CN111060096B - 一种mems-imu模块组合里程计的数据处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS‑IMU模块组合里程计的数据处理方法及系统，涉及导航技术领域，该方法包括获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；获取MEMS‑IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS‑IMU模块位于同一车辆上；基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；基于获取的MEMS‑IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度。本发明能够有效保证里程计在组合导航系统中的使用效果。

Description

一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法及系统
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法及系统。
背景技术
组合导航系统是自动驾驶行业发展的基础，已被广泛使用。目前基于全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)的导航系统能够提高连续高精度的定位定姿结果，但由于INS系统器件误差会随时间发散，因此GNSS/INS导航中需要依赖高精度的GNSS定位结果来估计INS器件误差，但是在城市环境中，GNSS信号极易受到干扰或遮挡，导致组合导航结果因误差较大而无法满足自动驾驶需求，因此，通常会在组合导航系统里增加里程计，使用里程计观测信息结合非完整性约束辅助车载组合导航。
但当前里程计获取方式是通过两次采样间隔输出的脉冲计数值之差和里程计编码器本身的分辨率、车轮直径计算得来，该方法获取到的里程计速度存在严重的噪声，常规降低噪声的处理方式是累积一段时间计算平均速度，但这种方法导致计算出的速度存在延时且输出频率降低，降低里程计在实时组合导航系统中的使用效果。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法及系统，能够有效保证里程计在组合导航系统中的使用效果。
为达到以上目的，本发明提供的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，包括以下步骤：
获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；
获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上；
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；
基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；
根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度。
在上述技术方案的基础上，所述基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体步骤包括：
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure BDA0002342204340000021
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000031
其中，
Figure BDA0002342204340000032
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数。
在上述技术方案的基础上，所述基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000033
其中，
Figure BDA0002342204340000034
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
在上述技术方案的基础上，所述根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000035
其中，
Figure BDA0002342204340000036
表示当前时刻车辆的瞬时速度。
在上述技术方案的基础上，
所述MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；
所述加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；
所述MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
本发明提供的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，：
第一采集模块，其用于获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；
第二采集模块，其用于获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上；
平均速度计算模块，其用于基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；
速度变化量计算模块，其用于基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；
处理模块，其用于根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度。
在上述技术方案的基础上，所述基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体过程包括：
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure BDA0002342204340000041
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000042
其中，
Figure BDA0002342204340000043
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数。
在上述技术方案的基础上，所述基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000051
其中，
Figure BDA0002342204340000052
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
在上述技术方案的基础上，所述根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000053
其中，
Figure BDA0002342204340000054
表示当前时刻车辆的瞬时速度。
在上述技术方案的基础上，
所述MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；
所述加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；
所述MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过里程计和MEMS-IMU模块，先获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列，再获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到噪声小、延时低、采样频率高的车辆瞬时速度，同时有效保证里程计在组合导航系统中的使用效果。
附图说明
图1为本发明实施例中一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法的流程图；
具体实施方式
本发明实施例提供一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，通过里程计和MEMS-IMU模块，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到噪声小、延时低、采样频率高的车辆瞬时速度。本发明实施例相应地还提供了一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统。以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，包括以下步骤：
S1：获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；本发明实施例中，里程计采样时间间隔进行自定义设定。
S2：获取MEMS-IMU(Micro Electro Mechanical System-Inertial measurementunit，微机电系统-惯性测量单元)模块输出的前向加速度序列。里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上，其中，里程计编码器用于获取车轮旋转角度，且固定在车轮上。MEMS-IMU模块是一种由微传感器、微执行器和电路集成的惯性测量装置。当车辆开始行驶后，里程计进行采样，然后输出原始脉冲采样计数序列，MEMS-IMU模块开始采样，然后输出前向加速度序列，方便后续的使用。
本发明实施例中的坐标系定义如下：
对于载体坐标系，其x轴指前，y轴指右，z轴指下；对于IMU坐标系，其x轴指前，y轴指右，z轴指下；对于里程计坐标系，其x轴指前，y轴指右，z轴指下。
本发明实施例中，MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
S3：基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度。优选的，本发明实施例中的单位时间为1s。
本发明实施例中，基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体步骤包括：
S301：基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure BDA0002342204340000071
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
S302：基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000072
其中，
Figure BDA0002342204340000081
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数。
S4：基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量。
本发明实施例中，基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000082
其中，
Figure BDA0002342204340000083
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
S5：根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度。
本发明实施例中，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000084
其中，
Figure BDA0002342204340000085
表示当前时刻车辆的瞬时速度。
本发明实施例的MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，通过里程计和MEMS-IMU模块，先获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列，再获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到噪声小、延时低、采样频率高的车辆瞬时速度，同时有效保证里程计在组合导航系统中的使用效果。
本发明实施例提供的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，包括第一采集模块、第二采集模块、平均速度计算模块、速度变化量计算模块和处理模块。
第一采集模块用于获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；第二采集模块用于获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上；平均速度计算模块用于基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；速度变化量计算模块用于基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；处理模块用于根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度。MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
本发明实施例中，基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体过程包括：
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure BDA0002342204340000091
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000101
其中，
Figure BDA0002342204340000102
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数。
本发明实施例中，基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000103
其中，
Figure BDA0002342204340000104
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
本发明实施例中，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure BDA0002342204340000105
其中，
Figure BDA0002342204340000106
表示当前时刻车辆的瞬时速度。
本发明实施例的MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，通过里程计和MEMS-IMU模块，先获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列，再获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到噪声小、延时低、采样频率高的车辆瞬时速度，同时有效保证里程计在组合导航系统中的使用效果。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；
获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上；
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；
基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；
根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度；
其中，所述基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体步骤包括：
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure FDA0003164473140000011
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000021
其中，
Figure FDA0003164473140000022
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数；
其中，所述根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000023
其中，
Figure FDA0003164473140000024
表示当前时刻车辆的瞬时速度，
Figure FDA0003164473140000025
表示单位时间内速度的变化量。
2.如权利要求1所述的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，其特征在于，所述基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000026
其中，
Figure FDA0003164473140000027
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
3.如权利要求2所述的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理方法，其特征在于：
所述MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；
所述加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；
所述MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
4.一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，其特征在于：
第一采集模块，其用于获取里程计输出的原始脉冲采样计数序列；
第二采集模块，其用于获取MEMS-IMU模块输出的前向加速度序列，所述里程计和MEMS-IMU模块位于同一车辆上；
平均速度计算模块，其用于基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度；
速度变化量计算模块，其用于基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量；
处理模块，其用于根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度；
其中，所述基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到单位时间内的平均速度，具体过程包括：
基于获取的原始脉冲采样计数序列，并基于里程计分辨率和车轮尺寸，计算得到当前采样时间间隔内的速度，其中，当前采样时间间隔内的速度的计算公式为：
Figure FDA0003164473140000031
其中，Vodo表示当前采样时间间隔内的速度，Mcur表示当前采样时刻的脉冲计数值，Mpre表示前一采样时刻的脉冲计数值，Cwheel表示车轮周长，Podo表示里程计编码器分辨率，Δt表示两次采样时间间隔；
基于计算得到的当前采样时间间隔内的速度，计算得到单位时间内的平均速度，其中，计算得到单位时间内的平均速度，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000041
其中，
Figure FDA0003164473140000042
表示单位时间内的平均速度，Tk表示当前采样时刻，Tk-1表示前一采样时刻，nodo表示从Tk～Tk-1时间内里程计采样次数；
其中，所述根据计算出的单位时间内的平均速度，以及单位时间内速度的变化量，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，其中，计算得到当前时刻车辆的瞬时速度，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000043
其中，
Figure FDA0003164473140000044
表示当前时刻车辆的瞬时速度，
Figure FDA0003164473140000045
表示单位时间内速度的变化量。
5.如权利要求4所述的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，其特征在于，所述基于获取的MEMS-IMU模块的前向加速度序列，计算单位时间内速度的变化量，计算公式为：
Figure FDA0003164473140000046
其中，
Figure FDA0003164473140000047
表示单位时间内速度的变化量，ax表示MEMS-IMU模块测量得到的前向加速度。
6.如权利要求5所述的一种MEMS-IMU模块组合里程计的数据处理系统，其特征在于：
所述MEMS-IMU模块包括三个正交的安装的陀螺仪和三个正交安装的加速度计；
所述加速度计用于测量坐标系中三个方向的加速度；
所述MEMS-IMU模块的前向轴线，与安装了里程计的车轮的前行方向一致。
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