CN117848329A - 一种惯性传感器装置及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及定位技术领域，尤其涉及一种惯性传感器装置及车辆，装置包括：第一类型惯性传感器和N个第二类型惯性传感器均用于检测目标设备的姿态，以得到初始导航参数数据；第一类型惯性传感器的测量精度高于第二类型惯性传感器的测量精度；控制芯片用于根据片选信号分别采集第一类型惯性传感器以及N个第二类型惯性传感器检测的初始导航参数数据，以对应得到一组第一初始导航参数数据和N组第二初始导航参数数据；控制芯片还用于将第一初始导航参数数据和N组第二初始导航参数数据进行融合处理，得到目标导航参数数据。由此，本申请可以有效解决现有技术中IMU成本高、导航精度低的问题等。

Description

一种惯性传感器装置及车辆

技术领域

本申请涉及定位技术领域，尤其涉及一种惯性传感器装置及车辆。

背景技术

惯性传感器(InerTIal measurement unit，简称IMU)，是测量物体三轴姿态角(或角速率)及加速度的装置，是组合导航的核心。惯性传感器不仅用于定位，还用于碰撞检测等场景。陀螺仪和加速度计，是惯性导航系统的核心装置。通过加速度计ACC和陀螺仪GYRO测量线性加速度、旋转角速度递推获取位置数据，通过解算可获得载体的姿态、速度和位移等信息。

目前市面上现有IMU成本较低的，导航精度满足不了智能驾驶的需求；而高精度的IMU需要用到更高阶的光纤IMU、激光陀螺等，成本高，不适合民用。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种惯性传感器装置及车辆，可以有效解决现有技术中IMU成本高、导航精度低的问题等。

第一方面，本申请实施例提供一种惯性传感器装置，所述装置包括：

一个第一类型惯性传感器、N个第二类型惯性传感器和控制芯片，其中，N≥2；所述第一类型惯性传感器的测量精度高于所述第二类型惯性传感器的测量精度；

所述控制芯片分别与所述第一类型惯性传感器以及各所述第二类型惯性传感器通信连接；

所述第一类型惯性传感器和N个所述第二类型惯性传感器均用于检测目标设备的姿态，以测量得到初始导航参数数据；

所述控制芯片用于根据片选信号分别采集所述第一类型惯性传感器以及N个所述第二类型惯性传感器检测的初始导航参数数据，以对应得到一组第一初始导航参数数据和N组第二初始导航参数数据；

所述控制芯片还用于将所述第一初始导航参数数据和所述N组第二初始导航参数数据进行融合处理，得到目标导航参数数据。

在一些实施例中，所述控制芯片用于将N个所述第二初始导航参数数据转换到所述第一类型惯性传感器对应的第一坐标系；

所述控制芯片用于对所述第一坐标系下的所述N组第二初始导航参数数据以及所述第一初始导航参数数据进行去噪、加权平均处理，以得到所述目标导航参数数据。

在一些实施例中，在所述第一类型惯性传感器正常工作时，所述控制芯片用于利用基础导航参数数据和所述目标导航参数数据训练神经网络；其中，所述基础导航参数数据通过将所述N组第二初始导航参数数据进行去噪和加权平均处理得到的；

在所述第一类型惯性传感器工作异常时，所述控制芯片还用于将所述基础导航参数数据输入所述神经网络，并确认所述神经网络的输出为目标导航参数数据。

在一些实施例中，所述第二类型惯性传感器中包括陀螺仪和加速度计；其中，所述陀螺仪的数据就绪中断信号引脚与所述加速度计的第一中断引脚连接；

所述加速度计用于根据所述陀螺仪通过所述数据就绪中断信号引脚发送的数据就绪中断信号同步采集加速度数据，并通过所述加速度计的第二中断引脚向所述控制芯片发送数据准备就绪信息，以通知所述控制芯片来采集同步的导航数据。

在一些实施例中，N＝3；所述控制芯片通过连接器经两路SPI总线与各所述第二类型惯性传感器以及所述第一类型惯性传感器通信连接；其中，每路SPI总线连接两个惯性传感器。

在一些实施例中，所述第一类型惯性传感器和3个所述第二类型惯性传感器采用2行2列的阵列方式固定设置在PCB板的正面，所述连接器固定设置在PCB板反面。

在一些实施例中，所述装置还包括：串行外围接口缓存；所述串行外围接口缓存通过一路所述SPI总线经所述连接器与所述控制芯片；所述串行外围接口缓存用于存储所述目标导航参数数据。

在一些实施例中，所述第一类型惯性传感器为SMI240传感器，所述第二类型惯性传感器为SMI230传感器。

在一些实施例中，N个所述第二类型惯性传感器和所述控制芯片还分别通过信号同步引脚经所述连接器连接所述控制芯片；所述控制芯片还用于利用自身时钟信号对所述第二类型惯性传感器进行时钟校准。

第二方面，本申请实施例提供一种车辆，所述车辆采用本申请第一方面提供的一种惯性传感器装置获取目标导航参数数据，并基于所述目标导航参数数据进行导航。

本申请的实施例具有如下有益效果：

本申请使用多个成本低的惯性传感器检测目标设备的姿态信息，然后，通过数据融合处理得到高精度的目标导航参数数据。具体地，使用一个满足车辆功能安全应用标准的第一类型惯性传感器和N个不满足车辆功能安全应用标准的第二类型惯性传感器和控制芯片。由此，本申请可以有效解决现有技术中IMU成本高、导航精度低的问题等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请实施例惯性传感器装置的第一种结构示意图；

图2示出了本申请实施例惯性传感器装置的第二种结构示意图；

图3示出了本申请实施例惯性传感器装置的第三种结构示意图。

主要元件符号说明：

100-第一类型惯性传感器；200-第二类型惯性传感器；300-控制芯片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

现有IMU成本较低的，导航精度满足不了智能驾驶的需求；而高精度的IMU成本高，不适合民用，且多采用单颗IMU。也就是说单颗IMU精度高的成本更高，成本低的精度低。由此，本申请提出一种惯性传感器装置及车辆，得到的导航参数高精度且成本低。

下面结合一些具体的实施例来对该惯性传感器装置进行说明。

图1示出了本申请实施例的惯性传感器装置的一种结构框图。示范性地，该惯性传感器装置包括：一个第一类型惯性传感器100、N个第二类型惯性传感器200和控制芯片300。其中，N≥2；所述第一类型惯性传感器100的测量精度高于所述第二类型惯性传感器200的测量精度。具体地，所述第一类型惯性传感器100满足车辆功能安全应用标准，所述第二类型惯性传感器200不满足车辆功能安全应用标准。

车辆功能安全应用标准是ISO 26262标准，它是根据汽车行业特点而产生的国际标准，涉及汽车电子电气系统的整个安全生命周期及其管理过程。具体地，功能安全(Functional Safety)是一个系统或设备整体安全的组成部分。当系统出现功能性故障或失效时，将进入安全的可控模式，从而避免造成人员伤亡。比如，IMU传感器由于老化或者硬件失效导致输出的横向加速度异常跳变或者卡滞，软件安全机制需要能够检测出异常跳变或者卡滞，然后禁止使用异常IMU的加速度信号，通过其他冗余的传感器和算法来保证安全的高精度定位信号输出。此安全机制的检测，异常故障剔除和安全响应即为功能安全的范畴。所以当系统内部的电子电器异常情况发生时，功能安全可以最大限度规避人员伤害，相当于工作时的最后一道“安全”防线。

所述控制芯片300通过SPI总线分别与所述第一类型惯性传感器100以及各所述第二类型惯性传感器200通信连接。其中，SPI(serial peripheral interface)是一种同步串行通信协议。

进一步地，如图2所示，N＝3；所述控制芯片300通过连接器经两路SPI总线与各所述第二类型惯性传感器200以及所述第一类型惯性传感器100通信连接；其中，每路SPI总线连接两个惯性传感器。所述N个第二类型惯性传感器200和所述控制芯片300还分别通过信号同步引脚(SYNC)经所述连接器连接所述控制芯片300；所述控制芯片300还用于利用自身时钟信号对所述第二类型惯性传感器200进行时钟校准，以实现三个SMI230时间同步。其中，SYNC是Synchronization的简写，表示同步。优选地，所述第一类型惯性传感器100为SMI240传感器，所述第二类型惯性传感器200为SMI230传感器。SMI240和一个SMI230通过一路SPI总线连接所述连接器，另外两个SMI230通过一路SPI总线连接所述连接器。其中，SMI230传感器是Bosch公司生产的非安全汽车应用IMU，SMI230传感器中的加速度计和陀螺仪传感部分由敏感的微机械传感元件(MEMS)并排安装在PCB上组成。SMI240传感器是Bosch公司生产的，用于安全导航的IMU芯片。本申请中第二类型惯性传感器200包括SMI230传感器，第一类型惯性传感器100包括SMI240传感器；SMI240传感器和SMI230传感器均为IMU芯片。

进一步地，所述第一类型惯性传感器100和3个所述第二类型惯性传感器200采用2行2列的阵列方式固定设置在PCB板的正面，所述连接器固定设置在PCB板反面。

其中，所述第一类型惯性传感器100和N个所述第二类型惯性传感器200均用于检测目标设备的姿态，以得到初始导航参数数据。初始导航参数数据包括偏航角速度以及加速度。

进一步地，由于惯性传感器内部的陀螺仪和加速度计采集数据频率不同，为了实现惯性传感器内部陀螺仪和加速度计采集的偏航角速度和加速度时间同步，本实施例中所述陀螺仪的数据就绪中断信号引脚与所述加速度计的第一中断引脚连接；所述加速度计用于根据所述陀螺仪通过所述数据就绪中断信号引脚发送的数据就绪中断信号同步采集加速度数据，并通过所述加速度计的第二中断引脚向所述控制芯片300发送数据准备就绪信息，以通知所述控制芯片300来采集同步的导航数据。

SMI230将陀螺仪数据就绪中断信号连接到加速度计中断引脚INT1，加速度计内部信号处理单元利用陀螺仪的数据准备信号对加速度计的数据进行同步和插值，以实现偏航角速度以及加速度两者数据同步到一个共同的时间点和组延迟，将同步数据存储在SMI230的通用寄存器中，并将加速度的中断数据准备引脚INT2置高，加速度计部分可以将寄存器中可用数据通知控制芯片300。一旦控制芯片300收到SMI230数据就绪中断(INT2)的通知，就可以从通用寄存器读取同步的导航参数数据(偏航角速度以及加速度)。

所述控制芯片300用于根据片选信号分别采集所述第一类型惯性传感器100以及N个所述第二类型惯性传感器200检测的初始导航参数数据，以对应得到一份第一初始导航参数数据和N个第二初始导航参数数据。

具体地，本实施例的装置中运用了两组SPI，每组SPI支持4个片选。

1SPI：CS#0/CS#1连接SMI230-1，CS#2/CS#3连接SMI230-2；

2SPI：CS#4/CS#5连接SMI230-3，CS#6/CS#7连接SMI240。

通过配置每组SPI的4个片选信号选择特定的IMU芯片，每组SPI的片选信号一次只能选择特定从机通信，选中后可根据MOSI/MISO数据传输信号是否有数据反馈回来判断该选中的IMU芯片是否异常。其中，MOSI表示主机输出、从机输入信号，MISO表示主机输入、从机输出信号。

当SMI230与SMI240做从机时，主机SPI片选信号选中特定SMI230/SMI240时，当CS#处于低电平状态时，数据可以从控制芯片300传输，反之亦然。

所述控制芯片300还用于将所述第一初始导航参数数据和所述N组第二初始导航参数数据进行融合处理，以测量得到目标导航参数数据。

进一步地，所述装置还包括：串行外围接口缓存；所述串行外围接口缓存通过一路所述SPI总线经所述连接器与所述控制芯片300；所述串行外围接口缓存用于存储基础导航参数数据和目标导航参数数据。所述串行外围接口缓存又称为SPI flash。

进一步地，所述控制芯片300用于将所述N组第二初始导航参数数据转换到所述第一类型惯性传感器100对应的第一坐标系；所述控制芯片300还用于对所述第一坐标系下的所述N组第二初始导航参数数据以及所述第一初始导航参数数据进行去噪、加权平均处理，以得到所述目标导航参数数据。其中，各惯性传感器的摆放位置不同，坐标系不同，本实施例将第一惯性传感器的坐标系作为第一坐标系，将其他坐标系下的初始导航参数数据均转换到第一坐标系下。

初始导航参数数据包括偏航角速度和加速度；所述控制芯片300将从各所述第二类型惯性传感器200获取的偏航角速度转换到第一坐标系，以得到第二偏航角速度，将从各所述第二类型惯性传感器200获取的加速度转换到第一坐标系，以得到第二加速度。分别对所述第二偏航角速度、所述第二加速度进行去噪以及加权平均处理，其中，去噪处理可以采用小波阈值去噪算法进行处理。

控制芯片300发送的CS片选命令通过串行输入MOSI引脚传输到IMU芯片，IMU芯片通过串行输出MISO引脚返回其响应，所述控制芯片300能收到其反馈信息，则无异常；反之异常。也就是说，所述控制芯片300能够识别IMU芯片的故障，可以通过标志信息标记存在故障的IMU芯片。

进一步地，在所述第一类型惯性传感器100正常工作时，所述控制芯片300用于利用基础导航参数数据和所述目标导航参数数据训练神经网络。所述基础导航参数数据通过将所述N组第二初始导航参数数据进行去噪和加权平均处理得到的。

在所述第一类型惯性传感器100工作异常时，所述控制芯片300还用于将所述基础导航参数数据输入所述神经网络，确认所述神经网络的输出为目标导航参数数据。

下面根据一个具体示例对本申请的惯性传感器装置进行说明：

本申请实施例中采用3+1的IMU设计，如图3所示，包括：电路PCB、3个非安全汽车应用IMU(SMI230传感器)、1个带功能安全应用的IMU(SMI240传感器)及连接器。4个IMU惯性测量单元摆放在PCB板的正面；连接器放置于PCB板反面朝下，通过连接器将四个IMU信号输出端与外部设备处理芯片(控制芯片300)的信号输入端通信连接。其中，SMI240传感器和一个SMI230传感器通过一路SPI总线连接连接器，另外两个SMI230传感器通过一路SPI总线连接连接器。连接器连接控制芯片300。同时，控制芯片300连接各SMI230传感器的SYNC引脚，以校正SMI230传感器的时钟信号。

具体地，3颗SMI230传感器和1颗SMI240传感器构成2行2列阵列平放于PCB板正面。为了提高工作的可靠性，利用两路SPI总线实现SMI230传感器、SMI240传感器数据传输，功能安全数据监测：SMI240数据做基准，监测SMI230传感器的数据及状态；能够实现IMU在较长时间内提高自主导航精度的效果。

同时3个SMI230传感器通过控制芯片300进行融合处理，融合处理后数据存放在SPI FLASH中。所述控制芯片300在SMI240传感器故障时，通过神经网络对3个SMI230传感器的数据进行处理，以得到高精度的偏航角速度和加速度。

本申请采用3个低成本的SMI230及1个含功能安全的SMI240的组合成IMU模块(惯性传感器装置)，实现了车辆高精度导航、定位，同时设置了申请网络，可以在一方故障情况下继续正常工作。

本申请实施例还提供了一种车辆，示范性地，所述车辆采用如本实施例的惯性传感器装置获取目标导航参数数据，并基于所述目标导航参数数据进行导航。

可以理解，本实施例的装置对应于上述实施例的惯性传感器装置，上述实施例中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种惯性传感器装置，其特征在于，所述装置包括：

一个第一类型惯性传感器、N个第二类型惯性传感器和控制芯片，其中，N≥2；所述第一类型惯性传感器的测量精度高于所述第二类型惯性传感器的测量精度；

所述控制芯片分别与所述第一类型惯性传感器以及各所述第二类型惯性传感器通信连接；

所述第一类型惯性传感器和N个所述第二类型惯性传感器均用于检测目标设备的姿态，以测量得到初始导航参数数据；

所述控制芯片用于根据片选信号分别采集所述第一类型惯性传感器以及N个所述第二类型惯性传感器检测的初始导航参数数据，以对应得到一组第一初始导航参数数据和N组第二初始导航参数数据；

所述控制芯片还用于将所述第一初始导航参数数据和所述N组第二初始导航参数数据进行融合处理，得到目标导航参数数据。

2.根据权利要求1所述的惯性传感器装置，其特征在于，所述控制芯片用于将所述N组第二初始导航参数数据转换到所述第一类型惯性传感器对应的第一坐标系；

所述控制芯片用于对所述第一坐标系下的所述N组第二初始导航参数数据以及所述第一初始导航参数数据进行去噪、加权平均处理，以得到所述目标导航参数数据。

3.根据权利要求2所述的惯性传感器装置，其特征在于，在所述第一类型惯性传感器正常工作时，所述控制芯片用于利用基础导航参数数据和所述目标导航参数数据训练神经网络；其中，所述基础导航参数数据通过将所述N组第二初始导航参数数据进行去噪和加权平均处理得到的；

在所述第一类型惯性传感器工作异常时，所述控制芯片还用于将所述基础导航参数数据输入所述神经网络，并确认所述神经网络的输出为目标导航参数数据。

4.根据权利要求1所述的惯性传感器装置，其特征在于，所述第二类型惯性传感器中包括陀螺仪和加速度计；其中，所述陀螺仪的数据就绪中断信号引脚与所述加速度计的第一中断引脚连接；

所述加速度计用于根据所述陀螺仪通过所述数据就绪中断信号引脚发送的数据就绪中断信号同步采集加速度数据，并通过所述加速度计的第二中断引脚向所述控制芯片发送数据准备就绪信息，以通知所述控制芯片来采集同步的导航数据。

5.根据权利要求1所述的惯性传感器装置，其特征在于，N＝3；所述控制芯片通过连接器经两路SPI总线与各所述第二类型惯性传感器以及所述第一类型惯性传感器通信连接；其中，每路SPI总线连接两个惯性传感器。

6.根据权利要求5所述的惯性传感器装置，其特征在于，所述第一类型惯性传感器和3个所述第二类型惯性传感器采用2行2列的阵列方式固定设置在PCB板的正面，所述连接器固定设置在PCB板反面。

7.根据权利要求6所述的惯性传感器装置，其特征在于，所述装置还包括：串行外围接口缓存；所述串行外围接口缓存通过一路所述SPI总线经所述连接器与所述控制芯片；所述串行外围接口缓存用于存储所述目标导航参数数据。

8.根据权利要求1所述的惯性传感器装置，其特征在于，所述第一类型惯性传感器为SMI240传感器，所述第二类型惯性传感器为SMI230传感器。

9.根据权利要求5或6所述的惯性传感器装置，其特征在于，N个所述第二类型惯性传感器和所述控制芯片还分别通过信号同步引脚经所述连接器连接所述控制芯片；所述控制芯片还用于利用自身时钟信号对所述第二类型惯性传感器进行时钟校准。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆采用如权利要求1至9任一项所述的惯性传感器装置获取目标导航参数数据，并基于所述目标导航参数数据进行导航。