器件的电子电路板上。三个单独的电路板安装在公共底盘上，使得任何电路板感测轴与另外两个电路板板感测轴正交。这形成了单轴传感器的3轴集群。单轴MEMS传感器通常比三轴MEMS传感器具有更高的性能，并且可以接近FOG的相似的偏差不稳定性能。
通常，几乎每个陀螺仪都具有偏差，这是所报告的旋转速率中的附加误差。对于不同的轴，该偏差可以是不同的，并且可以随时间改变(例如当陀螺仪改变温度时)或随着寿命而变化。
限制MEMS陀螺仪性能的主要因素之一是陀螺仪偏差不稳定性，它指的是当去除所有其他影响(如漂移和白噪声)时偏差的最终稳定性。这表示偏差的稳定程度，以及预期变化的速度。在其他方面受控制的环境中，可以预期具有0.05度/小时的偏差不稳定性的陀螺仪不会比该速率更快地改变。为了比较，中级到高级FOG的偏差不稳定性可以是每小时0.01度，而中级MEMS传感器可以是每小时0.2度或更高。
另一个限制因素是偏差重复性，偏差重复性描述偏差在众多控制因素(例如开启重复性、预热、温度和老化)下的重复性。偏差不稳定性可以在没有这些因素的情况下限制偏差的变化，但是在其它情况下这通常被重复性因素淹没，因此代表功能限制。对于具有不超过每小时20度的偏差重复性的MEMS，除非通过测量或控制补偿重复性，否则微小的偏差不稳定性可能无法确保指向精度。作为参考，具有非常小的光纤环面积的低级FOG表现出等级为每小时2度的偏差重复性，并且中级到高级的FOG表现出每小时0.01度的偏差重复性。
确定第三轴偏差
为了解决偏差问题，陀螺仪501可以借助旋转器502绕旋转轴503旋转。如上所述，绕旋转轴503的多个旋转取向允许相对于彼此垂直的第一轴和第二轴并相对于平行于图3中的z轴的旋转轴503确定偏差。本文中提供的实施例将x轴称为“第一轴”，将y轴称为“第二轴”，并将z轴称为”第三轴”。然而，应注意，这三个轴可以改变次序或重新排列。
可以围绕旋转轴线503在零度旋转取向(或转位位置)处检测到恒定的旋转速率(例如当采矿车辆500停止时地球的旋转速率)，然后再次围绕旋转轴503在180度旋转取向(或转位位置)处检测到恒定的旋转速率。对于这两个旋转取向，测得的第一轴上的两个旋转速率之间的差异是第一轴的偏差。类似地，对于两个旋转取向，测得的第二轴上的两个旋转速率之间的差异是第二轴的偏差。更具体地，给出了当垂直于北方向205定义时第一轴的测量值：
ω(0)＝ωh cosα+b，
ω(180)＝-ωh cosα+b，
其中，ωh是给定纬度处的地球旋转速率，α是第一轴相对于北方的方位角(航向)，b是陀螺仪偏差(零偏移)。对两个项求和导致偏差为ω(0)+ω(180)＝2b。虽然该过程可以提供两个轴中的偏差，但是难以确定第三轴中的偏差。
值得注意的是，一般来说，地球旋转速率ωe可以用矢量分量的大小来写为
Figure BDA0002217887090000141
其中ωx、ωy、ωz分别是沿陀螺仪x、y和z轴测量的地球旋转速率矢量的矢量分量。因此，绕旋转轴(本例中为z轴)的旋转速率可写为：
Figure BDA0002217887090000142
这同样可以适用于偏差，这意味着使用上述ωz的等式可以基于分别绕x和y轴的偏差以及地球旋转速率计算绕旋转轴的旋转速率偏差。在一个实施例中，上述等式中的ωx和ωy表示在去除计算的偏差之后的校正的旋转测量数据。然后可以从测量的绕旋转轴的旋转速率中减去计算的绕旋转轴的旋转速率ωz，以计算绕旋转轴的旋转速率偏差。
然后，导航单元506可以接收旋转速率偏差并通过从速率测量值中减去所述偏差来计算车辆500的姿势，并使用校正的速率测量值计算姿势。这可以涉及读取加速度传感器以确定局部测量的重力矢量，即，与俯仰(251)和滚动(252)相关而与偏航(253)无关的姿势分量。然后，导航单元506可以计算在数学上体现完整的3分量姿势取向的方向余弦矩阵(DCM)。
该技术允许使用较低成本的传感器来充分地在面对准方面控制采矿车辆(例如长壁采矿机)或控制其他车辆的自主导航。在这种模式下，车辆使用“航位推测”(DeadReckoned)解决方案，该解决方案通过采用取向和行进距离的多个线性子样本来逼近真实路径。例如，以0.5m的增量投射当前航向将导致轮廓与所采用的真实路径基本相同。
对于低精度IMU/INS，所计算的航向在采矿车辆操作期间显著漂移，并且可能在采矿车辆的任何动力循环(重启)或长期静止不动期间显著改变。本公开引入了许多方法来校正这些航向变化，从而改进航位推测解决方案。
偏差估计和跟踪
使用上面解释的旋转标记旋转标记可以校正三个轴中的两个轴上的偏差误差。这使传感器的精度提高了一个数量级或更多数量级。这两个测量可以提供足够的信息来在理想位置下进行方位角计算，但是存在多种例外情况。第三(旋转标记)轴的偏差估计和跟踪使标准惯性导航方程能够用于通常噪声太大而无法执行此类计算的传感器上。
重新校正
在静止不动期间，车辆可以更精确地计算各个传感器上的偏差，从而计算出更精确的航向估计。在停止运动之后的时段，车辆可以将计算的精确航向与静止不动之前的航向进行比较。如果存在差异，则车辆可以将差值回传到此点生成的轮廓。
不连续的节段
在断电或长时间静止不动之后，计算的航向可能与在运动结束时确定的航向显著不同。在这种情况下，车辆可以将差值的恒定偏移应用于前一运动周期或当前运动节段。将使用捕捉过程(snapping process)校正绝对轮廓。
零速度更新
应注意，所公开的寻北解决方案可与其他技术(例如零速度更新)组合以增加惯性导航的精确性。为此，地下采矿车辆500还包括车辆控制器，该车辆控制器可以与本文中描述的其他部件整合。车辆控制器被构造成使车辆停止并基于获知车辆速度为零而在车辆停止的同时校正惯性导航系统。车辆控制器还使得旋转器在车辆停止时旋转三轴陀螺仪，并使陀螺仪接口505计算第一、第二和第三旋转速率偏差。最后，车辆控制器基于从零速度更新和计算的旋转速率偏差获得的校正来恢复车辆的移动。
偏差跟踪滤波器
还应注意，车辆500还可以包括滤波器，该滤波器连接至陀螺仪接口505并被构造成连续跟踪第三旋转速率偏差。滤波器可以将第三偏差的当前值与先前值进行比较，以确保没有突然跳跃。特别地，当经过病态姿势时，跟踪滤波器可确保偏差在姿势处于病态情况下的同时保持在合理的范围带内。在一个实施例中，跟踪滤波器禁用偏差计算并且推断偏差直到车辆退出病态姿势角度为止。
解决含糊之处
在某些情况下，可能存在由于非常平架z轴(第三轴)上的偏差的推断而产生的模糊性。更具体地说，非常平架z轴(第三轴)上的偏差的推断是基于
Figure BDA0002217887090000151
Figure BDA0002217887090000161
求解的。这可以提供方程的两个根，因此提供两个候选解，这代表模糊性。
陀螺仪接口505可以例如在校准过程期间从测量的z轴(第三轴)去除z轴(第三轴)偏差的初始估计。然后，陀螺仪接口505选择最接近该估计的候选解作为正确解，从而提供最大精度，因为该解是根据如上所述测量的精确xy轴(第一和第二轴)偏差确定的。
此外，利用z轴(第三轴)偏差的这种初始精确测量，陀螺仪接口505此后可以通过本文所述的足够规则的姿势估计来跟踪值的变化。
第二MEMS陀螺仪
在一个实施例中，采矿机500包括第二三轴MEMS陀螺仪，该第二三轴MEMS陀螺仪相对于车辆500以固定位置和姿势安装。在这种情况下，导航单元506连接至第二三轴MEMS陀螺仪并且被构造成从第二三轴MEMS陀螺仪接收第二旋转测量数据。然后，导航单元506可以基于第二旋转测量数据计算地下采矿车辆的姿势。这使得能够在第一和第二三轴MEMS陀螺仪之间划分功能，即，第一三轴MEMS陀螺仪产生涉及如前所述的使用旋转标记旋转标记的偏差估计，并且第二三轴MEMS陀螺仪允许连续监测采矿机500的运动，并且通过来自第一三轴MEMS陀螺仪的偏差估计来补偿误差。来自第一三轴MEMS陀螺仪的偏差估计发生在采矿机500静止时的适当时间，然而不用为了避免破坏偏差估计而将采矿机500约束成静止不动，因为第二三轴MEMS陀螺仪提供连续的姿势跟踪。这些划分的角色可以互换。附加数据还引入了可用于最小化误差的冗余。
计算姿势的方法
图7示出了用于计算地下采矿车辆500的姿势的方法700。该方法可以由多个单元协同执行，使得每个单元执行该方法的某些步骤。在其他实施例中，该方法由单个控制器执行，例如由被编程为执行方法700的微处理器执行。
方法700通过将三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴旋转701到多个不同的取向而开始。同样，这可以通过微处理器向旋转器发送信号(例如激励步进马达的信号)来执行。然后，处理器从三轴MEMS陀螺仪接收702关于多个不同的取向的旋转测量数据。这允许处理器基于旋转测量数据计算703三轴MEMS陀螺仪相对于与旋转轴不同的第一轴的第一旋转速率偏差，并基于旋转测量数据计算704三轴MEMS陀螺仪相对于与第一轴和旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差。
进一步地，处理器现在可以使用计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差来校正旋转测量数据。使用校正数据，处理器计算705绕旋转轴的旋转速率。重要的是，处理器然后基于如上所述的第一旋转速率偏差、第二旋转速率偏差率和地球旋转速率矢量计算706三轴MEMS陀螺仪相对于旋转轴的第三旋转速率偏差。最后，处理器基于地球旋转速率矢量、第一旋转速率偏差、第二旋转速率偏差和第三旋转速率偏差来计算707地下采矿车辆的姿势。
如上所述，处理器可以通过如下操作来执行零速度更新：停止车辆；在车辆停止时校正惯性导航系统；在车辆停止的同时旋转三轴陀螺仪；计算第一、第二和第三旋转速率偏差；并根据计算出的姿势恢复车辆的移动。在一个实施例中，停止车辆包括在恢复车辆的移动之前使车辆停止10秒以上且300秒以下。在另一实施例中，停止车辆包括在恢复车辆的移动之前使车辆停止50秒以上且200秒以下。在又一实施例中，停止车辆包括在恢复车辆的移动之前使车辆停止100秒以上且170秒以下。此外，恢复车辆的移动可以包括例如恢复大于或等于零米且小于100米的移动。在另一实施例中，恢复车辆的移动包括恢复小于500米的移动。在另一示例中，恢复车辆的移动包括恢复小于50米的移动。在又一实施例中，恢复车辆的移动包括恢复小于200米的移动。在再一实施例中，恢复车辆的移动包括恢复小于30米的移动。
车辆控制
一旦车辆的姿势可用，车辆控制器就调整转向角以将车辆500引导到地下矿井内的期望位置。此外，基于先前对固定参考点的校准，地下采矿车辆500可以使用惯性导航单元基于姿势确定地下采矿车辆的绝对位置。也就是说，导航单元将由当前速度标定的姿势矢量添加到当前位置。采矿车辆500还可以将当前位置、姿势和速度发送至地上控制室，在控制室中该数据可以显示给远程操作员。
注意，本文中公开的导航系统和方法可以用于地下机械和地下采矿设备的导航。这可以包括采矿、土木施工等领域的采矿车辆、穿梭式矿车、连续采矿机、钻机、钻机对准工具等。
本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的广泛的一般范围的情况下，可以对上述实施方式进行许多改变和/或修改。因此，本发明的实施方式在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (16)

1.一种地下采矿车辆，该地下采矿车辆包括：
三轴MEMS陀螺仪，所述三轴MEMS陀螺仪相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装并且安装在旋转器上，所述旋转器被构造成使所述三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴转位成多个不同取向；
陀螺仪接口，所述陀螺仪接口连接到所述三轴MEMS陀螺仪，所述陀螺仪接口被构造成从所述三轴MEMS陀螺仪接收关于所述多个不同取向的旋转测量数据，并进一步被构造成：
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述旋转轴基本正交的第一轴的第一旋转速率偏差；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述第一轴和所述旋转轴基本正交的第二轴的第二旋转速率偏差；
通过使用所述第一旋转速率偏差校正所述旋转测量数据来计算校正的第一旋转速率；
通过使用所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据来计算校正的第二旋转速率；
通过对对于所述地下采矿车辆的给定位置来说已知的地球旋转速率矢量、所述校正的第一旋转速率和所述校正的第二旋转速率进行算术运算来计算围绕所述旋转轴的预期旋转速率；
并且
基于所计算的绕所述旋转轴的所述预期旋转速率计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差；以及
导航单元，所述导航单元连接至所述陀螺仪接口，并被构造成：
从所述陀螺仪接口接收所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；和
基于所述地球旋转速率矢量、所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差计算所述地下采矿车辆的姿势。
2.根据权利要求1所述的地下采矿车辆，所述地下采矿车辆还包括车辆控制器，所述车辆控制器连接至车辆并被构造成：
停止所述车辆；
在所述车辆停止的同时校正惯性导航系统；
在所述车辆停止的同时使所述旋转器旋转所述三轴陀螺仪；
使所述陀螺仪接口计算出所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；并且
基于所计算的姿势恢复所述车辆的移动。
3.根据权利要求1或2所述的地下采矿车辆，所述地下采矿车辆还包括通信地联接至所述导航单元的三轴加速度计，其中所述导航单元被构造成基于来自所述三轴加速度计的加速度数据来计算所述姿势。
4.根据前述权利要求中任一项所述的地下采矿车辆，其中，所述导航单元是惯性导航单元，并且被构造成基于所述姿势确定所述地下采矿车辆的绝对位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的地下采矿车辆，其中，所述陀螺仪接口被构造成根据计算绕所述旋转轴的预期旋转速率ωthird，其中ωEarth是所述地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的所述校正的第一旋转速率和绕所述第二轴的所述校正的第二旋转速率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的地下采矿车辆，所述地下采矿车辆还包括滤波器，所述滤波器连接至所述陀螺仪接口并且被构造成连续跟踪所述第三旋转速率偏差。
7.根据前述权利要求中任一项所述的地下采矿车辆，所述地下采矿车辆还包括另外的三轴MEMS陀螺仪，所述另外的三轴MEMS陀螺仪相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装，
其中所述导航单元连接至所述另外的三轴MEMS陀螺仪，并且被构造成从所述另外的三轴MEMS陀螺仪接收另外的旋转测量数据，并且基于所述另外的旋转测量数据计算所述地下采矿车辆的所述姿势。
8.根据前述权利要求中任一项所述的地下采矿车辆，其中，
所述陀螺仪接口被构造成根据计算绕所述旋转轴的预期旋转速率ωthird，其中ωEarth是所述地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的所述校正的第一旋转速率和绕所述第二轴的所述校正的第二旋转速率；
所述地下采矿车辆还包括通信地联接至所述导航单元的三轴加速度计，并且所述导航单元被构造成基于来自所述三轴加速度计的加速度数据来计算所述姿势；并且
所述地下采矿车辆还包括另外的三轴MEMS陀螺仪，所述另外的三轴MEMS陀螺仪相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装，并且所述导航单元连接至所述另外的三轴MEMS陀螺仪并且被构造成从所述另外的三轴MEMS陀螺仪接收另外的旋转测量数据，并且基于所述另外的旋转测量数据计算所述地下采矿车辆的所述姿势。
9.一种用于计算地下采矿车辆的姿势的方法，所述方法包括：
使相对于所述地下采矿车辆以固定位置和姿势安装的三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴转位成多个不同取向；
从所述三轴MEMS陀螺仪接收关于所述多个不同取向的旋转测量数据；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述旋转轴基本正交的第一轴的第一旋转速率偏差；
基于所述旋转测量数据计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于与所述第一轴基本正交并且与所述旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差；
通过使用所述第一旋转速率偏差校正所述旋转测量数据来计算校正的第一旋转速率；
通过使用所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据来计算校正的第二旋转速率；
通过对对于所述地下采矿车辆的给定位置来说已知的地球旋转速率矢量、所述校正的第一旋转速率和所述校正的第二旋转速率进行算术运算来计算围绕所述旋转轴的预期旋转速率；
以及
基于所计算的绕所述旋转轴的所述预期旋转速率计算所述三轴MEMS陀螺仪相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差；以及
基于所述地球旋转速率矢量、所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差以及所述第三旋转速率偏差计算所述地下采矿车辆的姿势。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
停止所述车辆；
在所述车辆停止的同时校正惯性导航系统；
在所述车辆停止的同时旋转所述三轴陀螺仪；
计算出所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差；以及
基于所计算的姿势恢复所述车辆的移动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，停止所述车辆包括在恢复所述车辆的移动之前使所述车辆停止10秒以上且300秒以下。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，恢复所述车辆的移动包括恢复大于或等于零米且小于100米的移动。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括基于来自三轴加速度计的加速度数据计算与航向无关的姿势分量。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括基于所述姿势确定所述地下采矿车辆的绝对位置。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中，计算绕所述旋转轴的预期旋转速率ωthird包括计算其中ωEarth是所述地球旋转速率矢量的大小，ωfirst和ωsecond是分别通过所计算的第一旋转速率偏差和第二旋转速率偏差校正的绕所述第一轴的所述校正的第一旋转速率和绕所述第二轴的所述校正的第二旋转速率。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括连续跟踪所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差。
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