CN113167910A

CN113167910A - 一种用于估算车辆的姿态的方法

Info

Publication number: CN113167910A
Application number: CN201980080763.2A
Authority: CN
Inventors: 埃德温·瓦特森
Original assignee: Volvo Truck Corp
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-07-23
Also published as: EP3894899A1; WO2020120177A1; US20220026588A1

Abstract

本发明涉及一种用于通过使用具有多个卫星(2010，2020，2030，2040)的全球导航卫星系统GNSS(2000)来估算车辆(1000)的姿态(A)的方法，其中，车辆至少包括彼此具有间隔(d)的第一天线(1200)和第二天线(1210)，该方法包括以下步骤：检测所述车辆正在移动且未转弯，并且使用GNSS获取航向；使用所述航向和间隔(d)来计算与天线的相对位置矢量对应的整周模糊度固定解；确定车辆的姿态，包括通过分析关于相对位置矢量的残差来验证从GNSS获取的姿态的候选值。

Description

一种用于估算车辆的姿态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用全球导航卫星系统来估算车辆的姿态的方法。

本发明可以应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管将相对于卡车描述本发明，但是本发明不限于该特定车辆，而是也可以用在诸如机动车辆的其他车辆中。

背景技术

当代的车辆定位解决方案正在使用全球导航卫星系统(GNSS)，以便获取关于所述车辆的航向信息。然而，通常仅在所述车辆移动时才提供航向信息。

此外，全球导航卫星系统信息通常与至少一个惯性测量单元(IMU)的信息或其他车辆数据相结合，以增加所述航向信息的可用性。然而，这仅在所述车辆首次移动时才是可能的。此外，这也受到传感器校准问题的影响，其中，未准确校准的传感器将导致所述信息偏移，即，变得不准确。

此外，全球导航卫星系统还存在提供天线的所述航向信息(与所述车辆的姿态，例如方向不同)的问题。

解决上述问题的一种选择是结合全球导航卫星系统航向信息、惯性测量单元数据、车速和轴距(以及由此的滑移角)来计算所述车辆的姿态而不是天线航向。然而，这是有挑战性的，因为难以估算具有动态几何形状和特性，诸如可升降的后轴、不同的负载条件等的车辆，特别是卡车的有效轴距。

J.Pinchin等人，“Precise Kinematic Positioning Using Single FrequencyGPS Receivers and an Integer Ambiguity Constraint(使用单频GPS接收器和整周模糊度约束的精确运动定位)”，IEEE/ION PLANS期刊2008，第600-605页(XP056006728)，公开了一种用于基线约束的GNSS姿态测量的系统。

N.Parikh等人，“Implementation of a Least Mean Square Approach for aLow-Cost Short Baseline Attitude Determination(用于低成本短基线姿态确定的最小均方方法的实现方式)”，ION GNSS期刊2007，第818-826页(XP056010162)，公开了使用基线为1米的量级的GNSS传感器进行基线约束姿态估算的另一种方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于估算车辆的姿态的方法，该方法提供准确的车辆姿态。

该目的通过根据权利要求1的方法来实现。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于通过使用具有多个卫星的全球导航卫星系统来估算车辆的姿态的方法来实现，其中，该车辆至少包括彼此具有间隔的第一天线和第二天线，该方法包括以下步骤：检测所述车辆正在移动且未转弯，并且使用GNSS获取天线中的至少一个的航向；使用所述航向和所述第一天线和第二天线的间隔来计算与所述第一天线和第二天线的相对位置矢量对应的整周模糊度固定解(integer ambiguityfix)；以及确定车辆的姿态，包括通过分析关于相对位置矢量的残差来验证从GNS获取的姿态的候选值。

因此，提出了一种方法，其中，具有两个天线的车辆用于估算所述车辆的姿态，特别是通过使用相对位置矢量和所述天线的所述间隔来估算所述车辆的姿态。

特别地，提供了一种使用双差的方法。通过将两个全球导航卫星系统天线，并且特别是两个全球导航卫星系统接收器放置在提供原始卫星可观测数据的所述车辆上，能够应用实时运动学(RTK)算法来查找天线的相对位置，从而能够计算所述车辆的姿态。此外，只要已知用于所述天线的实时运动学整周模糊度固定解，就可能计算固定解，即使在卡车静止时也可以如此。

所提供的方法的优点是在已知的全球导航卫星系统接收器不可用的情况下计算车辆的姿态，特别是通过利用两个天线，例如所述车辆上的两个全球导航卫星系统天线来计算车辆的姿态。

在一个示例中，当所述车辆正在移动且未转弯时，例如所述车辆的偏航率等于零，所述车辆的姿态等于所述天线的移动方向(GNSS航向)。已知这一点以及所述天线的间隔，可以计算整周模糊度固定解。一旦评估可能候选，就可以通过分析所述相对位置计算的残差来验证所述候选。例如，通过以下步骤：1)所述车辆是否以足够高的速度移动以提供准确的GNSS航向？2)所述车辆当前是否未转弯(偏航率＝0)？3)使用当前GNSS航向和已知的天线的间隔来计算所述天线的所述相对位置。另外，如果可用使用侧倾估算或假定侧倾为零。4)基于相对位置估算来计算用于RTK固定解的所述整周模糊度。5)使用模糊度候选计算所述相对位置，并使用残差来验证解。6)使用已知属性(残差、间隔、侧倾、GNSS航向等)来验证解。

在另一示例中，检测出所述车辆正在移动且未转弯的步骤包括以下步骤：估算所述车辆的移动速度。

优选地，经由车辆传感器，例如通过至少一个轮速传感器来估算移动速度。

在优选实施例中，检测所述车辆正在移动且未转弯的步骤还包括以下步骤：估算所述车辆的偏航率。

因此，偏航率用于确定所述车辆是否转弯。

在优选实施例中，该方法进一步包括以下步骤：存储整周模糊度固定解，特别是天线的整周模糊度固定解。

优选地，数据被存储在存储器或存储装置中。优选地，所存储的数据至少包括实时运动学整周模糊度固定解。

特别地，所述整周模糊度固定解被存储以在固定解有效时使用，优选地直到失去锁相为止。因此，所述整周模糊度优选地不被存储到持久性存储器中。

因此，所提出的方法也可以在所述车辆静止时使用，特别是通过使用所述存储的数据。

在更优选的实施例中，估算在所述车辆静止时所述车辆的姿态，特别是通过使用所述存储的整周模糊度固定解来估算在所述车辆静止时所述车辆的姿态。

在另一实施例中，该方法还包括以下步骤：为姿态的可能候选值定义搜索空间，并相对于相对位置矢量评估搜索空间内的所有可能候选。

优选地，基于GNSS航向的不确定性定义用于可能候选的搜索空间，而GNSS航向的不确定性又基于卫星的数量、车速和偏航率。

然后，将GNSS航向与已知的天线间隔一起使用，以估算相对位置不确定性。

然后，相对位置不确定性可以用于为每个卫星定义要被包括在搜索空间中的潜在模糊度因素。

因此，所提出的方法不是评估所述搜索空间内的一个候选，特别是由所估算的不确定性定义的，而是评估所有可能候选。

特别地，有一些因素可能影响查找正确固定解的可能性。包括不知道所述车辆的侧倾或偏航率信息中的不准确性，例如通过传感器误差。然而，定义搜索空间可以克服此问题。

根据本发明的第二方面，该目的通过一种包括程序代码装置的计算机程序来实现，当所述程序在计算机上运行时，该程序代码装置用于执行上文或下文描述的所述方法的步骤。

根据本发明的第三方面，该目的通过一种承载计算机程序的计算机可读介质来实现，该计算机程序包括程序代码装置，当所述程序产品在计算机上运行时，该程序代码装置用于执行上文或下文描述的所述方法的步骤。

根据本发明的第四方面，该目的通过一种用于估算车辆的姿态的估算单元来实现，其中，该估算单元被配置成执行上文或下文描述的所述方法的步骤。

根据本发明的第五方面，该目的通过一种用于车辆的移动估算装置来实现，其中，该移动估算装置可选地包括计算机以及以下各项中的至少一项：上文或下文描述的计算机程序；上文或下文描述的计算机可读介质；上文或下文描述的估算单元。

根据本发明的第六方面，该目的通过一种包括上文或下文描述的移动估算装置的车辆来实现。

在一个实施例中，所述车辆进一步至少包括第一天线和第二天线，以用于与全球导航卫星系统通信，特别是提供原始卫星可观测数据。

在优选实施例中，所述车辆还至少包括第一接收器和第二对应接收器，以用于与全球导航卫星系统通信。

在更优选的实施例中，所述车辆还包括具有至少一个移动速度传感器的至少一个移动速度估算单元。优选地，所述车辆还包括至少一个偏航率估算单元。

因此，所述车辆包括至少一个传感器，该至少一个传感器获取所述车辆正在移动且未转弯。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在附图中：

图1示出了具有两个天线的车辆，该两个天线与全球导航卫星系统交互，以便估算所述车辆的姿态；

图2以俯视图示出了具有两个天线的车辆；

图3示出了根据本发明的方法的实施例；以及

图4示出了根据本发明的方法的优选实施例。

根据结合附图考虑的以下详细描述，本文实施例的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅是出于说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义，对此应参考所附的权利要求书。应当进一步理解，附图不一定按比例绘制，并且除非另外指出，否则它们仅旨在概念性地图示本文所述的结构和过程。

具体实施方式

图1示出了车辆1000，特别是卡车，其具有姿态A并经由第一天线1200和第二天线1210与全球导航卫星系统2000交互，以便获取所述车辆1000的所述姿态A。

因此，所述车辆至少包括彼此具有间隔d的第一天线1200和第二天线1210，以用于与全球导航卫星系统2000通信。在优选实施例中，所述车辆1000还包括两个接收器，以用于与全球导航卫星系统2000通信。

此外，所述车辆1000还包括移动估算装置1100和移动速度估算单元1300。

所述移动估算装置1100包括计算机程序1110、计算机可读介质1120和估算单元1130。

所述移动估算装置1100还适于执行所述上文或下文描述的用于估算所述车辆1000的姿态A的方法100。

特别地，所述移动估算装置1100被连接到所述天线1200、1210和所述移动速度估算单元1300。

优选地，所述天线1200、1210被安装在所述车辆1000的车顶处，并且移动速度估算单元1300包括移动速度传感器1310，该移动速度传感器被布置成用于估算所述车辆1000的至少一个车轮的角速度。

所述全球导航卫星系统2000包括至少多个卫星2010、2020、2030、2040，其，特别是经由信号S₁、S₁'、S₂、S₂'、S₃、S₃'、S₄、S₄'，与所述车辆1000的所述天线1200、1210交互。

因此，所述车辆1000经由所述天线1200、1210适于双差。

在图3和/或图4中提出了一种估算所述车辆1000的所述姿态A的方式。

图2以俯视图，特别是在图1中的所述车辆1000的俯视图，示出了具有两个天线1200、1210的车辆1000。

所述车辆1000具有姿态A，并且所述天线1200、1210被安装在所述车辆1000的车顶处，彼此具有间隔d。优选地，所述天线1200、1210被安装在所述车顶处，使得所述间隔d与所述姿态A成直角。

图3示出了用于估算车辆，优选地为如图1和/或图2所示的卡车的姿态的方法100的实施例。

方法100包括以下步骤：检测所述车辆正在移动且未转弯110；计算整周模糊度固定解120；以及验证整周模糊度固定解130。

在第一步骤110中，检测所述车辆的移动以及所述车辆是否转弯。如果所述车辆未转弯并且所述车辆的移动速度足够高以提供准确的GNSS航向，则开始第二步骤。

在第二步骤120中，计算整周模糊度固定解，特别是通过使用相对位置计算以及所述第一天线和第二天线的间隔，特别是如图1和/或图2所示的所述车辆的所述天线的间隔，来计算整周模糊度固定解。

在第三步骤130中，验证整周模糊度固定解，特别是通过分析相对位置计算的残差来验证整周模糊度固定解，如在所述第二步骤120中提到的。

继续参考图3，将描述用于估算车辆，优选地为如图1和/或图2所示的卡车的姿态的方法100的替代实施例。

方法100包括以下步骤：检测所述车辆正在移动且未转弯，并且获取至少一个天线110的航向；计算与第一天线和第二天线120的相对位置矢量对应的整周模糊度固定解；以及使用整周模糊度固定解130确定车辆的姿态。

在第一步骤110中，检测所述车辆的移动以及所述车辆是否转弯。如果所述车辆未转弯并且所述车辆的移动速度足够高以提供准确的GNSS航向，则针对至少一个天线获取航向v。(很明显，GNSS航向可以是车辆的姿态A的近似。然而，为了以更提高的准确度估算姿态A，此方法100使用GNSS航向作为多个输入之一。)然后启动第二步骤。

在第二步骤120中，估算满足r₁₂₁₀＝r₁₂₀₀+D的相对位置矢量D，其中，r₁₂₀₀、r₁₂₁₀是第一天线1200和第二天线1210的位置矢量。相对位置矢量D的估算D^*将用于导出整周模糊度固定解。

在第三步骤130中，确定车辆的姿态A，其中，通过分析关于所估算的相对位置矢量估算D^*的残差来验证从GNSS获取的姿态的候选值，将其应用于查找整周模糊度固定解。估算D^*对应于每个GNSS卫星2010、2020、2030、2040的波长数，在第一天线1200和第二天线1210处接收的数据的双差比较中，将通过该波长数来校正载波相位测量。校正可以被称为整周模糊度固定解。

整周模糊度估算可以包括解决约束优化问题，如P.Teunissen，“The least-squares ambiguity decorrelation adjustment:a method for fast GPS integerambiguity estimation(最小二乘模糊度去相关调整：一种用于快速GPS整周模糊度估算的方法)”，《大地测量学》，70，65-82，1995中所述。

验证可以可替代地应用LAMBDA方法，如以上引用的XP056006728或XP056010162中所述。其中公开的比率测试可以包括应用阈值，将其与计算出的整周残差比率进行比较。阈值可以是取决于载波相位测量的预期噪声的数值。可替代地或附加地，可能需要对于诸如3-5个样本的几个连续样本满足阈值。

特别地，第三步骤130可以包括最小化

整周三元组的空间，上的目标函数，其中，目标函数包括表达D^*，基于GNSS航向的相对位置矢量的估算，与

从代表第一天线1200和第二天线1210的GNSS位置矢量候选中演算出的相对位置矢量的偏移估算，之间的差的项。这样的目标函数将不利于与基于GNSS航向的相对位置矢量的估算不兼容的任何GNSS位置矢量候选。相反，目标函数将倾向于验证与D^*高度吻合的位置矢量候选。经验证的位置矢量候选通常是用于确定车辆的姿态A的有用基础。

可替代地，第三步骤130可以通过修改在2017年奥本大学S.M.Martin的博士学位论文“GPS carrier phase tracking in difficult environments using vectortracking for precise positioning and vehicle attitude estimation(在困难环境中使用矢量跟踪进行精确定位和车辆姿态估算的GPS载波相位跟踪)”中公开的方法来实现，其中，卡尔曼滤波器用于估算载波模糊度的低精度浮点估算。根据该参考文献，在卡尔曼滤波器中，通过包括对两个天线之间的距离的低不确定性的测量，可以改进浮点估算；该距离的残差(基线残差)作为一个新分量被附加到卡尔曼滤波器的测量矢量。本发明使得两个天线1200、1210之间的相对位置矢量的估算D^*可用，从而可以将三个新分量添加到卡尔曼滤波器的测量矢量；这可能显著提高马丁方法的准确性。

至少当GNSS航向具有比GNSS位置矢量候选更好的准确性时，本方法是有效的。由于GNSS航向是从多个GNSS测量中演算出的，所以在广泛的情况下都可以满足此条件。因此，可以使用现有技术的方法，例如通过在车辆1000的匀速移动期间读取市售GNSS接收器的输出来获取GNSS航向。

关于第二步骤120，以下是一种基于GNSS航向v确定D^*，相对位置矢量的估算的可能的方法。真实的相对位置矢量D满足：

|D|＝d (1)

D⊥e_z (2)

D⊥v (3)

其中，e_z表示局部东北向上(ENU)参考系的基本矢量。条件(1)表达已知的间隔距离。当天线处于相同高度时，无论车辆的俯仰如何，条件(2)对于零侧倾都成立。当间隔与姿态A成直角且车辆未转弯时，条件(3)成立。满足条件(1)、(2)和(3)的估算为：

其中，×表示矢量积。该估算可以用于查找用于确定姿态A的整周模糊度固定解。

在此，已经假设使用了来自第一天线1200或第二天线1210的一个GNSS航向。在该方法的变型中，可以使用两个GNSS航向v₁、v₂来查找整周模糊度固定解。例如，两个GNSS航向的平均

可以用于演算D^*。可替代地，基于相应GNSS航向v₁、v₂演算两个单独的估算

并且将两者的平均

馈送给至第三步骤130。进一步可替代地，演算两个单独的估算

并且关于每个估算的差被包括在目标函数中。

方法100的通用形式也可以在条件(3)不适用的情况下执行。如果第一线1200和第二天线1210被安装成使得真实的相对位置矢量D相对于车辆的侧向方向相差角度α，则将根据以上等式的D^*向后旋转，即，相对于e_z旋转角度-α。这通过ENU参考系中的D^*的以下表达式解释：

D^*的第一简化表达式与特殊情况α＝0相对应。

只要GNSS接收器保持锁相，载波模糊度就保持恒定；整周模糊度固定解在此期间内有效。因此，方法100可以包括将在第三步骤130之后可用的整周模糊度固定解存储在存储器中的附加步骤。即使在车辆1000已经移动到不同的位置和/或方位之后，也可以使用所存储的数据以便稍后估算姿态A。这样，可以在没有新的GNSS航向可用的情况下，例如在慢速行驶、大量操纵、倒车期间或在车辆1000静止时的情况，执行稍后的姿态估算。可以检索所存储的整周模糊度固定解，并将其用于在这些情况的每一种中估算姿态A的目的。

图4示出了用于估算车辆，优选为如图1和/或图2所示的卡车的姿态的方法100的优选实施例。

在第一步骤中，检测所述车辆的移动以及所述车辆是否转弯。如果所述车辆未转弯并且所述车辆的移动速度足够高以提供准确的GNSS航向，则开始第二步骤。

第一步还包括：估算所述车辆(112)的移动速度并且估算所述车辆(114)的偏航率。

在第二步骤120中，计算整周模糊度固定解，特别是通过使用相对位置计算以及所述第一天线和第二天线的间隔，特别是如图1和/或图2所示的所述车辆的所述天线的间隔来计算整周模糊度固定解。

第二步骤还包括计算，其中，至少计算和/或估算所述天线(1200、1210)的相对位置。为此，可以定义搜索空间(160)以便获取整周模糊度固定解的多个可能候选。优选地，该步骤还包括：评估搜索空间内的所有可能候选。

之后，在第四步骤140中，可以将经验证的整周模糊度固定解存储在存储器中。

然后可以在第五步骤150中使用所存储的数据，其中，估算所述车辆的姿态，特别是通过使用所存储的经验证的整周模糊度固定解来估算所述车辆的姿态，即使在所述车辆静止时也可如此。

以上已经主要参考一些实施例描述了本公开的各方面。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在所附权利要求书所限定的本发明的范围内，除以上公开的实施例以外的其他实施例同样是可能的。

Claims

1.一种用于估算车辆(1000)的姿态(A)的方法(100)，所述方法通过使用具有多个卫星(2010、2020、2030、2040)的全球导航卫星系统GNSS(2000)来估算车辆(1000)的姿态(A)，其中，所述车辆至少包括彼此具有间隔(d)的第一天线(1200)和第二天线(1210)，其特征在于以下步骤：

-检测(110)所述车辆正在移动且未转弯，并且使用所述GNSS获取所述天线中的至少一个的航向；

-使用所述航向和所述第一天线(1200)与所述第二天线(1210)之间的所述间隔(d)来计算(120)与所述第一天线和所述第二天线的相对位置矢量对应的整周模糊度固定解；

-确定(130)所述车辆的所述姿态，包括通过分析关于所述相对位置矢量的残差来验证从所述GNSS获取的所述姿态的候选值。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述确定(130)所述车辆的所述姿态包括分析整周残差。

3.根据权利要求2所述的方法(100)，其中，所述确定(130)所述车辆的所述姿态包括应用取决于测量的预期噪声的阈值。

4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中，所述确定(130)所述车辆的所述姿态包括需要对于多个连续样本满足所述阈值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中，

-检测(110)所述车辆正在移动且未转弯包括以下步骤：

-估算所述车辆的移动速度(112)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中，

-检测(110)所述车辆正在移动且未转弯包括以下步骤：

-估算所述车辆的偏航率(114)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，进一步包括以下步骤：

-存储计算出的整周模糊度固定解(140)。

8.根据权利要求7所述的方法(100)，进一步包括以下步骤：

-通过使用所存储的计算出的整周模糊度固定解来估算在所述车辆静止时所述车辆的姿态(A)(150)。

9.根据前述权利要求中的一项所述的方法(100)，进一步包括以下步骤：

-定义(160)用于所述姿态的可能候选值的搜索空间，并相对于所述相对位置矢量评估所述搜索空间内的所有可能候选。

10.一种包括程序代码装置的计算机程序(1110)，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码装置用于执行权利要求1至9中任一项所述的步骤。

11.一种承载计算机程序的计算机可读介质(1120)，所述计算机程序包括程序代码装置，当所述程序产品在计算机上运行时，所述程序代码装置用于执行权利要求1至9中任一项所述的步骤。

12.一种用于估算车辆的姿态(A)的估算单元(1130)，所述估算单元被配置成执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。

13.一种用于车辆的移动估算装置(1100)，其特征在于，所述移动估算装置可选地包括计算机和以下各项中的至少一项：

-根据权利要求10所述的计算机程序(1110)，

-根据权利要求11所述的计算机可读介质(1120)

-根据权利要求12所述的估算单元(1130)。

14.一种包括根据权利要求13所述的移动估算装置(1100)的车辆(1000)。

15.根据权利要求14所述的车辆(1000)，进一步包括至少第一天线(1200)和第二天线(1210)，用于与全球导航卫星系统(2000)通信，特别是提供原始卫星可观测数据。

16.根据权利要求14或15所述的车辆(1000)，进一步包括具有至少一个移动速度传感器(1310)的至少一个移动速度估算单元(1300)。