CN112313475B

CN112313475B - 用于校准物体的陀螺仪的方法

Info

Publication number: CN112313475B
Application number: CN201980039945.5A
Authority: CN
Inventors: 大卫·维西埃; 马蒂厄·希尔伊恩; 昂德里克·迈耶
Original assignee: Sisnavi
Current assignee: Sisnavi
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: WO2019239063A1; FR3082612A1; CN112313475A; KR20210020119A; EP3807595A1; US11815363B2; FR3082612B1; JP2021527213A; US20210254998A1

Abstract

本发明涉及一种用于校准在环境磁场中运动的物体(1)中固定的陀螺仪(11)的方法，所述方法包括以下步骤：(a)使陀螺仪(11)获取测得角速度，并使固定到所述物体(1)的磁性测量装置(20)获取磁场的至少两个分量；(b)确定陀螺仪(11)的至少一个校准参数的值，所述值使由物体(1)的估计角速度和与磁场分量相关的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化，估计角速度是测得角速度以及校准参数的函数，并且至少一个磁方程假设磁场是均匀和稳定的。

Description

用于校准物体的陀螺仪的方法

技术领域

本发明涉及没有GNSS的导航领域。

更准确地说，它涉及一种用于校准固定在磁力计上的陀螺仪的方法。

背景技术

如今，经由GNSS(全球导航卫星系统，例如GPS)或使用无线通信网络(使用发射终端的三角测量、wifi网络或其他网络)来跟踪车辆位置是很常见的。

这些方法非常有限，因为它们无法确保信息的可用性和准确性，源与接收器中的一个和另一个会受到它们之间的任何屏蔽的影响。它们还依赖于诸如用于GNSS的卫星之类的外部技术，这些技术可能不可用，甚至是主动加扰的。

可替选地，例如由于惯性或磁惯性单元，“自主”方法也已知可在任何环境中跟踪车辆的相对位移。“相对位移”是指车辆在初始化时相对于点和数据标记在空间中的轨迹。除了轨迹之外，这些方法还使得可以获得车辆相对于相同初始标记的方向。

导航级惯性单元至少由三个加速度计和三个三轴式布置的陀螺仪组成。通常，陀螺仪“保持”标记，其中加速度计的测量结果的双重时间积分使得可以估计运动。

特别已知的是，为了能够使用传统的惯性导航方法，诸如在诸如战斗机或商用飞机、潜艇、船只等的导航之类的复杂应用中实现的导航方法，有必要使用非常高精度的传感器。实际上，加速度测量的双重时间积分意味着加速度的恒定误差会造成位置误差，该位置误差与时间的平方成比例增加。

可替选地，众所周知，如果载体的标记中的速度矢量信息可以通过外部源(汽车上的里程表，船上的日志，飞机上的皮托管)提供，则当可以知道载体的定向，特别是其航向时，可以获得载体的轨迹。

在某些情况下，初始航向是已知的(惯性设备的初始“对准”)，并且可以通过惯性传感器以外的传感器(例如磁性传感器)获得，或者当惯性传感器可以精确测量地球自转时，可以直接从惯性传感器导出。

如果希望与低成本传感器一起工作，则困难在于通过持续地校准它们的误差参数来“提高”它们的性能，以尽可能好地保持载体的定向信息，特别是陆地车辆的航向信息。

因此，在这种情况下，提出了使用磁测量来校准陀螺仪的方法。

申请US2012/0116716提出检查两个测量点之间的磁场变化是否对应于通过对陀螺仪积分所预测的姿态变化。然而，它假设磁力/加速度测量是可靠的，这是微妙的。事实上，在实践中观察到：

-环境磁场并不总是均匀且稳定的；

-附近的金属元素(例如车身)或磁体对磁测量有影响(软铁和硬铁类型的效应)，另外参见申请US2004/0123474。

-为了正确地校准磁力计，必须将其放置在最大空间定向，以便“激发误差模型”，从而具有可观测性。对于可以用手携带的设备来说，在使用之前，这个问题很容易解决并因此可以在所有方向上转动，例如参见申请FR1757082。相反地，如果磁力计安装在车辆上，则有一个限制，这是因为：

○在车辆的典型行驶过程中，侧倾和俯仰仅略微偏离零。

○车身被磁化，或者车辆已装载，这意味着校准可能不再适合；这将需要定期重新校准。

申请US2011/0178707更确切地涉及包括磁罗盘和陀螺仪的智能手机类型的设备，并且提到了磁干扰的问题。该申请旨在使用陀螺仪数据校准磁罗盘，但也提出了相反的方案(即，使用磁数据校准陀螺仪)，将磁加速度计四元数q作为出发点，并通过从该四元数获得重新校准的角速度

然而，仍然假设磁力/加速度测量是可靠的，在相反的情况下，它只是建议只要这种情况持续，就不更新陀螺仪的偏置，或者使用存储在存储器中的默认四元数。

期望有一种用于校准物体的陀螺仪以估计该物体的运动的新方法，该方法实现了极好的结果质量并且不受限制。

发明内容

因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于校准在环境磁场中运动的物体的陀螺仪的方法，该方法的特征在于其包括以下步骤：

(a)获取

-通过陀螺仪获取物体的角速度，以及

-通过固定在所述物体上的磁性测量装置获取在磁性测量装置周围的磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数；

(b)通过数据处理装置确定陀螺仪的至少一个校准参数的值，该值使由物体的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场第i阶导数分量的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化，

-物体的估计角速度是测得的角速度和陀螺仪的校准参数的函数，并且

-该至少一个第一磁方程假设磁场在磁性测量装置周围是均匀和稳定的。

根据其他有利且非限制性的特征：

●物体的估计角速度

通过模型

与测得的角速度

相关联，其中D和b_gyro是陀螺仪的校准参数；

●该方法还包括步骤(c)：估计代表校准参数误差的参数；

●该方法还包括，如果代表误差的所述参数大于预定阈值，则执行步骤(d)：通过获取附加装置来获取物体的测得线速度，并通过数据处理装置重新确定陀螺仪的至少一个校准参数的值，该值使由物体的估计角速度以及关于测得的线速度和磁场分量和/或磁场第i阶导数分量的至少一个第二磁方程所定义的第二表达式最小化，该至少一个第二磁方程假设磁场在磁性测量装置周围是稳定的；

●该方法包括步骤(e)：对代表校准参数误差的所述参数的新的估计；

●代表校准参数误差的所述参数是为校准参数的确定值计算的所述第一表达式的值的函数，或者在适用的情况下是所述第二表达式的值的函数；

●步骤(c)(以及在适用的情况下步骤(e))包括根据代表校准参数误差的所述参数的值以及所述陀螺仪最后一次校准后的持续时间，确定累积误差间隔，所述预定阈值取决于所述累积误差间隔；

●步骤(b)(以及在适用的情况下步骤(d))包括实施递归滤波器或优化；

●在步骤(a)中获取的磁场分量和/或磁场第i阶导数分量是测得的分量，并且由所述第一磁方程和第二磁方程使用的那些分量是作为测得分量和磁性测量装置的校准参数的函数的估计分量，步骤(b)以及在适用的情况下步骤(d)还包括确定磁性测量装置的至少一个校准参数的值；

●磁性测量装置是三轴磁力计，磁场的估计分量M^(estimation)通过模型M^(mesure)＝A·M^(estimation)+b_magneto与测得分量M^(mesure)关联，其中A和b_magneto是磁性测量装置的校准参数；

●一个或多个第一磁方程的形式为

并且在适用的情况下，一个或多个第二磁方程的形式为

其中

是磁场的n阶导数，ω是角速度，V是线速度，并且f_n和g_n是预定函数；

●第一磁方程为

并且在适用的情况下，第二磁方程为

●第一表达式是

的函数，可选的第二表达式是

的函数；

●代表校准参数误差的所述参数是给定时间间隔内的

或

的平均值，或者是所述磁场分量和/或磁场第i阶导数分量的空间梯度的全部或一部分；

●该方法包括步骤(f)：由数据处理装置根据物体的测得角速度、磁场分量和/或磁场的第i阶导数，和/或物体的任何测得的线速度来估计所述物体(1)的运动，其中在步骤(f)中车辆定向仅根据车辆的测得角速度和校准参数值来估计。

根据第二方面，提出了一种在环境磁场中运动的物体，该物体包括：陀螺仪，其被配置为获取物体的测得的角速度；磁性测量装置，其被配置为获取磁场的至少两个分量和/或磁场第i阶导数，其特征在于，所述物体还包括数据处理装置，该数据处理装置被配置为：

-确定陀螺仪的至少一个校准参数的值，该值使由物体的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场第i阶导数分量的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化，

○物体的估计角速度是测得的角速度和陀螺仪的校准参数的函数，并且

○该至少一个第一磁方程假设磁场在磁性测量装置周围是均匀和稳定的。

根据其他有利和非限制性特征：

●该物体还包括附加的获取装置，该附加的获取装置被配置为获取该物体的测得的线速度，该数据处理装置还被配置为：

-估计代表校准参数误差的参数；并且

-如果代表校准参数误差的所述参数大于预定阈值，则重新确定陀螺仪的至少一个校准参数的值，该值使由物体的估计角速度以及关于测得的线速度和磁场分量和/或磁场第i阶导数分量的至少一个第二磁方程所定义的第二表达式最小化，该至少一个第二磁方程假设磁场在磁性测量装置周围是稳定的；

●该物体是具有车轮的车辆，附加的获取装置是安装在车辆车轮上的至少两个里程表。

根据第三和第四方面，提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于执行根据本发明第一方面的用于校准陀螺仪的方法的代码指令；以及可由计算机设备读取的存储装置，计算机设备上的计算机程序产品包括用于执行根据校准陀螺仪的第一方面的方法的代码指令。

附图说明

当阅读下面对优选实施例的描述时，本发明的其他特征和优点将会显现。将参考附图给出该描述，其中：

-图1示出了用于实施根据本发明的方法的车辆架构示例；

-图2是示出了根据本发明的方法的优选实施例的步骤的示意图。

具体实施方式

架构

参考图1，本方法允许校准在被记为M的环境磁场(典型地，地磁场，在适用的情况下被附近的金属物体改变)中移动的物体1的陀螺仪11。如已经解释的，磁场是三维空间中的矢量场，即，将三维矢量与物体1可移动的每个三维点相关联。

该物体1可以是需要位置信息的任何可移动物体，例如车辆，特别是带有轮子的车辆、无人机等，但也可以是一个人或这个人身体的一部分(他们的手、他们的头等)。

物体1配备有陀螺仪11和磁性测量装置20。该装置20和陀螺仪11被固定到物体1上，例如在车辆的情况下被固定到车身上，并且通常固定在物体1的参考系中。

磁性测量装置20通常是磁力计和/或磁力梯度计。在后一种情况下，梯度计不是测量磁场M的分量的值，而是直接测量磁场M的梯度分量的值，即空间导数的值(可选地除了磁场之外)。这种磁力梯度计20是本领域技术人员已知的。根据本发明的某些实施例，可以使用梯度计直接测量二阶导数(二阶梯度)的值，并且通常测量第i阶导数(第i阶梯度)的值。

在说明书的其余部分中，将使用磁力计的示例，但是本领域技术人员将知道如何将其转置为梯度计。

一个或多个磁力计20优选地是“轴向的”，即能够测量所述磁场的分量，即所述磁场矢量M沿着它们的轴的投影(或者，在梯度计的情况下，所述磁场的i阶空间导数的分量，即围绕梯度计的

分量沿着其轴线的变化)。

磁力计20的数量至少为两个，并且优选至少为三个，以便能够分别获取磁场的至少两个或三个分量。确实可以理解的是，如果两个磁力计在与车辆的垂直旋转轴线正交的平面(即水平面)内彼此正交地布置，则两个磁力计就足够了。然而，使用三个磁力计20并获取三个分量使得可以克服这种特殊设置的必要性。

有利地，磁力计20的数量甚至大于三个，例如6个或甚至9个，有利地由以三个“三轴”成组地组织，即与同一空间位置相关联的三个一组的两两正交的磁力计20，并且测量沿着三个轴的磁场(在6个磁力计20的情况下，有两个三轴，在9个磁力计20的情况下，有三个三轴)。两个三轴使得可以测量磁场及其梯度的一部分(见下文)，并且通过已经适当定位和定向的八个磁力计20，可以确定梯度的所有分量。例如，对于位于等腰直角三角形的角的三个三轴来说就是这种情况。

优选地，与物体相关联的正交系统通过惯例(以及通过本说明书其余部分的设施)来选择，诸如三轴有利地根据所述正交系统来定向，以便于促进计算。

但是本领域技术人员在任何情况下都知道如何转置到磁力计/梯度计的任何空间布置。

“陀螺仪”11是指惯性测量装置，其能够根据三个正交轴的系统来测量物体1的角速度，该三个正交轴定义了物体1的标记，即测量了记为ω的角速度矢量的三个分量。因此，应当理解，陀螺仪11实际上可以指定一组三个陀螺仪，该三个陀螺仪与三个轴中的一个相关联，特别是与三轴布置相关联(即，每个陀螺仪能够测量记为ω的角速度矢量的三个分量之一)。

在物体1是车辆的优选实施例中，该标记优选地包括一个垂直轴线和两个水平轴线，特别是纵向轴线和横向轴线。围绕车辆的垂直轴线的旋转由驾驶员通过转动方向盘而作用的角度来描述。在一般平坦的地面上，车辆方向的变化在水平面上，即也沿着偏航的所述垂直轴线。实际上，侧倾(沿车辆的纵向轴线旋转)和俯仰(沿车辆的横向轴线旋转)的非零值可能是例如倾斜道路的结果，但是通常较低。

本发明的方法目的可以校准角速度矢量ω的三个分量。

物体1更有利地设置有“附加的”获取装置10，该获取装置10测量物体1的线速度(记为V)，即位移。这些装置10可以使直接或间接地获得线速度成为可能，因此可以是多种类型，例如惯性测量装置。因此，陀螺仪11可以由一个或多个加速度计来补充，并且甚至物体1可以包括“6个轴”的惯性单元。加速度计对除了强制施加在该传感器上的重力之外的外力敏感，并且使得可以测量记为γ的特定加速度。

可替选地，如果物体1是具有车轮的车辆，则装置10可以包括至少两个里程表，每个里程表用于车辆的一个车轮，例如两个后轮，如图1的示例所示。要注意的是，一组里程表是获得简单线速度的简单且可靠的装置。

“里程表”是指一种能够通过计算转数(“转数计数器”)来测量车轮速度的设备。通常，里程表有一部分附接到车轮上(例如磁铁)，并检测该固定部分(称为“顶部”)的每个通道，以便计算每单位时间的转数(其是旋转频率)。已知其他技术，例如光学检测车轮上的标记，或专利FR2939514的检测诸如车轮之类的金属物体的旋转的磁力计。

在此，车轮的“速度”是一个标量，即在地面参考系中(假设没有打滑的情况下)车轮速度的范数(norm)。如果车轮的半径r是已知的，则旋转频率的测量使得可以估计速度的这个范数：v＝2πrf。

再次可替选地，附加装置10可以是GNSS接收器。应当理解，本领域技术人员不限于用于速度测量的任何特定技术。

如所解释的，物体1还包括：用于特别是实时地实施本方法的处理的处理装置21(通常是处理器)，例如车辆的车载计算机；和可选的存储器22；以及接口23，用于返回关于物体1的运动的信息(瞬时速度值、航向、地图上的位置等)，和/或向物体1发送命令。物体1本身尤其可以是自动驾驶车辆，以及处理装置21被配置为实现车辆的自动驾驶导航。因此，所述命令被发送到车辆的控制部件(发动机、方向盘的致动器等)以便模拟驾驶员的驾驶。

注意，处理装置21可以在物体1的外部，并且例如通过无线网络连接到物体1。可替选地，陀螺仪11和磁性测量装置20可以通过导线(例如经由以太网)连接到数据处理装置21。

方法

本发明的方法目的是一种用于至少校准陀螺仪11的方法。“校准”是指确定一个或多个校准参数，下面提供了其列表。特别地，某些校准参数可以被认为是可靠的和预先确定的，而其他的则有待确定。对于那些待确定的，可以规定它们具有“当前”值(换句话说，已经进行了校准)，并且这些值将在适用的情况下进行修改(在新校准的情况下)。

在特别优选的实施例中，该方法还可以是用于校准磁性测量装置20的方法，即陀螺仪11和磁力计20可以被同时校准。这是一种非常有利的模式，因为正如将要看到的，甚至不再需要假设陀螺仪(陀螺仪数据)和磁力计(磁数据)中的一个是可靠的，以将其用作校准另一个的参考：两者自动相互校准。可替选地，自然有可能认为磁力计20已经被很好地校准，并且因此校准陀螺仪11，这使得例如可以校准陀螺仪11的更多参数。

如将看到的，在有利的实施例中，本方法甚至是用于估计物体1的运动的方法，即，它包括在校准之后，使用测量值，以便从其中可靠地推断运动的一个或多个分量。

在第一步骤(a)中，该方法包括由陀螺仪11获取被记为

的物体1的测得角速度，以及由磁性测量装置20获取磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数。这些分量更准确地说是所谓的测得分量，在磁场的情况下形成一个被记为M^(mesure)的矢量(在第i阶导数的情况下，它可以被记为

)。优选地，获取角速度的三个分量和至少六个或者甚至八个磁分量(有利地，两个或者甚至三个磁力三轴位于矩形等腰三角形的角上)，以便能够从中推导出场及其梯度的至少一部分(即，沿三个轴按以下顺序的导数)。

在物体1运动的特征时间之前，典型地为40毫秒，这些量有利地用dt采样(即每“dt”秒，其中dt非常小)来测量。

在步骤(b)中，数据处理装置21确定陀螺仪11的至少一个校准参数的值，该值使由物体1的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化。

其思想是分别估计其在理论上由磁方程联系起来的陀螺仪数据和磁数据。因此，由于该方程，可以表示理想情况下应该为零的量(即陀螺仪数据和磁数据正好满足磁方程)，否则校准必须完善。

物体1的估计角速度(记为

)取决于测得角速度和陀螺仪11的校准参数，即，通常为

其中g是通过校准参数确定的函数(应用)。在最简单的情况下，g被微调，并且

通过

类型的公式与测得角速度

关联，其中D和b_gyro表示陀螺仪11的校准参数。

在三维姿态的情况下，b_gyro是偏差矢量，而D是3×3矩阵＝(用于在正确标记处传递的正交矩阵)×(包含比例因子和校准值的上三角矩阵)。以简化的方式，例如可以考虑D是预先确定的(实际上它变化非常慢)，并且为陀螺仪11确定的唯一校准参数是b_gyro，它实际上倾向于随时间变化(称为陀螺仪11的漂移)。

如所解释的，在步骤(a)中获取的磁场分量和/或磁场的第i阶导数优选地是测得分量(即，可能被偏置)，并且由所述第一磁方程所使用的那些分量是估计分量(在磁场的情况下，相应的矢量被记为M^(estimation)，在第i阶导数的情况下，它可以被记为

)，其取决于测得分量和磁性测量装置20的校准参数。

在磁性测量装置20是磁力计的情况下(即，对磁场分量进行操作，而不是对导数进行操作)，磁场的估计分量M^(estimation)有利地通过形式为M^(mesure)＝A·M^(estimation)+b_magneto的模型与测得分量M^(mesure)相关联，其中3×3矩阵A和矢量b_magneto是磁性测量装置20的校准参数。其中，更确切地说，它是希望表示为测得分量的函数的估计分量，可以写成M^(estimation)＝A^-1·(M^(mesure)-b_magneto)。

b_magneto一般代表“硬铁型”效应，而矩阵A代表“软铁型”效应。严格来说，这些效应与硬铁/软铁效应相对应，但是也可能包括具有相同影响但原因不同的现象(例如，由于磁力计20的电子/物理特性引起的效应)。

至于陀螺仪，更一般地说，可以检查一般的误差模型：M^(estimation)＝h(M^(mesure))，其中h是不需要微调的函数(应用)。

在微调情况(M^(mesure)＝A·M^(estimation)+b_magneto)下，A是一个3×3矩阵，其可以写成

其中R正交以及

是上三角矩阵。

注意，假设磁性测量装置20本身被先验地完美校准，只有它们的直接环境(车身等)必须在校准时被校正，以便能够估计将在没有物体1的情况下被测量的地磁场。因此，矩阵R是重要的并且待确定，以便物体磁性标记保持稳定。

关于球体的传统校准方法仅在围绕最近轴的一次旋转时确定R(见文献E.Dorveaux,D.Vissière,A.P.Martin,N.Petit,“用于惯性磁传感器的迭代校准方法(Iterative calibration method for inertial and magnetic sensors)”，2009年第48届IEEE决策与控制会议)。应用这些方法后，传感器轴不会保持固定。

在实践中，可以在校准时确定A的8个系数(一个系数(将测量值与以特斯拉(或高斯)为单位的物理单位联系起来的全局比例因子)无法确定，但同时，不必知道它来校准陀螺仪11)。

在同时双重校准的一个特别优选的实施例中，只有三个校准参数需要确定：b_gyro、A和b_magneto。当物体1具有“变化的”轨迹(方向/速度具有随时间变化的很大差异的值)时，这种有限数量的参数使得这种双重校准成为可能。

磁方程

物体1(称为身体)的标记中的磁场随时间的变化由方程

描述。

第一项-ω×M描述了由于该标记相对于固定标记的旋转而导致的物体1的标记中场的变化。第二项

描述了来自具有不均匀场的区域中的运动的测量场的变化。最后，第三项

考虑了磁场的非稳定性(例如周期性电流，诸如在欧洲为50Hz，或者磁体/由钢制成的物体在所述物体附近的运动，等等)。

如果没有“可移动的”磁干扰，即磁场具有固定性质，

则方程可简化为

如果根本没有磁干扰，即磁场除了是稳定的外，还具有均匀的性质，则

并且该方程甚至可以简化为

在使用磁传感器确定航向的情况下，这种均匀性和稳定性的双重假设通常被验证或假设(如使用指南针时)。事实上，对于地磁场，均匀性在我们的纬度上被局部观察为非常好的近似值，除非在周围区域存在例如金属结构或由钢筋混凝土制成(通常是桥梁)的情况。由于附近的位移物体而引起的非稳定性更加罕见，因为干扰源将必须移动，并且由于周期性电流平均为零的任何非稳定性也可以使用估计技术对其进行处理，例如参见文献C.-I.Chesneau，M.Hillion和C.Prieur，《使用磁惯性测量对带有EKF的刚体的运动估计》，关于室内定位和室内导航(IPIN'16)的第7届会议，西班牙马德里，2016年。

注意，概括(简化的或不简化的)磁方程的可能性是已知的，以便不链接使用磁力计测量评估的磁场的时空变化，而是链接特别是使用梯度计测量评估的磁梯度的时空变化(即磁场的空间变化)。更准确地说，方程

被推导为

其中n+1≥i≥1，其中

是磁场的n阶导数，并且f_n和g_n是预定函数，请参见申请FR1756675。

在本说明书的其余部分中，为方便起见，将使用0阶方程(即，基于

)，但是本领域技术人员将知道如何将该方法转置为更高阶。

参考图2，本校准方法巧妙地提出了具有几个假设水平的校准。

更准确地说，在步骤(b)中，最初试图通过对场的均匀性和稳定性进行双重假设来校准陀螺仪，然后在估计代表校准参数误差的参数的可选步骤(c)中，验证是否存在干扰，即假设的相关性。

在优选实施例中，如果该验证失败(代表误差的所述参数大于预定阈值)，则在步骤(d)中通过仅做出稳定性假设(而不再是均匀性假设)来再次尝试校准。然后有可能在步骤(e)中重新验证这一假设的相关性。可替选地，如果步骤(c)的验证失败(代表误差的所述参数大于预定阈值)，则可以停止该方法，并保持当前校准。

应当理解，步骤(d)的存在使得有可能在磁场不均匀的可能情况下进行校准，条件是具有上述的附加获取装置10。然而，本发明不限于该实施例，并且可以仅具有陀螺仪11和磁性测量装置20，并且仅实施步骤(a)、(b)以及可选地(c)。

因此，可能的步骤(d)可以包括由附加获取装置10获取物体1的测得线速度，记为V(实际上，该获取可以与步骤(a)的其它获取同时进行，特别是在每个时间步骤)，然后由数据处理装置21重新确定陀螺仪11的至少一个校准参数的值，该值使由物体1的估计角速度和关于线速度和磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第二磁方程定义的第二表达式最小化，该至少一个第二磁方程仅假设磁场在磁性测量装置20处是稳定的。

“获取”应理解为广义的，即直接或间接的。在实践中，装置10通常测量第一量值，该第一量值不是线速度(加速度、车轮的旋转频率等)。并且所谓的测得线速度实际上是根据这些量值估计的，可选地进行组合。本领域技术人员将知道如何以多种方式(例如通过磁梯度法)获得物体1的线速度。

因此，至少一个第二方程优选地为

的形式，所述第二方程仅假设在步骤(d)中使用的磁性测量装置20处的磁场是稳定的，其中ω为理论角速度，并且如在优选实施例中解释的

其中磁场分量是直接测得的。

因此，应当理解，在磁性测量装置20处的磁场稳定的假设下，在最接近的校准误差下，量

(并且特别是其在0阶

的版本)等于零。

类似地，所述至少一个第一磁方程假设在步骤(b)中使用的磁性测量装置20处的磁场是均匀和稳定的，至少一个第一磁方程是至少一个第二方程的简化版本，并且优选地是

的形式，其中如在优选实施例中解释的

其中磁场分量是直接测得的。因此，可以理解，在磁性测量装置20处的磁场的均匀性和稳定性的双重假设中，在最接近的校准误差下，量

(并且特别是其在0阶

的版本)等于零。

可以看出，第一次校准很容易实现，因为它不需要知道线速度V。

有利地，第一表达式(在步骤(b)中最小化)是

的函数，优选地是

或是

的函数；并且第二表达式(在步骤(d)中最小化)是

的函数，优选地是

或是

的函数。在一般条件下，这些表达式的最小化将给出一般轨迹的无歧义参数。然而，应当理解，可替选地，本领域技术人员可以使用对与第一/第二方程(范数L²、L^∞等)所定义的关系相关的差异敏感的任何其他函数用作第一/第二表达式。

为了实现这种最小化，数据处理装置21可以在给定长度的时间间隔上工作。这样，可以以已知方式使用递归滤波器(RLS，递归最小二乘等方法)或优化(最小二乘法等)。

例如，在磁力计20的校准参数(即参数A和b_magneto)被同时确定的假设中，可以实现所谓的差分校准原理，其中

或

被

和M^(estimation)＝A^-1·(M^(mesure)-b_magneto)最小化为最小二乘。

误差表征

如所解释的，该方法有利地包括步骤(c)：估计代表校准参数误差的参数，并且甚至更有利地(如果步骤(c)和(d)已经发生)包括步骤(e)：对代表校准参数误差的所述参数的新估计。

想法是估计由磁性测量装置20提供的信息的质量，以便验证或不验证关于环境磁场的假设水平。更准确地说，如图2所示：

-如果对代表误差的参数的第一次估计(步骤(c))小于所述预定阈值，则验证环境磁场的均匀性和稳定性的双重假设，并且接受步骤(b)的校准结果。步骤(c)然后包括用步骤(b)中确定的校准参数的值对陀螺仪11和/或磁性测量装置20进行有效校准，并且不需要执行步骤(d)和(e)；

-如果对代表误差的参数的第一次估计(步骤(c))大于所述预定阈值，则拒绝环境磁场的均匀性和稳定性的双重假设，并且步骤(b)的校准结果不被接受，并且可以停止或者执行步骤(d)的重新校准：

○如果对代表误差的参数的第二次估计(步骤(e))此时小于所述预定阈值，则仅环境磁场的稳定性的假设被验证，并且步骤(b)的校准结果被接受。步骤(e)然后包括用步骤(d)中确定的校准参数的值对陀螺仪11和/或磁性测量装置20进行有效的校准；

○如果对代表误差的参数的第二次估计(步骤(e))总是大于所述预定阈值，则环境磁场的稳定性假设被拒绝(存在干扰)，并且步骤(d)的校准结果不被接受。因此保留前一次校准参数作为校准。然后，可以尝试使用完整的磁方程(带有

项)，或者暂时放弃磁测量。

注意，在步骤(b)和/或(d)发生期间确定的校准参数值(但不用于有效校准)，可以被存储在数据存储装置12上，并在步骤(c)和/或(e)的未来发生期间使用。例如，可以规定，只要代表误差的参数高于阈值，就存储所确定的校准参数，并且当通过低于阈值时，有效的校准也考虑所存储的值。此外，步骤(c)和(e)的结果可以取决于先前的校准参数的寿命(例如，经由阈值的值)。

注意，自上次良好校准以来的持续时间t之后的累积误差间隔可以根据该持续时间t和该校准中的估计误差来估计，例如通过向该误差添加与持续时间t成比例的增量。预测的误差间隔可以用于表征未来校准的结果，特别是定义所述预定阈值的值：例如，误差间隔越高，越迫切需要重新校准陀螺仪，并且因此代表误差的参数值越“宽容”(即，预定阈值将更高)。此外，其中当估计误差很高时，误差间隔成比例地增加得更快，这使得有可能长时间以非常低的估计误差保持“良好”的计算，同时迫使更快地对“不那么好”的校准进行重新校准。

通常，代表校准参数误差的所述参数是针对校准参数的确定值计算的第一/第二表达式的值的函数(根据是参数的第一估计还是第二估计出现)。

步骤(c)/(e)的第一实施例被认为是固有的，因为它仅使用步骤(b)/(d)中可用的量值。优选地，使用来自步骤(b)/(d)的估计残差，即，代表误差的所述参数尤其是给定时间间隔内第一/第二表达式(典型地为

或

)的值的范数(例如L²或L^∞)。在这种情况下，步骤(d)/(e)可以与步骤(b)/(d)同时执行。在使用递归滤波器的情况下，在给定的时间周期内，该范数(例如L²或L^∞)可用于滤波器的创新。

可替选地，可以相对于正态分布来量化偏差，即检查

(或

)的统计量是否类似于高斯噪声的统计量，例如通过计算高于2的阶矩。

在步骤(c)/(e)的第二实施例中，被称为外部的，使用另一种类型的量值，以便基于这些量值中的一个或另一个来计算所谓的参考角速度，从而与估计的角速度进行比较。并且本领域的技术人员将知道如何根据各种类型的量值来计算这样的参考角速度，并且特别是有可能使用例如：

-方向盘角度(如果物体1是车辆)，

-GNSS数据，例如GPS(如果可用/当可用时)，

-里程数数据。

在后一种情况下，如果线速度的附加获取装置10包括至少两个里程表(仍然如果物体1是车辆)，则所述理论角速度确实可以从车轮的测得速度中获得。特别地，在后轮每个均设有里程表的情况下，假设采用阿克曼微分几何学，则物体1的第二估计角速度

通过

类型的公式分别与左后轮和右后轮的测得速度v_L、v_R相关联，其中d是车轮之间的距离，并且代表误差的所述参数特别是给定时间间隔内

的范数(例如L²或L^∞),其中

是围绕物体1的垂直轴单独旋转的角速度。

根据第三实施例，关于误差参数估计的第一次出现(步骤(c))，根据所使用的第二等式的阶，可以非常简单地估计磁场的所述分量和/或磁场的第i阶导数(即

或

)的空间梯度的全部或一部分。

事实上，这种估计必须接近于零，以便保持均匀的性质。应当理解，对梯度分量子集的估计实际上对于这种表征是足够的，因为每个非零分量已经是不均匀性的表现。

可替选地或作为补充，可以利用学习来改进对该误差参数的估计和/或开发一种方法，该方法用于以更鲁棒的方式并以更高的可用性来识别有利条件(即稳定和均匀)。

特别地，可以实现学习机制，例如神经网络，支持向量机，最近邻方法，决策树等。因此，在步骤(b)至(e)的每次出现时，可以丰富学习基础，其中每个测量数据集都用代表误差的参数的相应值“标记”，以便逐渐地(随着步骤(b)至(e)的连续出现)并且自动地学习以将可接受的校准和不可接受的校准区分开。因此，校准本身也在不断改进。

运动估计

如所解释的，该方法有利地包括步骤(f)：由数据处理装置21根据物体1的测得角速度和/或磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数，和/或物体1的任何测得线速度(通过装置10)，以及校准参数的值(即，在重新校准之后)来估计所述物体1的运动。这个步骤(f)没有在图2中示出，其专注于校准，可以连续并行地执行。

“运动估计”特别是指至少对物体1的定向(在水平面内，即航向)的估计，并且有利地是对法向速度的估计。该方位通常通过从已知的初始定向对角速度进行积分来获得。

优选地，数据处理装置21对所述物体1的航向的估计仅根据物体1的测得角速度和校准参数的值来完成，即仅通过使用陀螺仪数据。总之，磁数据被用于校准陀螺仪11，然后仅使用陀螺仪数据来用于估计航向(因为陀螺仪数据总是可用的)。在适用的情况下，测得线速度(通过可选装置10测得)仅在步骤(f)中用于确定物体1的整体速度。

注意，在自动驾驶车辆的情况下，步骤(f)可以包括根据估计的运动来产生所述车辆1的命令，以便将车辆1例如带到期望的目的地，或者通过使车辆1保持在无障碍物的轨迹来停止车辆1。

设备和物体

根据第二方面，本发明具体涉及一组设备11、20、21和可选的10，用于实施该方法的一个或另一个实施例。

该组可以作为套件安装在“常规”物体1中，以便对其进行转换。可替选地，特别是在物体1是车辆的情况下，这可以是已经设置有用于车辆导航的数据处理装置21以及用作附加获取装置10的传感器(诸如陀螺仪11和/或里程计)的自动驾驶车辆。

特别提出了一种物体1，特别是具有车轮类型的车辆，其包括：

-陀螺仪11，其被配置为获取物体1的测得角速度；

-磁性测量装置20，其被配置为获取磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数；

-在适用的情况下，附加的获取装置10，其被配置为获取物体1的测得线速度(有利地，里程表安装在车辆的至少两个车轮上，并且被配置为获取所述两个车轮的测得速度)；

-数据处理装置21，其被配置为

○确定陀螺仪11的至少一个校准参数的值，该值使由物体1的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第一磁方程定义的第一表达式最小化，

■物体1的估计角速度是测得角速度和陀螺仪11的校准参数的函数，以及

■该至少一个第一磁方程假设磁场在磁性测量装置20处是均匀和稳定的，

-数据处理装置21还可以被配置为：

○估计代表校准参数误差的参数；以及

○如果代表误差的所述参数大于预定阈值，则重新确定陀螺仪11的至少一个校准参数的值，该值使由物体1的估计角速度和关于测得线速度和磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第二磁方程定义的第二表达式最小化，该至少一个第二磁方程仅假设在磁性测量装置20处的磁场是稳定的。

如上所述，物体1还可以包括存储器22和接口23，以及其他传感器，例如方向盘的角度传感器或GNSS接收器。

此外，数据处理装置21还可以被配置为根据物体1的测得角速度、根据物体的测得角速度和/或物体1的任何测得线速度(在适用的情况下，根据代表误差的所述参数与阈值的比较结果)以及校准参数的值来估计所述物体1的运动。

计算机程序产品

根据第三和第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于(在处理装置21上)执行根据本发明第一方面的用于校准陀螺仪11的方法的代码指令，以及可以由一件计算机设备读取的存储装置(例如数据存储装置22)，其上找到该计算机程序产品。

Claims

1.一种用于校准在被记为M的环境磁场中运动的物体(1)配备的陀螺仪(11)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)获取

-通过所述陀螺仪(11)获取所述物体(1)的测得角速度，和

-通过固定在所述物体(1)上的磁性测量装置(20)获取在所述磁性测量装置(20)处的磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数，其中i是所测量的磁场的导数的阶数；

(b)通过数据处理装置(21)确定所述陀螺仪(11)的至少一个校准参数的值，所述值使由所述物体(1)的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化，

-所述物体(1)的估计角速度是所述测得角速度和所述陀螺仪(11)的校准参数的函数，并且

-所述至少一个第一磁方程假设在所述磁性测量装置(20)处的磁场是均匀和稳定的；

(c)估计代表校准参数误差的参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体(1)的估计角速度

通过模型

与所述测得角速度

相关联，其中D和b_gyro是所述陀螺仪(11)的校准参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：如果代表误差的所述参数大于预定阈值，则执行步骤(d)：由所述数据处理装置(21)重新确定所述陀螺仪(11)的至少一个校准参数的值，所述值使由所述物体(1)的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第二磁方程所定义的第二表达式最小化，所述至少一个第二磁方程仅假设在所述磁性测量装置(20)处的磁场是稳定的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤(d)包括通过附加获取装置(10)获取所述物体(1)的测得线速度，所述至少一个第二磁方程也基于所述测得线速度。

5.根据权利要求4所述的方法，包括步骤(e)：重新估计代表校准参数误差的所述参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，代表校准参数误差的所述参数是针对所述校准参数的确定值计算的所述第一表达式的值的函数。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤(c)包括：根据代表校准参数误差的所述参数的值，以及自所述陀螺仪(11)上次校准以来的持续时间，来确定累积误差间隔，所述预定阈值取决于所述累积误差间隔。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括递归滤波器或优化的实施。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中获取的磁场分量和/或磁场的第i阶导数是测得分量，并且由一个或多个第一磁方程使用的那些分量是作为所述测得分量和所述磁性测量装置(20)的校准参数的函数的估计分量，所述步骤(b)还包括确定所述磁性测量装置(20)的至少一个校准参数的值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述磁性测量装置(20)是三轴磁力计，所述磁场的估计分量M^(estimation)通过模型M^(mesure)＝A·M^(estimation)+b_magneto与所述测得分量M^(mesure)相关联，其中，A和b_magneto是所述磁性测量装置(20)的校准参数。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个第一磁方程具有

的形式，其中，

是

的导数，

是所述磁场的n阶导数，n是使用的磁方程的阶数，ω是角速度，V是线速度，并且f_n是预定函数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一磁方程是

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一表达式是

的函数，其中，

是

的导数，

是所述磁场的估计分量的n阶导数，

是所述物体(1)的估计角速度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，代表校准参数误差的所述参数是在给定时间间隔内的

的平均值，或者是所述磁场分量和/或所述磁场的第i阶导数的空间梯度的全部或一部分。

15.根据权利要求1所述的方法，包括步骤(f)：由所述数据处理装置(21)根据所述物体(1)的测得角速度、所述磁场分量和/或磁场的第i阶导数、和/或所述物体(1)的任何测得线速度、以及校准参数的值来估计所述物体(1)的运动，其中所述物体(1)的定向在步骤(f)中仅作为所述物体(1)的测得角速度和校准参数值的函数来估计。

16.根据权利要求3所述的方法，其中，代表校准参数误差的所述参数是针对所述校准参数的确定值计算的所述第一表达式和所述第二表达式的值的函数。

17.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(c)和所述步骤(d)包括：根据代表校准参数误差的所述参数的值，以及自所述陀螺仪(11)上次校准以来的持续时间，来确定累积误差间隔，所述预定阈值取决于所述累积误差间隔。

18.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(b)和步骤(d)包括递归滤波器或优化的实施。

19.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(a)中获取的磁场分量和/或磁场的第i阶导数是测得分量，并且由一个或多个第一磁方程和一个或多个第二磁方程使用的那些分量是作为所述测得分量和所述磁性测量装置(20)的校准参数的函数的估计分量，所述步骤(b)和所述步骤(d)还包括确定所述磁性测量装置(20)的至少一个校准参数的值。

20.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一个或多个第一磁方程具有

的形式，并且所述一个或多个第二磁方程具有

的形式，其中，

是

的导数，

是所述磁场的n阶导数，

是所述磁场的n+1阶导数，n是使用的磁方程的阶数，ω是角速度，V是线速度，并且f_n和g_n是预定函数。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一磁方程是

并且所述第二磁方程是

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述第一表达式是

的函数，并且所述第二表达式是

的函数，其中，

是

的导数，

是所述磁场的估计分量的n阶导数，

是所述物体(1)的估计角速度，

是所述磁场的估计分量的n+1阶导数。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，代表校准参数误差的所述参数是在给定时间间隔内的

或

24.一种在环境磁场中运动的物体(1)，包括被配置为获取所述物体(1)的测得角速度的陀螺仪(11)，被配置为获取磁场的至少两个分量和/或磁场的第i阶导数的磁性测量装置(20)，其特征在于，所述物体(1)还包括数据处理装置(21)，所述数据处理装置(21)被配置为：

-确定所述陀螺仪(11)的至少一个校准参数的值，所述值使由所述物体(1)的估计角速度和关于磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第一磁方程所定义的第一表达式最小化，

ο所述物体(1)的估计角速度是测得角速度和所述陀螺仪(11)的校准参数的函数，并且

ο所述至少一个第一磁方程假设在所述磁性测量装置(20)处的磁场是均匀和稳定的；

-估计代表校准参数误差的参数。

25.根据权利要求24所述的物体，还包括附加获取装置(10)，所述附加获取装置(10)被配置为获取所述物体(1)的测得线速度，所述数据处理装置(21)还被配置为：如果代表误差的所述参数大于预定阈值，则重新确定所述陀螺仪(11)的至少一个校准参数的值，所述值使由所述物体(1)的估计角速度和关于所述测得线速度和磁场分量和/或磁场的第i阶导数的至少一个第二磁方程所定义的第二表达式最小化，所述至少一个第二磁方程仅假设在所述磁性测量装置(20)处的磁场是稳定的。

26.根据权利要求25所述的物体，其是具有车轮的车辆，所述附加获取装置(10)是被安装在所述车辆的车轮上的至少两个里程表。

27.一种计算机设备可读的存储装置，其上的计算机程序产品包括用于执行根据权利要求1至23中的一项所述的用于校准陀螺仪(11)的方法的代码指令。