CN111121760A - 车载六轴imu轴向快速识别方法及其装置 - Google Patents

车载六轴imu轴向快速识别方法及其装置 Download PDF

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CN111121760A CN201811280419.1A CN201811280419A CN111121760A CN 111121760 A CN111121760 A CN 111121760A CN 201811280419 A CN201811280419 A CN 201811280419A CN 111121760 A CN111121760 A CN 111121760A
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Abstract

本申请涉及导航定位领域，公开了一种车载六轴IMU轴向快速识别方法及其装置。该车载六轴IMU轴向快速识别方法，包括以下步骤：通过IMU加速度计各轴的比力输出平均值得出IMU垂向轴的方向。直行时，对GNSS/里程计测量得到的车辆加速度和IMU加速度计非垂向轴的输出，通过相关性拟合确定IMU的纵向轴。转弯时，结合GNSS/里程计的速度值和IMU垂向轴的陀螺仪输出可得车辆侧向加速度，对车辆侧向加速度和IMU加速度计非垂向轴的输出，通过相关性拟合确定IMU的横向轴。不限制IMU的安装方式，通过车辆正常行驶过程中的传感器数据，快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。

Description

车载六轴IMU轴向快速识别方法及其装置
技术领域
本申请涉及导航定位领域，特别涉及一种车载六轴IMU轴向快速识别技术。
背景技术
车载导航定位系统(Vehicle Navigation System，VNS)伴随着汽车产业的发展而产生，如今已被广泛运用于无人驾驶、精准农业以及车载导航仪。捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，简称SINS)和全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，简称GNSS)的组合是导航领域应用最为广泛的组合。SINS直接与载体固联，不与外界发生任何光电联系，隐蔽性好，且能够不受外界干扰自主推算，其输出信息具有高频率和高实时性的优点，在航空、航天和航海等领域均得到广泛应用。但SINS需要导航初始(位置、速度、姿态)信息且导航误差随着时间累积而发散。GNSS长期精度高，误差不随时间发散(即有界)，其缺点是短期噪声大，数据率低，抗干扰性弱，且无姿态信息。GNSS/SINS组合导航系统，能够通过卡尔曼滤波等数据融合方式，有效地将GNSS信息和SINS信息融合起来，实现两者优势互补，充分发挥GNSS长期高精度性能和SINS短期高精度性能，提供连续、高精度和高可靠的导航信息。里程计(Odometer)是目前常用的车载导航辅助传感器，其提供的里程信息可作为组合导航系统一个重要的观测量。
在组合导航系统中，SINS中的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称IMU)一般由三轴的加速度计和三轴的陀螺仪组成。现有技术方案中，对IMU在车辆上的安装方向有要求，必须得满足IMU横向轴、纵向轴、垂向轴与载体侧向轴、前向轴、地向轴相一致，或者，需要IMU相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行。这样的要求，大大限制了IMU的安装方式，也对用户的安装空间提出了要求，并可能导致占用较大的安装空间，降低组合导航系统安装的简便性和易操作性。
因此，目前亟需一种车载六轴IMU轴向快速识别方法，不限制IMU的安装方式，并且能快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。
发明内容
本申请的目的在于提供一种车载六轴IMU轴向快速识别方法及其装置，不限制IMU的安装方式，通过车辆正常行驶过程中的传感器数据，快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种车载六轴IMU轴向快速识别方法，包括以下步骤：
计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致；
根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态，
当判断车辆直行时，计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向；
当判断车辆转弯时，计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
本发明的实施方式还公开了一种车载六轴IMU轴向快速识别装置，包括：
垂向轴确定模块，用于确定垂向轴，该垂向轴确定模块计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致；
判断模块，用于根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态；
纵向轴确定模块，用于确定垂向轴，当所述判断模块判断车辆直行时，该纵向轴确定模块计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向；
横向轴确定模块，用于确定横向轴，当所述判断模块判断车辆转弯时，该横向轴确定模块计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
利用不同机动情况下的IMU(加速度计和陀螺仪)的输出，以及辅助观测量GNSS或里程计的信息确定出IMU的轴向和载体(如车辆)的轴向之间的关系，不限制IMU的安装方式，通过车辆正常行驶过程中的传感器数据，快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。
该车载六轴IMU轴向快速识别方法，可工作于有GNSS和/或里程计观测量的情况下，也可工作于无GNSS和无里程计观测量的情况下。
该车载六轴IMU轴向快速识别方法，只需满足三轴加速度计和三轴陀螺仪轴向一致，无需预知IMU的三轴加速度计和三轴陀螺仪的轴向法则，即是否满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系。
若IMU的垂向轴和纵向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可直接确定IMU的横向轴。
若IMU的垂向轴和横向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可直接确定IMU的纵向轴。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第一实施方式的一种车载六轴IMU轴向快速识别方法的流程示意图；
图2是根据本申请第一实施方式的一种IMU坐标系和车辆坐标系的示意图；
图3是根据本申请第一实施方式的一个优选实施例的整体原理图；
图4是根据本申请第一实施方式的一个优选实施例的流程示意图；
图5是根据本申请第二实施方式的一种车载六轴IMU轴向快速识别装置的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
首先，需要说明的是，在本申请的各实施方式中，
惯性测量元器件、惯性测量单元、惯性传感器和IMU的含义相同；
加速度计和三轴加速度计含义相同；
陀螺仪和三轴陀螺仪含义相同；
里程计、Odometer和轮速传感器的含义相同；
比力值和比力输出值都是指加速度计输出值，比力输出平均值是指加速度计输出平均值。
本发明第一实施方式涉及一种车载六轴IMU轴向快速识别方法。图1是该智车载六轴IMU轴向快速识别方法的流程示意图。
图2是一种IMU坐标系和车辆坐标系的示意图。在图2中，分别示出了IMU坐标系和车辆坐标系。IMU坐标系为纵向轴-横向轴-垂向轴坐标系；车辆坐标系为前向轴-侧向轴-地向轴坐标系。在理想安装情况下，IMU坐标系和车辆坐标系重合。但是，本申请的技术方案，适用于非理想安装情况下，只需满足IMU三轴加速度计和三轴陀螺仪轴向一致，而不限制IMU的安装方式，也就是说，IMU可以任意安装。
具体地说，如图1所示，该车载六轴IMU轴向快速识别方法，包括以下步骤：
在步骤101中，通过计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，来确定垂向轴。
具体地，计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致。
此后进入步骤102，根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态。当判断车辆直行时，进入步骤103；当判断车辆转弯时，进入步骤104.
在步骤103中，通过计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，来确定纵向轴。
具体地，当判断车辆直行时，计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向。
进一步地，优选地，当判断车辆直行时，根据GNSS速度或里程计的速度计算车辆前向加速度。
此后结束本流程。
在步骤104中，通过计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，来确定横向轴。
具体地，当判断车辆转弯时，计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
进一步地，优选地，当判断车辆转弯时，根据车辆线速度乘以车辆角速度计算车辆侧向加速度；其中，车辆线速度根据GNSS速度或里程计的速度获得，或者假设车辆匀速转弯，车辆线速度为一恒定值，车辆角速度为IMU的垂向轴角速度。
此后结束本流程。
在步骤103和104中，相关性拟合的方法选自以下组合中的任意一种或多种：
最小二乘拟合方法、加权最小二乘拟合方法、加权自适应最小二乘拟合方法、自适应最小二乘拟合方法和神经网络拟合方法。
在本发明的各实施方式中，IMU各轴的加速度为三轴加速度计输出值减去重力加速度分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声；IMU各轴的角速度为三轴陀螺仪输出值减去地球自转分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声。
该车载六轴IMU轴向快速识别方法，只需满足三轴加速度计和三轴陀螺仪轴向一致，无需预知IMU的三轴加速度计和三轴陀螺仪的轴向法则，即是否满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系。
在本发明的一个优选实施例中，在步骤103之后，若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断横向轴。也就是说，若IMU的垂向轴和纵向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可直接确定IMU的横向轴，而不用必须通过步骤104来确定横向轴。
在本发明的另一个优选实施例中，在步骤104之后，若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断纵向轴。也就是说，若IMU的垂向轴和横向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可直接确定IMU的纵向轴，而不用必须通过步骤103来确定纵向轴。
综上所述，本发明利用不同机动情况下的IMU(加速度计和陀螺仪)的输出，以及辅助观测量GNSS或里程计的信息确定出IMU的轴向和载体(如车辆)的轴向之间的关系，不限制IMU的安装方式，通过车辆正常行驶过程中的传感器数据，快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。
下面详细介绍本发明的一个优选实施例。
主要原理说明：
本发明主要利用不同机动情况下的惯性测量元器件IMU(陀螺仪和加速度计)的输出，以及辅助观测量GNSS或里程计的信息确定出IMU的轴向和载体系(如车辆)的轴向之间的关系。
垂向轴的确定：
车辆启动后，短时间内车辆加速度平均值远小于重力加速度，车载惯性传感器三轴加速度计比力输出平均值的绝对最大值为垂向轴，若加速度计输出平均值的绝对值最大的比力值为正值，则判断出比力输出平均值最大的轴向的正向为与车辆天向轴(地向轴的反方向)一致的垂向轴；反之，则为与车辆地向轴一致的垂向轴。
前向轴和侧向轴的确定：
IMU各轴敏感的加速度为加速度计输出值减去重力加速度分量在各轴上的投影、各轴零偏以及高频噪声，各轴敏感的角速度为陀螺仪输出值减去地球自转分量在各轴上的投影、各轴零偏以及高频噪声。在车载系统中，由于IMU与车辆固连，因此重力加速度分量在各轴上的投影，地球自转角速度在各轴上的投影和各轴零偏具有长期稳定性，则IMU各轴敏感的加速度和角速度为其输出值短时间积分后高频成分，记为Acc_X，Acc_Y，Acc_Z，Gyo_X，Gyo_Y，Gyo_Z。
车辆直行时，车辆加速度V(AccX)，V(AccY)，V(AccZ)主要成分为车辆前向加速度V(AccX)。由于IMU和车辆固定安装时，IMU纵向和横向加速度与车辆前向加速度存在一定的相关性。车辆加速度V(AccX)可通过GNSS速度值或Odometer输出值得出。考虑到车辆行驶过程中存在倾斜、不存在的绝对直行、以及各测量值存在误差等，选择直行滑动时间窗口内IMU非垂向轴与车辆前向加速数据进行相关性探索。与车辆前向加速度相关性较大的一轴即为IMU的纵向轴方向，若正相关，则即为纵向轴；若负相关，则为纵向轴的反方向。若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断横向轴的轴向。若IMU坐标系不满足右手或左手坐标系，则需通过转弯时确定横向轴的轴向。
车辆转弯时，假设车辆匀速转弯，即车辆加速度V V(AccX)，V(AccY)，V(AccZ)主要成分为车辆侧向加速度V(AccY)。由于IMU和车辆固定安装时，IMU纵向和横向加速度与车辆侧向加速度存在一定的相关性。车辆侧向加速度V(AccY)等于车辆速度V乘以车辆角速度
Figure BDA0001847926820000101
车辆线速度可有GNSS的速度值或Odometer的速度值得出；也可假设车辆匀速转弯，线速度为一恒定值。载体和车辆固定安装时，由于前面已经确定了IMU的垂向轴，因此车辆旋转
Figure BDA0001847926820000102
即为IMU的垂向轴角速率。考虑到车辆行驶过程中存在倾斜、不存在的绝对直行、以及各测量值存在误差等，选择转弯滑动时间窗口内载体非垂向轴与车辆侧向加速数据进行相应性探索。与车辆侧向加速度相关性较大的一轴即为IMU的横向轴方向，若正相关，则即为横向轴；若负相关，则为横向轴的反方向。若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断纵向轴的轴向。若IMU坐标系不满足右手或左手坐标系，则需通过直行时确定纵向轴的轴向。
图3是该优选实施例的整体原理图；图4是该优选实施例的实现流程。
实现流程说明：
如图4所示，该优选实施例的实现流程主要包括以下步骤：
(1)根据一段时间窗口内的IMU三轴加速度计值计算均值，其中绝对值最大的轴为垂向轴；若绝对值最大的均值为正值，则此轴正向与车辆天向轴一致；反之则与车辆地向轴一致。
(2)根据三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态，是否直行或拐弯。若直行则跳转至(3)；若转弯则跳转至(6)。
需要说明的是，根据三轴陀螺仪的输出值判断直行和转弯的方法为：对三轴陀螺仪的输出值进行高通滤波，去除零偏部分的影响。然后，计算经过滤波的1s内的三轴陀螺的积分值gx，gy，gz。g＝sqrt(gx^2+gy^2+gz^2)。若g大于某一阈值，则是为拐弯状态；其余为直行状态。
(3)判断当前纵向轴是否已经确定。若纵向轴未确定则跳转至(4)；若纵向轴已确定则再次判断横向轴是否已经确定。若横向轴已确定则跳转至(9)，若横向轴未确定则跳转至(2)。
(4)若目前车辆直行，则根据GNSS速度或里程计的速度计算一段窗口时间内的车辆前向加速度值。计算一段窗口时间内，车辆前向加速度与非垂向轴IMU的加速度计值的相关性，相关性最大的IMU轴则在纵轴方向上。若正相关即为纵轴，若负相关，则为纵轴的反方向。
(5)若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则直接判断出横向轴的轴向，跳转至(9)；反之则再次判断横向轴是否已确定。若横向轴已确定，则跳转至(9)，若横向轴未确定则跳转至(2)。
(6)判断当前横向轴是否已经确定。若横向轴未确定则跳转至(7)；若横向轴已确定则再次判断纵向轴是否已经确定。若纵向轴已确定则跳转至(9)，若纵向轴未确定则跳转至(2)。
(7)若目前车辆拐弯，则可根据GNSS速度或里程计的速度得出一段窗口时间内的车辆的前向速度值；在无GNSS定位或者无里程计的情况下，则可假设车辆匀速转弯，线速度为一恒定值。计算一段时间窗口内，IMU的非垂向轴与车辆侧向加速数据的相关性，相关性最大的IMU轴则在横向轴方向上。若正相关则为横向轴，若负相关，则为横向轴的反方向。
(8)若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则直接判断出纵向轴的轴向，跳转至(9)；反之则再次判断纵向轴是否已确定。若纵向轴已确定，则跳转至(9)，若纵向轴未确定则跳转至(2)。
(9)IMU的垂向轴，横向轴和纵向轴均已确定，结束轴向判断过程。
根据上面的描述，可以看出，该优选实施例：
1.通过对IMU三轴加速度计的均值得出IMU垂向轴的方向。
2.通过直行时，对GNSS/Odometer测量得到的车辆加速度和IMU加速度计非垂向轴的原始输出，通过相关性拟合确定IMU的纵向轴。
3.若IMU的垂向轴和纵向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可确定IMU的横向轴。
4.通过转弯时，根据车辆运动规律，当有GNSS/Odometer观测量辅助时，结合GNSS/Odometer的速度值和垂向轴的陀螺仪输出可得车辆侧向加速度。对车辆侧向加速度和IMU加速度计非垂向轴的原始输出，通过相关性拟合确定IMU的横向轴。当没有GNSS/Odometer观测量辅助时，假设转弯车辆匀速转弯或线速度变化不大时，可对垂向轴的陀螺仪输出和IMU加速度计非垂向轴的原始输出，通过相关性拟合确定IMU的横向轴。
5.若IMU的垂向轴和横向轴已确定，且IMU坐标系符合右手或左手笛卡尔坐标系，可确定IMU的纵向轴。
6.此六轴IMU轴向快速识别方法可工作于有GNSS和/或Odometer观测量的情况下；也可工作于无GNSS和无Odometer观测量的情况下。
7.无需预知IMU的三轴加速度计和三轴陀螺仪的轴向法则，即是否满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系。
8.相关性拟合的方法适用于但不限定最小二乘拟合，加权最小二乘、加权自适应最小二乘、自适应最小二乘拟合、神经网络拟合等拟合方法。
需要说明的是，本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
本发明第二实施方式涉及一种车载六轴IMU轴向快速识别装置。图5是该车载六轴IMU轴向快速识别装置的结构示意图。
具体地说，如图5所示，该车载六轴IMU轴向快速识别装置，包括：
垂向轴确定模块，用于确定垂向轴，该垂向轴确定模块计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致；
判断模块，用于根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态；
纵向轴确定模块，用于确定垂向轴，当所述判断模块判断车辆直行时，该纵向轴确定模块计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向；
横向轴确定模块，用于确定横向轴，当所述判断模块判断车辆转弯时，该横向轴确定模块计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
在本发明的各实施方式中，IMU各轴的加速度为三轴加速度计输出值减去重力加速度分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声；IMU各轴的角速度为三轴陀螺仪输出值减去地球自转分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声。
进一步地，优选地，相关性拟合的方法包括但不限于：最小二乘拟合方法、加权最小二乘拟合方法、加权自适应最小二乘拟合方法、自适应最小二乘拟合方法和神经网络拟合方法。
综上所述，本发明利用不同机动情况下的IMU(加速度计和陀螺仪)的输出，以及辅助观测量GNSS或里程计的信息确定出IMU的轴向和载体(如车辆)的轴向之间的关系，不限制IMU的安装方式，通过车辆正常行驶过程中的传感器数据，快速识别IMU任意安装下的正确轴向，使得组合导航系统能快速工作。
本实施方式是与第一实施方式相对应的装置实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
需要说明的是，本发明各实施方式中提到的各模块都是逻辑模块，在物理上，一个逻辑模块可以是一个物理模块，也可以是一个物理模块的一部分，还可以以多个物理模块的组合实现，这些逻辑模块本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑模块所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的模块。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致；
根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态，
当判断车辆直行时，计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向；
当判断车辆转弯时，计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
2.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，当判断车辆直行时，根据GNSS速度或里程计的速度计算车辆前向加速度。
3.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，当判断车辆转弯时，根据车辆线速度乘以车辆角速度计算车辆侧向加速度；其中，车辆线速度根据GNSS速度或里程计的速度获得，或者假设车辆匀速转弯，车辆线速度为一恒定值，车辆角速度为IMU的垂向轴角速度。
4.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，当车辆为直行，且判断出纵向轴以后，若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断横向轴。
5.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，当车辆为转弯，且判断出横向轴以后，若IMU坐标系满足右手笛卡尔坐标系或左手笛卡尔坐标系，则可直接判断纵向轴。
6.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，IMU各轴的加速度为三轴加速度计输出值减去重力加速度分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声；IMU各轴的角速度为三轴陀螺仪输出值减去地球自转分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声。
7.如权利要求1所述的车载六轴IMU轴向快速识别方法，其特征在于，相关性拟合的方法选自以下组合中的任意一种或多种：
最小二乘拟合方法、加权最小二乘拟合方法、加权自适应最小二乘拟合方法、自适应最小二乘拟合方法和神经网络拟合方法。
8.一种车载六轴IMU轴向快速识别装置，其特征在于，包括：
垂向轴确定模块，用于确定垂向轴，该垂向轴确定模块计算车辆启动后一段时间窗口内IMU三轴加速度计各轴比力输出平均值的绝对值，绝对值最大的轴为垂向轴，若绝对值最大的比力值为正值，则垂向轴与车辆地向轴的反方向一致；若绝对值最大的比力值为负值，则垂向轴与车辆地向轴一致；
判断模块，用于根据IMU三轴陀螺仪的输出值判断当前车辆机动状态；
纵向轴确定模块，用于确定垂向轴，当所述判断模块判断车辆直行时，该纵向轴确定模块计算车辆前向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度进行相关性拟合，与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴在纵向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度正相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴即为纵向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆前向加速度负相关，则与车辆前向加速度相关性较大的非垂向轴为纵向轴的反方向；
横向轴确定模块，用于确定横向轴，当所述判断模块判断车辆转弯时，该横向轴确定模块计算车辆侧向加速度，并对IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度进行相关性拟合，与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴在横向轴方向上，若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度正相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴即为横向轴；若IMU非垂向轴的加速度与车辆侧向加速度负相关，则与车辆侧向加速度相关性较大的非垂向轴为横向轴的反方向。
9.如权利要求8所述的车载六轴IMU轴向快速识别装置，其特征在于，IMU各轴的加速度为三轴加速度计输出值减去重力加速度分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声；IMU各轴的角速度为三轴陀螺仪输出值减去地球自转分量在各轴上的投影、各轴零偏和高频噪声。
10.如权利要求8所述的车载六轴IMU轴向快速识别装置，其特征在于，相关性拟合的方法选自以下组合中的任意一种或多种：
最小二乘拟合方法、加权最小二乘拟合方法、加权自适应最小二乘拟合方法、自适应最小二乘拟合方法和神经网络拟合方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110125404A1 (en) * 2009-11-20 2011-05-26 Qualcomm Incorporated Spatial alignment determination for an inertial measurement unit (imu)
CN102506858A (zh) * 2011-10-21 2012-06-20 北京泰豪联星技术有限公司 卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法
CN103968848A (zh) * 2014-05-20 2014-08-06 东莞市泰斗微电子科技有限公司 一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统
US20150276793A1 (en) * 2014-03-26 2015-10-01 Honda Motor Co., Ltd. Upper body motion measurement system and upper body motion measurement method
CN107289930A (zh) * 2016-04-01 2017-10-24 南京理工大学 基于mems惯性测量单元的纯惯性车辆导航方法
CN108594283A (zh) * 2018-03-13 2018-09-28 杨勇 Gnss/mems惯性组合导航系统的自由安装方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110125404A1 (en) * 2009-11-20 2011-05-26 Qualcomm Incorporated Spatial alignment determination for an inertial measurement unit (imu)
CN102506858A (zh) * 2011-10-21 2012-06-20 北京泰豪联星技术有限公司 卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法
US20150276793A1 (en) * 2014-03-26 2015-10-01 Honda Motor Co., Ltd. Upper body motion measurement system and upper body motion measurement method
CN103968848A (zh) * 2014-05-20 2014-08-06 东莞市泰斗微电子科技有限公司 一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统
CN107289930A (zh) * 2016-04-01 2017-10-24 南京理工大学 基于mems惯性测量单元的纯惯性车辆导航方法
CN108594283A (zh) * 2018-03-13 2018-09-28 杨勇 Gnss/mems惯性组合导航系统的自由安装方法

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