CN117589163A - 多传感器组合导航方法及装置 - Google Patents

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CN117589163A CN202311800104.6A CN202311800104A CN117589163A CN 117589163 A CN117589163 A CN 117589163A CN 202311800104 A CN202311800104 A CN 202311800104A CN 117589163 A CN117589163 A CN 117589163A
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Abstract

本发明涉及多传感器组合导航方法及装置，所述方法包括：S1，接收来自IMU传感器的加速度计和陀螺仪的测量数据，以及来自振动感应开关传感器的脉冲信号；S2，根据所述脉冲信号，判断导航装置处于零速或运动状态；S3，记录并累积所述导航装置处于零速状态的时间段，且每个时间段均记录相应的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据；S4，当累积时长超过给定的阈值时，对所有时间段的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据求平均，确定零偏估计值；S5，修正所述加速度计和所述陀螺仪的零偏；S6，采用修正后的所述加速度计和所述陀螺仪进行定位解算。本发明可以提高在线标定的质量，经过在线标定修正的加速度计和陀螺仪可以实时保持较高的精度。

Description

多传感器组合导航方法及装置
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种多传感器组合导航方法及装置。
背景技术
惯性导航系统(Inertial navigation system,INS)具有自主性强、不受外界干扰等特点，能在复杂环境中提供连续的位置和姿态信息。近年来，基于微机电系统(Microelectromechanical system,MEMS)惯性测量单元(Inertial measurement unit,IMU)的惯性导航技术发展迅速。相比于常规惯性器件，MEMSIMU具有体积小、成本低、可靠性强、易于集成和数字化等特点，使其广泛应用于车载、机器人、无人机、智能手机、可穿戴式设备等领域。但是，由于MEMSIMU测量和加工精度都比传统惯性器件低很多，导航累积误差很大，因此，必须采取有效的辅助手段标定和修正误差。
零偏(bias)是所有的IMU传感器加速度计和陀螺仪都表现出的常值误差。在大多数情况下，零偏误差项是惯性仪表所有误差的主要成分。零偏虽然最终表现为一个数值，但其实际组成成分和影响因素有很多，包括常值零偏、温变零偏、零偏重复性、零偏稳定性、零偏加速度敏感性等：
(1)常值零偏：指加速度计和陀螺仪生产出来后就一直固定不变的零偏值。在MEMS中，可能是微机电结构中的带电质量块在电容板中的位置不准确所造成的。对于航空级、航海级等高性能惯性器件(IMU)而言，该误差会在出厂时进行标定和补偿；但对于低端MEMSIMU芯片来说，则不可能做逐个的标定和补偿，因此，常会存在deg/s(也可能是几十到几百deg/h甚至以上)量级的常值零偏。
(2)温变零偏：在传感器的工作范围内，MEMS加速度计的温变零偏可达几个mg，而MEMS陀螺仪的温变零偏每秒可达几度。
(3)零偏重复性：即零偏逐次上电重复性(run-to-run repeatability)，是指惯性器件不同次上电运行时的零偏的不重复程度。具体测量方法是在常温下将器件多次上电，测量和记录每次上电的零偏数值，然后统计其差异。
(4)零偏稳定性：反映MEMSIMU器件上电稳定后其零偏随时间变化的情况(这里指温度恒定情况下的零偏漂移，勿与温变零偏混淆)，产生的原因，主要是由于电子器件的闪变噪声(flicker noise)影响，导致零偏或者说偏置随时间游走。
(5)零偏加速度敏感性(g-sensitivity或linear acceleration effect)：陀螺的输出本来应该对加速度完全不敏感，但由于其敏感结构的加工误差等因素，因此会在一定程度上受到线加速度的影响。这种零偏误差只有在强动态载体上才会造成显著影响，而对于常见的车载、船载低动态载体往往可以忽略。需要注意的是，越是高灵敏度的MEMS陀螺，其微机械结构的敏感质量越大，因此其加速度敏感性往往会比较大。
表1中给出了不同精度IMU的加速度计和陀螺仪典型零偏。
表1不同等级IMU的加速度计和陀螺仪典型零偏
对于航海级、航空级等高性能IMU而言，会对常值零偏、温变零偏、零偏加速度敏感性等误差项进行仔细的出厂标定和补偿，而仅会剩余零偏重复性、零偏稳定性，以及经标定补偿之后的温变零偏等剩余误差项。对于高性能IMU，这些剩余误差项往往仅占到整个零偏项的10％。然而，对于一般消费级IMU而言，情况则完全不同。由于巨大的温变零偏、零偏重复性以及零偏稳定性误差，使得使用转台、恒温温箱等精密设备进行标定的意义已不大(因为残余的零偏误差项的量级对于导航应用而言仍然是不可接受的)。因此，对于低精度、消费级IMU而言，通常是与GNSS接收机等其他传感器组合，利用来自外部的其他测量数据或约束条件，对IMU零偏误差进行机会修正，克服零偏上电重复性的影响，限制零偏项随温度的变化和随时间的漂移，从而实现IMU在一定时间内的导航定位能力。
在众多的组合方式和约束条件中，零速修正(Zero velocity update,ZVU)是最有效的手段之一。所谓零速修正，就是利用IMU器件在随载体运动过程中出现的机会性的静置状态，将IMU的输出作为系统误差的关测量，从而对系统误差进行估计，显著改善导航精度。此外，在零速阶段，还可以通过测量取平均的方式，对IMU加速度计和陀螺仪零偏进行在线标定。由于在IMU随着载体运动和作业的过程中，能够不断利用ZVU机会进行零偏估计和标定，因此这种方式还能很好地消除消费级IMU传感器零偏稳定性和温变零偏项的影响。这种方法对于低精度消费级IMU传感器而言尤为实用。因此对于消费级IMU而言，提前进行标定的意义和作用不如高精度惯导那样大，因此不管是由于什么原因导致的加速度计和陀螺仪偏差，温变偏移也好、自身的不稳定性偏移也好，能将其整体估计出来即为最有效的处理方式。
为积累足够长的观测数据以消除随机误差影响，实际操作中一般要求车辆/机器人等载体出现10s(也可取其他时间)以上的零速静止状态时，才会通过上述取均值的方式进行IMU零偏估计。然而，在实际应用中，车辆/机器人等载体出现长时间静止状态的机会并不太多；而刻意要求载体进行长时间静止操作，又会极大影响用户体验。此外，在IMU传感器独立工作的情况下，也只能利用IMU自身观测数据来判断载体的运动状态。但这种判断方式需要的阈值通常由IMU传感器的性能以及工作环境来确定，存在很大的不确定性，因此检测准确率不太理想。以上这些实际困难，显著限制了对零速静止状态的有效利用，使得对IMU加速度计和陀螺仪零偏的在线标定频率和标定效果难以有效提升。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种多传感器组合导航方法及装置。
第一方面，本发明实施例提出一种多传感器组合导航方法，包括：
S1，接收来自IMU传感器的加速度计和陀螺仪的测量数据，以及来自振动感应开关传感器的脉冲信号；
S2，根据所述脉冲信号，判断导航装置处于零速或运动状态；
S3，记录并累积所述导航装置处于零速状态的时间段，且每个时间段均记录相应的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据；
S4，当累积时长超过给定的阈值时，对所有时间段的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据求平均，确定零偏估计值；
S5，修正所述加速度计和所述陀螺仪的零偏；
S6，采用修正后的所述加速度计和所述陀螺仪进行定位解算。
优选地，所述S2中：
使用一个长度为L的滑动窗口，检测来自所述脉冲信号中的脉冲数量n，当n小于给定的阈值N时认为处于零速状态，否则认为处于运动状态。
优选地，所述S3中：
所述处于零速状态的时间段，是多个离散的时间段。
优选地，所述S4中：
若所述导航装置设置在三维运动载体上，则还需要判断所述三维运动载体是否处于水平状态，判断方法包括通过俯仰角和横滚角粗略估计值判断，或者通过加速度计垂直轴方向上的测量值范围判断。
优选地，所述S5中：
采用如下公式修正：
式中，Ua为所述加速度计的原始测量值，Ba为所述加速度计的零偏估计值，A为经过零偏误差修正后的所述加速度计的测量值；Ug为所述陀螺仪的原始测量值，Bg为所述陀螺仪的零偏估计值，G为经过零偏误差修正后的所述陀螺仪的测量值。
优选地，所述S6中：
定位解算方法包括：
a.通过机械编排对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新；
b.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并将经修正后仍然残余的所述加速度计零偏项和所述陀螺仪零偏项作为状态量参数，在滤波器中进行估计和更新；
c.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并认为所述加速度计零偏和所述陀螺仪零偏已修正干净，将零偏状态量估计参数从滤波器中移除，不再进行估计和更新；
d.通过卡尔曼滤波器与GNSS、磁力计或其他传感器结合，通过所述多传感器组合导航方法，对组合导航系统进行位置、速度和姿态更新。
第二方面，本发明实施例提出一种多传感器组合导航装置，包括：
IMU传感器，包括加速度计和陀螺仪；
振动感应开关传感器。
优选地，所述IMU传感器与所述振动感应开关传感器刚性固定连接。
优选地，还包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被所述处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
本发明实施例的多传感器组合导航方法及装置，将多个离散的零速状态时间段所对应的加速度计和陀螺仪的测量数据分别记录下来，通过取平均值的方法获得加速度计和陀螺仪的零偏估计值，并根据相应原始测量值进行在线修正，从而提高了在线标定频率和标定效果，经过在线标定修正的加速度计和陀螺仪可以实时保持较高的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的多传感器组合导航装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的多传感器组合导航方法的流程示意图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
如图1所示，本发明的第一实施例提供一种多传感器组合导航装置，包括IMU传感器和振动感应开关传感器。其中，IMU传感器由加速度计和陀螺仪组成，用于测量和输出加速度计和陀螺仪测量数据，并进行机械编排和卡尔曼滤波定位解算；振动感应开关传感器与IMU传感器刚性固连，用于获取及输出振动感应脉冲信号。
如图2所示，本发明的第二实施例提供一种多传感器组合导航方法，可基于第一实施例的装置实现，该方法包括：
S1，接收来自IMU传感器的加速度计和陀螺仪的测量数据，以及来自振动感应开关传感器的脉冲信号。
振动感应开关传感器是一种感应振动力大小将感应结果传递到电路装置，并使电路启动工作的电子开关。其有时也被称为振动开关，或滑动开关。振动感应开关传感器的振动开关包括弹簧开关和滚珠开关两类。振动开关主要应用于电子玩具、小家电、运动器材以及各类防盗器产品中。振动开关因为拥有灵活且灵敏的触发性，成为许多电子产品不可或缺的电子元件。弹簧开关和滚珠开关这两类振动开关对本实施例而言都是适用的。两类开关都有两个比较重要的指标特性，灵敏度和方向性。弹簧开关的灵敏度是指不同的产品，在实际装置中会产生感应振动力大小不同的差异，此差异称为灵敏度。使用者会因为不同产品的需求，而选择不同感应振动力大小的振动开关来满足自己产品的匹配度。方向性是指受力方向，而受力方向粗略分为立体的六面。一般的产品只有灵敏度的要求而并没有方向性的要求。而滚珠开关与弹簧开关的最大区别在于，弹簧开关是感应振动力或离心力的大小，最好为直立使用，而滚珠开关是感应角度的变化，最好为平铺使用。滚珠开关的灵敏度，就是感应角度的大小，将感应结果传递到电路装置使电路启动。经过电子元器件设计水平与加工工艺的不断提升，当前的微型滚珠振动传感器已成为最为常用的振动传感器开关类型。它们通常采用贴片式设计，通过内部滚珠的接触来侦测环境动作，并使接触点间的接触电阻所产生的由高到低或由低到高的变化，可全方位感应振动，具备高感知、高灵敏的特点。产品在静止时通常是合闭或不合闭的，属于不工作的状态；产品在受到任何程度的动作影响时，就会有脉冲信号输出并开始唤醒电路，只要产生连续性动作产品就会不停地工作。此外，振动感应开关传感器是完全被动的，无需任何信号调节，只需要数十nA的电流即可运作，具有极低功耗的特征。
利用振动感应开关传感器检测载体静止状态，具备高频率、高灵敏度的优势，它能够同时适用于有轮(如车辆、机器人)和无轮(如无人机、轮船、行人)等载体，摆脱对IMU传感器测量精度和检测阈值确定的限制和依赖。
本实施例中的振动感应开关传感器需要与IMU传感器刚性固定连接，这样才能利用振动感应开关传感器所输出的脉冲信号来判断IMU传感器以及装置的运动状态。
振动感应开关与IMU传感器之间应该通过硬件或者软件的方式实现高精度的时间同步。
S2，根据所述脉冲信号，判断导航装置处于零速或运动状态。
对IMU传感器以及装置的零速静止状态判断，可通过检测振动开关传感器一段时间内所输出的脉冲信号的数量来确定。
具体地，使用一个长度为L的滑动窗口，来检测振动开关传感器在该窗口长度内所输出的脉冲数量(记为n)。同时，设定一个阈值N，当n<N时，即认为此时少量的脉冲信号是由于振动干扰而不是运动所引起的，此时装置处于零速状态。如果检测到装置在该窗口长度范围内静止，则该窗口继续向前滑动并进行检测，从而达到延长零速静止状态时长的目的。
反之，若n≥N，则认为此时装置处于运动状态。随后，窗口继续向前滑动并重新进行检测，以判断装置在新的窗口范围内是否处于零速静止状态。
S3，记录并累积所述导航装置处于零速状态的时间段，且每个时间段均记录相应的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据。
累积并记录所述装置处于零速状态的时间段，记其累积时长为∑t。即有：
∑t＝t1+t2+…t
其中，t1,t2,…,tk分别代表第1时间段、第2时间段…第k时间段装置处于零速状态的时间。此外，虽然式中的下标1,2,…,k是连续的，但这些时间段是不连续的，它们之间可以是离散的。
同时，存储与这些时间段相对应的加速度计和陀螺仪的测量数据。
S4，当累积时长超过给定的阈值时，对所有时间段的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据求平均，确定零偏估计值。
当累积时长∑t大于某一设定阈值T，即∑t≥T时，则认为零速静止状态的累积时长已经足够，可以通过取均值的方式有效消除噪声影响。
在载体的实际运动中，如果刻意规定和要求载体定期或者不定期地进行长时间的静止操作(如10秒甚至更长时间以上)是不现实的，会极大影响用户使用体验和工作效率。因此，通过将这些“时间片段”进行累积的方式，可以起到聚少成多、聚零为整的作用。虽然每个小的零速静止时间段的时长可能较短、达不到理想的长度要求，但是将其进行分段累加，即可在不影响用户作用、用户无感的前提下，获得足够长度的零速静止时间，实现与一次性长时间静止相同的效果。
对于车辆、机器人等平面运动载体，一般可认为其大多数情况下在近似水平面上运动。理论上，加速度计在静止水平状态下的三轴输出为[0,0,g]T(假设Z轴垂直向下)，陀螺仪在静止水平状态下的三轴输出为[0,0,0]T(对于低精度消费级IMU而言，可以忽略地球自转效应的影响)。因此，可以通过对零速静态累积时间∑t内的加速度计和陀螺仪三轴测量数据取平均，并与理论真值进行比较，得到加速度计零偏估计值Ba和陀螺仪零偏估计值Bg。
对于无人机等三维运动载体而言，由于其可能不经常处于近似水平的状态，因此还需要通过俯仰角和横滚角粗略估计值(利用未经修正的加速度计和陀螺仪测量数据计算得到)，或者加速度计垂直轴方向上的测量值范围(是否在1个g附近)等方法，事先判断其是否处于近似水平的状态。如果载体处于明显非水平的状态，会给零偏的估计和标定带来较大误差，影响方法的效果。
S5，修正所述加速度计和所述陀螺仪的零偏。
在获得加速度计零偏估计值Ba和陀螺仪零偏估计值Bg后，即可对加速度计和陀螺仪原始测量值进行修正，如下式所示：
式中，Ua为所述加速度计的原始测量值，Ba为所述加速度计的零偏估计值，A为经过零偏误差修正后的所述加速度计的测量值；Ug为所述陀螺仪的原始测量值，Bg为所述陀螺仪的零偏估计值，G为经过零偏误差修正后的所述陀螺仪的测量值。
S6，采用修正后的所述加速度计和所述陀螺仪进行定位解算。
可利用经过零偏误差修正后的加速度计测量值A和陀螺仪测量值G，进行惯性定位解算。更具体地，主要可以采用以下几种方式，进行惯性导航处理：
a.通过机械编排对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新。
b.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并将经修正后仍然残余的所述加速度计零偏项和所述陀螺仪零偏项作为状态量参数，在滤波器中进行估计和更新。
c.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并认为所述加速度计零偏和所述陀螺仪零偏已修正干净，将零偏状态量估计参数从滤波器中移除，不再进行估计和更新。
d.通过卡尔曼滤波器与GNSS、磁力计或其他传感器结合，通过所述多传感器组合导航方法，对组合导航系统进行位置、速度和姿态更新。
综上所述，本发明实施例的多传感器组合导航方法及装置，将多个离散的零速状态时间段所对应的加速度计和陀螺仪的测量数据分别记录下来，通过取平均值的方法获得加速度计和陀螺仪的零偏估计值，并根据相应原始测量值进行在线修正，从而提高了在线标定频率和标定效果，经过在线标定修正的加速度计和陀螺仪可以实时保持较高的精度。
本领域技术人员应当明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(或设备)或计算机程序产品。因此，本申请可以采用完全硬件实施例，完全软件实施例，或是结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、装置(或设备)和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程。这些计算机程序指令可以存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现流程图一个流程或多个流程中的指定功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多传感器组合导航方法，其特征在于，包括：
S1，接收来自IMU传感器的加速度计和陀螺仪的测量数据，以及来自振动感应开关传感器的脉冲信号；
S2，根据所述脉冲信号，判断导航装置处于零速或运动状态；
S3，记录并累积所述导航装置处于零速状态的时间段，且每个时间段均记录相应的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据；
S4，当累积时长超过给定的阈值时，对所有时间段的所述加速度计和所述陀螺仪的测量数据求平均，确定零偏估计值；
S5，修正所述加速度计和所述陀螺仪的零偏；
S6，采用修正后的所述加速度计和所述陀螺仪进行定位解算。
2.根据权利要求1所述的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述S2中：
使用一个长度为L的滑动窗口，检测来自所述脉冲信号中的脉冲数量n，当n小于给定的阈值N时认为处于零速状态，否则认为处于运动状态。
3.根据权利要求1所述的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述S3中：
所述处于零速状态的时间段，是多个离散的时间段。
4.根据权利要求1所述的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述S4中：
若所述导航装置设置在三维运动载体上，则还需要判断所述三维运动载体是否处于水平状态，判断方法包括通过俯仰角和横滚角粗略估计值判断，或者通过加速度计垂直轴方向上的测量值范围判断。
5.根据权利要求1所述的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述S5中：
采用如下公式修正：
式中，Ua为所述加速度计的原始测量值，Ba为所述加速度计的零偏估计值，A为经过零偏误差修正后的所述加速度计的测量值；Ug为所述陀螺仪的原始测量值，Bg为所述陀螺仪的零偏估计值，G为经过零偏误差修正后的所述陀螺仪的测量值。
6.根据权利要求1所述的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述S6中：
定位解算方法包括：
a.通过机械编排对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新；
b.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并将经修正后仍然残余的所述加速度计零偏项和所述陀螺仪零偏项作为状态量参数，在滤波器中进行估计和更新；
c.通过卡尔曼滤波器对所述IMU传感器进行位置、速度和姿态的更新，并认为所述加速度计零偏和所述陀螺仪零偏已修正干净，将零偏状态量估计参数从滤波器中移除，不再进行估计和更新；
d.通过卡尔曼滤波器与GNSS、磁力计或其他传感器结合，通过所述多传感器组合导航方法，对组合导航系统进行位置、速度和姿态更新。
7.一种多传感器组合导航装置，其特征在于，包括：
IMU传感器，包括加速度计和陀螺仪；
振动感应开关传感器。
8.根据权利要求7所述的多传感器组合导航装置，其特征在于，所述IMU传感器与所述振动感应开关传感器刚性固定连接。
9.根据权利要求7所述的多传感器组合导航装置，其特征在于，还包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被所述处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
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CN117705091A (zh) * 2024-02-05 2024-03-15 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法

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CN117705091B (zh) * 2024-02-05 2024-04-16 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法

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