CN112729295A - 具有寿命延长的高性能传感器的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有寿命延长的高性能传感器的系统”。本发明公开了一种系统，该系统包括用于提供准确的测量结果的高性能传感器和不太准确的至少一个相异传感器。该至少一个相异传感器为与该高性能传感器不同类型的传感器，同时提供与该高性能传感器相同类型的测量结果。该至少一个相异传感器具有比该高性能传感器更长的预期寿命。至少一个控制器被配置为在该系统启动时启动该高性能传感器和该至少一个相异传感器，以在选定的时间段之后关闭该高性能传感器，以及在该高性能传感器打开时基于该高性能传感器的测量结果输出测量数据以及当该高性能传感器关闭时基于该至少一个相异传感器输出该测量数据。

Description

具有寿命延长的高性能传感器的系统
背景技术
陀螺仪可用作导航辅助。陀螺仪测量取向和角速度。在飞机应用中，这些测量结果提供了用于在飞机横越通过其行进路径时安全操作飞机的重要信息。存在用于飞机导航的若干不同类型的陀螺仪。两种示例性类型包括环形激光陀螺仪(RLG)和微机电系统(MEMS)陀螺仪。RLG具有优异的运行间稳定性，但其预期寿命小于飞机的预期寿命。其他类型的传感器(诸如MEMS陀螺仪)具有良好的角随机游走(ARW)和良好的运行中偏置稳定性，但运行间稳定性较差。ARW是由于噪声而随时间积聚的速度误差。运行中偏置稳定性是在指定采样时间和平均时间间隔内计算的偏置的随机变化的量度。运行间(或打开间)稳定性是在至少由打开、关闭、时间变化和温度变化的影响引起的校准和内部补偿之后发生的残留输出误差。因此，目前无法通过任一技术类型来制造合适的寿命非常长的自对准陀螺仪系统。
发明内容
以下发明内容是以举例的方式而不是限制的方式作出的。提供发明内容的目的仅仅是有助于读者理解所述主题的一些方面。实施方案提供一种系统，该系统在系统操作期间在选定的时间选择性地结合有高性能传感器和至少一个相异传感器以延长高性能传感器的寿命。
在一个实施方案中，提供一种系统，该系统包括高性能传感器、至少一个相异传感器和至少一个控制器。该高性能传感器用于提供准确的测量结果。该至少一个相异传感器为与该高性能传感器不同类型的传感器，同时提供与该高性能传感器相同类型的测量结果。该至少一个相异传感器不如高性能传感器准确，并且具有比高性能传感器更长的预期寿命。该至少一个控制器与高性能传感器和至少一个相异传感器通信。该至少一个控制器被配置为在系统启动时起动高性能传感器和至少一个相异传感器。该至少一个控制器还被配置为在选定的时间段之后关闭高性能传感器。该至少一个控制器还被配置为在高性能传感器打开时基于高性能传感器的测量结果输出测量数据，以及当高性能传感器关闭时基于至少一个相异传感器输出测量数据。
在另一个示例性实施方案中，提供另一种陀螺仪系统，该陀螺仪系统包括用于提供速率/角度测量结果的环形激光陀螺仪(RLG)、多个相异传感器和至少一个控制器。每个相异传感器为也提供速率/角度测量结果的与RLG不同类型的传感器。该至少一个控制器与RLG和多个相异传感器通信。该至少一个控制器被配置为在陀螺仪系统启动时起动RLG和多个相异传感器。该至少一个控制器还被配置为在选定的时间段之后关闭RLG。该至少一个控制器还被配置为在RLG打开时基于RLG输出速率/角度测量结果，以及当RLG关闭时基于多个相异传感器输出速率/范围数据。该至少一个控制器还被配置为当RLG打开时确定RLG的输出和多个相异传感器之间的偏置误差，以及当RLG关闭时基于所确定的偏置误差校准来自多个相异传感器的速率/范围数据。
在又一实施方案中，提供一种操作陀螺仪系统的方法。该方法包括打开环形激光陀螺仪(RLG)和至少一个相异传感器，每个相异传感器为也提供速率/角度测量结果的与RLG不同类型的传感器；当RLG打开时使用RLG的速率/角度测量结果；确定与至少一个相异传感器的速率/角度测量结果相关联的偏置误差；将基于偏置误差的校准信息存储在存储器中；关闭RLG；以及基于所存储的校准信息来校准来自至少一个相异传感器的速率/角度测量结果。
附图说明
当根据具体实施方式和如下附图考虑时，实施方案可以更容易地理解并且实施方案的进一步的优点和用途将更为显而易见，在附图中：
图1是根据一个示例性实施方案的陀螺仪系统的框图；
图2示出了根据一个示例性实施方案的陀螺仪系统操作流程图；
图3示出了根据一个示例性实施方案的时序流程图；
图4示出了根据一个示例性实施方案的解决方案确定流程图；
图5是根据一个示例性实施方案的另一陀螺仪系统的框图；并且
图6示出了根据一个示例性实施方案的三元陀螺仪系统操作流程图。
根据惯例，各种所述的特征未按比例绘制，而是为了强调与所述主题相关的特定特征而绘制的。参考符号在所有附图和正文中表示类似的元件。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参照了附图，这些附图构成具体实施方式的一部分，并且在这些附图中，以说明的方式示出了可实施本发明的具体实施方案。对这些实施方案进行了充分详细地描述，以使本领域技术人员能够实施这些各种实施方案，并且应当理解，可以利用其他实施方案并且可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下进行变化。因此，以下具体实施方式不是限制性的，并且本发明的范围仅由权利要求书以及其等同物限定。
实施方案提供了改善高性能传感器的预期寿命的系统。本文所述的系统包括高性能传感器和至少一个相异传感器。该至少一个相异传感器提供与高性能传感器相同类型的测量结果，但通常不如高性能传感器准确。此外，至少一个相异传感器可具有比高性能传感器更长的预期寿命。在实施方案中，通过在车辆任务时段期间选择性地关闭高性能传感器来延长高性能传感器的预期寿命，其中可安全地使用来自至少一个相异传感器的测量结果。系统可结合到其中的车辆应用包括但不限于汽车、卡车、船、飞机、航天器等。本文所述的系统可应用于车辆中，其中车辆任务长于高性能传感器的预期寿命，或者其中车辆具有长于高性能传感器的预期寿命。
下文将实施方案描述为适用于陀螺仪系统的示例性实施方案，该陀螺仪系统在选定的时间选择性地结合有环形激光陀螺仪(RLG)(示例性高性能传感器)和至少一个其他相异传感器(诸如但不限于微机电系统(MEMS))，以延长RLG的寿命。具体地，在一些实施方案中，陀螺仪系统仅使用足够长的准确传感器(RLG)来克服其他相异传感器的运行间重复性问题。然后关闭RLG以限制RLG被使用的时间量。陀螺仪系统仅为可实现的系统的一个示例。任何需要高性能传感器的系统都可实现本文所述的系统，该高性能传感器的预期寿命小于相关联车辆的预期寿命或具有小于车辆任务的预期寿命。因此，实施方案不仅限于陀螺仪系统。
参见图1，示出了一个示例的陀螺仪系统100的框图。陀螺仪系统100被示出为包括控制器102、存储器110、RLG 104(高性能传感器)、多个相异传感器106-1至106-N、卡尔曼滤波器112、车辆控件114和时钟116。相异传感器106-1至106-N可为其他类型的陀螺仪，诸如MEMS陀螺仪，或提供取向和角速度信息的其他设备。车辆控件114可为车辆系统，其使用来自陀螺仪系统100的测量结果(一般描述为速率/角度测量结果)以基于来自陀螺仪系统100的速率/角度测量结果来至少显示或甚至控制车辆的各方面以用于导航原因。在一个示例性实施方案中，控制器102使用时钟116来至少跟踪RLG 104打开的时间。
一般来讲，控制器102可包括处理器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或等效的离散或集成逻辑电路中的任一个或多个。在一些示例性实施方案中，控制器102可包括多个部件，诸如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC、一个或多个FPGA以及其他离散或集成逻辑电路的任何组合。归因于本文的控制器102的功能可具体体现为软件、固件、硬件或它们的任何组合。控制器可以是系统控制器或部件控制器的一部分。存储器110可包括计算机可读操作指令，当这些指令由控制器执行时，该存储器提供陀螺仪系统100的功能。此类功能可包括打开和关闭RLG 104的功能，如下所述。可将计算机可读指令编码于存储器110内。存储器110可包括计算机可读存储介质，包括任何易失性、非易失性、磁性、光学或电介质，诸如但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存存储器、或任何其他存储介质。
图2示出了示例性实施方案的陀螺仪系统操作流程图200。流程图200作为一系列相继步骤而被提供。在其他实施方案中，顺序和甚至内容可不同。因此，实施方案不限于图2的示例性流程图中所示的序列和内容。
在陀螺仪系统操作流程图200中，该过程通过在框(202)处打开所有传感器设备来开始。所有传感器设备包括RLG 104和一般表示为106的相异传感器。然后，在陀螺仪系统实施方案中，控制器102从RLG 104和相异传感器106接收包括速率/角度测量结果的所有传感器或测量数据。基于存储在存储器110中的指令，在RLG 104打开时，在框(210)处，控制器102使用RLG数据的速率/角度测量结果作为主要测量数据。
此外，在框(206)处由控制器102计算N个相异传感器的偏置误差。在该示例性实施方案中，在框(208)处，将基于每个相异传感器106的偏置误差的补偿模型加载到存储器110上并且存储在其中。在一个实施方案中，补偿模型基于相异传感器106的测量输出与RLG104的测量输出的比较。在框(212)处，控制器102使用存储在存储器110中的补偿模块转换为使用相异传感器测量输出进行速率测量。然后在框(214)处切断RLG 104。
图3中示出了示例性实施方案的时序流程图300的一个示例。流程图300作为一系列相继步骤而被提供。在其他实施方案中，顺序和甚至内容可不同。因此，实施方案不限于图3的示例性流程图中所示的序列和内容。
在该示例性实施方案中，在框(302)处打开RLG 104和相异传感器。在框(304)处跟踪RLG打开的时间。一旦在框(306)处确定达到选定的时间，则在框(308)处关闭RLG 104。在一个实施方案中，该时间段为足够长以克服相异传感器106的运行间重复性问题的时段。
在一个实施方案中，在“一天”开始时打开相异传感器106和RLG 104。在启动时，RLG 104自对准并且提供数据以在选定的初始校准时间段内将相异传感器偏置校准至约0.002度/小时至0.003度/小时。例如，选定的时间段可以是操作的第一小时。然后切断RLG104，并且使用相异传感器106在“一天”中的剩余时间内进行导航。使用该系统，对于一天15小时，RLG 104的使用寿命可延长15倍。该系统不仅解决了相异传感器的逐运行偏置重复性问题(诸如MEMS逐运行偏置重复性问题)，而且延长了RLG 104的寿命。
在示例性实施方案中，可在RLG操作的选定的校准时段期间使用卡尔曼滤波器112来确定相异传感器106的偏置误差。此后，在“一天”中的剩余时间内使用基于所确定的偏置误差的来自相异传感器106的所校准(调整)的速率/角度测量结果，并且切断RLG 112。
此外，在实施方案中，可在某个时段内在任何时间打开RLG 104，以提供新的解决方案(更新校准信息)，从而向陀螺仪系统100添加容错或检测。这在图3的时序流程图中进一步示出。在框(310)处，确定在框(310)处是否需要新的解决方案。在一个实施方案中，对新解决方案的需要是对存储在存储器110中的新补偿模型(或校准信息)的需要，如上文在图2中所述。如果需要新的解决方案，则在框(312)处打开RLG 104。在框(314)处跟踪RLG104打开的时间。一旦在框(316)处确定达到选定的时间，就关闭RLG 104。RLG 104的操作时间可以是可变的，这取决于RLG 104的ARW和相异传感器所需的偏置不确定度水平。
在图4的解决方案确定流程图400中示出了卡尔曼滤波器的应用的一个示例。流程图400作为一系列相继步骤而被提供。在其他实施方案中，顺序和甚至内容可不同。因此，实施方案不限于图4的示例性流程图中所示的序列和内容。
该过程开始于框(402)，在该框处确定RLG 104是否打开。如果RLG打开，则该过程在框(404)处使用卡尔曼滤波器112来确定与相异传感器测量结果相关联的偏置误差。在框(406)处，将基于所确定的偏置误差的校准信息存储在存储器110中。如果RLG未如框(402)所确定的那样打开，则在框(408)处使用所存储的校准信息来从相异传感器生成速率/角度测量结果。
实施方案也可应用于如图5所示的传感器三元组。图5的传感器三元陀螺仪系统500示例。该陀螺仪系统500被示出为包括RLG三元组504、多个相异传感器三元组106-1至106-N、卡尔曼滤波器512、车辆控件514和时钟516。相异传感器三元组可为其他类型的陀螺仪三元组，包括提供取向和角速度信息的MEMS三元组。类似于图1的实施方案，该实施方案包括控制器502和存储器510，以至少执行上文关于图1所述的实施方案所述的功能。
图6示出了示例性实施方案的三元陀螺仪系统操作流程图600。流程图600作为一系列相继步骤而被提供。在其他实施方案中，顺序和甚至内容可不同。因此，实施方案不限于图2的示例性流程图中所示的序列和内容。
在陀螺仪系统操作流程图600中，该过程通过在框(602)处打开所有传感器设备而开始。所有传感器设备包括RLG三元组504和一般表示为506的相异传感器三元组。然后，控制器502从三元RLG 504和相异传感器三元组506接收包括速率/角度测量结果的所有传感器数据。在框(604)处，控制器502基于存储在存储器510中的指令，在框(610)处，在RLG 504打开时，控制器502使用RLG数据作为主要数据。
在框(606)处，控制器502计算N个相异传感器三元组的偏置误差。在框(608)处，将N个相异传感器三元组的偏置误差存储在存储器中。如上所述，在一个实施方案中，将基于偏置误差的校准信息存储在存储器中。在框(612)处，使用所计算的偏置误差来转换来自N个相异传感器三元组506的数据以供使用。然后在框(614)处关闭RLG三元组。然后，在RLG三元组504关闭时，由陀螺仪系统500使用来自N个相异传感器三元组506的所转换的测量结果。
示例性实施方案
实施例1为一种系统，该系统包括高性能传感器、至少一个相异传感器和至少一个控制器。该高性能传感器用于提供准确的测量结果。该至少一个相异传感器为与该高性能传感器不同类型的传感器，同时提供与该高性能传感器相同类型的测量结果。该至少一个相异传感器不如高性能传感器准确，并且具有比高性能传感器更长的预期寿命。该至少一个控制器与高性能传感器和至少一个相异传感器通信。该至少一个控制器被配置为在系统启动时起动高性能传感器和至少一个相异传感器。该至少一个控制器还被配置为在选定的时间段之后关闭高性能传感器。该至少一个控制器还被配置为在高性能传感器打开时基于高性能传感器的测量结果输出测量数据，以及当高性能传感器关闭时基于至少一个相异传感器输出测量数据。
实施例2包括根据实施例1所述的系统，其中高性能传感器的预期寿命小于以下至少一项：至少一个相异传感器的预期寿命；以及实现高性能传感器的车辆的任务。
实施例3包括根据实施例中任一项所述的系统，其中高性能传感器为环形激光陀螺仪(RLG)并且测量结果为速率/角度测量结果。
实施例4包括根据实施例3所述的系统，其中至少一个控制器还被配置为当RLG打开时确定RLG的速率/角度测量结果和至少一个相异传感器的速率/角度测量结果之间的偏置误差，以及当RLG关闭时使用所确定的偏置误差转换至少一个相异传感器的速率/角度测量结果。
实施例5包括根据实施例4所述的系统，还包括至少一个卡尔曼滤波器，该至少一个卡尔曼滤波器由至少一个控制器使用来确定偏置误差，该至少一个控制器被配置为当RLG关闭时使用来自卡尔曼滤波器的估计解决方案以及使用估计解决方案来校准至少一个相异传感器的输出。
实施例6包括根据实施例5所述的系统，还包括用于存储基于所确定的偏置误差的校准信息的存储器，该至少一个控制器与存储器通信。
实施例7包括根据实施例6所述的系统，其中至少一个控制器还被配置为周期性地打开RLG以更新校准信息。
实施例8包括根据实施例1至7所述的系统，还包括时钟。至少一个控制器与时钟通信以跟踪高性能传感器打开的时间。
实施例9包括根据实施例1至8中任一项所述的系统，其中选定的时间段是克服至少一个相异传感器的运行间重复性问题所需的时间。
实施例10是一种陀螺仪系统，该陀螺仪系统包括用于提供速率/角度测量结果的环形激光陀螺仪(RLG)、多个相异传感器和至少一个控制器。每个相异传感器为也提供速率/角度测量结果的与RLG不同类型的传感器。该至少一个控制器与RLG和多个相异传感器通信。该至少一个控制器被配置为在陀螺仪系统启动时起动RLG和多个相异传感器。该至少一个控制器还被配置为在选定的时间段之后关闭RLG。该至少一个控制器还被配置为在RLG打开时基于RLG输出速率/角度测量结果，以及当RLG关闭时基于多个相异传感器输出速率/范围数据。该至少一个控制器还被配置为当RLG打开时确定RLG的输出和多个相异传感器之间的偏置误差，以及当RLG关闭时基于所确定的偏置误差校准来自多个相异传感器的速率/范围数据。
实施例11包括根据实施例10所述的陀螺仪系统，还包括用于存储基于偏置误差确定的校准信息的存储器。至少一个控制器与存储器通信。
实施例12包括根据实施例10至11中任一项所述的陀螺仪系统，还包括时钟。至少一个控制器与时钟通信。至少一个控制器被配置为跟踪RLG打开的时间。
实施例13包括根据实施例10至12中任一项所述的陀螺仪系统，其中选定的时间段是克服至少一个相异传感器的运行间重复性问题所需的时间。
实施例14包括根据实施例10至13中任一项所述的陀螺仪系统，其中RLG为RLG三元组并且每个相异传感器为相异传感器三元组。
实施例15是一种操作陀螺仪系统的方法。该方法包括打开环形激光陀螺仪(RLG)和至少一个相异传感器，每个相异传感器为也提供速率/角度测量结果的与RLG不同类型的传感器；当RLG打开时使用RLG的速率/角度测量结果；确定与至少一个相异传感器的速率/角度测量结果相关联的偏置误差；将基于偏置误差的校准信息存储在存储器中；关闭RLG；以及基于所存储的校准信息来校准来自至少一个相异传感器的速率/角度测量结果。
实施例16包括根据实施例15所述的方法，还包括应用卡尔曼滤波器来确定与至少一个相异传感器的速率/角度测量结果相关联的偏置误差。
实施例17包括根据实施例案16所述的方法，其中卡尔曼滤波器使用来自RLG和至少一个相异传感器的速率/角度测量结果来确定偏置误差。
实施例18包括根据实施例15至17中任一项所述的方法，其中关闭RLG还包括在克服至少一个相异传感器的运行间重复性问题所需的选定的时间过去之后关闭RLG。
实施例19包括根据实施例15至18中任一项所述的方法，还包括重新打开RLG以更新校准信息。
实施例20包括根据实施例15至19中任一项所述的方法，其中RLG为RLG三元组并且至少一个相异传感器为至少一个相异传感器三元组。
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何修改或变型。因此，显而易见的是，本发明仅受权利要求书以及其等同物所限制。

Claims (3)

1.一种系统(100)，包括：
高性能传感器(104)，所述高性能传感器用于提供准确的测量结果；
至少一个相异传感器(106)，所述至少一个相异传感器(106)为与所述高性能传感器(104)不同类型的传感器，同时提供与所述高性能传感器(104)相同类型的测量结果，所述至少一个相异传感器(106)不如所述高性能传感器(104)准确；和
至少一个控制器(102)，所述至少一个控制器与所述高性能传感器(104)和所述至少一个相异传感器(106)通信，所述至少一个控制器(102)被配置为在所述系统(100)启动时起动所述高性能传感器(104)和所述至少一个相异传感器(106)，所述至少一个控制器(102)还被配置为选定的时间段之后关闭所述高性能传感器(104)，所述至少一个控制器(102)还被配置为在所述高性能传感器(104)打开时基于所述高性能传感器(104)的测量结果输出测量数据，以及当所述高性能传感器(104)断开时基于所述至少一个相异传感器(106)输出所述测量数据。
2.一种陀螺仪系统(100)，包括：
环形激光陀螺仪(RLG)(104)，所述环形激光陀螺仪用于提供速率/角度测量结果；
多个相异传感器(106)，每个相异传感器(106)为也提供速率/角度测量结果的与所述RLG(104)不同类型的传感器；和
至少一个控制器(102)，所述至少一个控制器与所述RLG(104)和所述多个相异传感器(106)通信，所述至少一个控制器(102)被配置为在所述陀螺仪系统(100)启动时起动所述RLG(104)和所述多个相异传感器(106)，所述至少一个控制器(102)还被配置为在选定的时间段之后关闭所述RLG(104)，所述至少一个控制器(102)还被配置为在所述RLG(104)打开时基于所述RLG(104)输出速率/角度测量结果以及当所述RLG(104)关闭时基于所述多个相异传感器(106)输出速率/范围数据，所述至少一个控制器(102)还被配置为当所述RLG(104)打开时确定所述RLG(104)的输出和所述多个相异传感器(106)之间的偏置误差以及当所述RLG(104)关闭时基于所确定的偏置误差校准来自所述多个相异传感器(106)的速率/角度测量结果。
3.一种操作陀螺仪系统(100)的方法，所述方法包括：
打开环形激光陀螺仪(RLG)(104)和至少一个相异传感器(106)，每个相异传感器(106)为也提供速率/角度测量结果的与所述RLG(104)不同类型的传感器；
当所述RLG(104)打开时，使用所述RLG(104)的所述速率/角度测量结果；
确定与所述至少一个相异传感器(106)的所述速率/角度测量结果相关联的偏置误差；
将基于所述偏置误差的校准信息存储在存储器(110)中；
关闭所述RLG(104)；以及
基于所存储的校准信息来校准来自所述至少一个相异传感器(106)的所述速率/角度测量结果。
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