DE112006001314T5 - State estimation device, state estimation method, state estimation computer program, and computer readable storage medium - Google Patents

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Hisakazu Ikoma Nakamura
Muneaki Ikoma Higuchi
Hirokazu Ikoma Nishitani
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Nara Institute of Science and Technology NUC
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Abstract

Zustandsabschätzvorrichtung mit:
einer Relativposition-Messeinrichtung zum Messen, als Relativposition, der Position eines Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern;
einer Absolutposition-Messeinrichtung zum Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind;
einer Relativwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems;
einer Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung zum Berechnen, als absoluten Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems aus der Relativposition und der Absolutposition, und auch zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem handelt, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen Wert konvergiert, der dem anfänglichen Lagewinkel...
State estimator with:
a relative position measuring device for measuring, as a relative position, the position of a vehicle in a location coordinate system whose coordinate axes change with a movement of the vehicle;
an absolute position measuring device for measuring, as an absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose coordinate axes are fixed independently of the movement of the vehicle;
relative angle measuring means for measuring, as a relative attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the location coordinate system;
initial angle estimating means for calculating, as the absolute attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system from the relative position and the absolute position, and also estimating an initial attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence represented by a recursive formula containing the relative attitude angle and the absolute attitude angle converges to a value corresponding to the initial attitude angle.

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Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft Zustandsabschätzvorrichtungen, -verfahren, -computerprogramme sowie Computer-lesbare Speicherträger zum Abschätzen der Position eines Kraftfahrzeugs, eines Schiffs oder eines ähnlichen sich bewegenden Objekts.The Invention relates to state estimation devices, Processes, computer programs and computer-readable storage media for estimate the position of a motor vehicle, a ship or similar moving object.

HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIKBACKGROUND TECHNIQUE

In unserer heutigen Gesellschaft werden verschiedene Transportarten verwendet, an denen Autos, Schiffe und Luftfahrzeuge beteiligt sind. In vielen Situationen muss der Zustand dieser Arten von Fahrzeugen unter Verwendung beispielsweise eines Fahrzeugnavigationssystems oder einer Schiffszustandsüberwachung gemessen werden.In In our society today are different types of transport used by cars, ships and aircraft. In many situations, the condition of these types of vehicles must be below Use, for example, a vehicle navigation system or a ship condition monitoring be measured.

Techniken zum Messen des Zustands eines Fahrzeugs werden grob in zwei Kategorien eingeteilt: Koppelnavigation und Himmelsnavigation. Himmelsnavigationstechniken messen direkt globale Information unter Verwendung externer Sensoren, wie des GPS und Kameras. Koppelnavigationstechniken messen dauernd unter Verwendung interner Sensoren, wie Winkelcodierern, Kreiselsensoren und Beschleunigungssensoren, winzige Änderungen und integrieren sie, um das Ausmaß der Änderung gegenüber dem Anfangszustand abzuschätzen. Die Himmelsnavigationstechnik ist frei von einer Ansammlung von Fehlern, und sie kann eine direkte Messung des glo balen Zustands ausführen. Die Technik erzeugt jedoch Messwerte mit großer Verteilung, und sie benötigt eine lange Abtastzeit.techniques for measuring the condition of a vehicle are roughly divided into two categories divided: dead reckoning and sky navigation. Celestial navigation techniques directly measure global information using external sensors, like the GPS and cameras. Dead reckoning techniques measure constantly using internal sensors, such as encoders, gyroscopes and accelerometers, tiny changes and integrate them, about the extent of the change across from to estimate the initial state. The sky navigation technique is free from an accumulation of Errors, and it can be a direct measurement of the global condition To run. The technique, however, produces large-scale metrics, and it requires one long sampling time.

Andererseits benötigt die Koppelnavigationstechnik eine kurze Abtastzeit und erzeugt Messwerte mit kleiner Verteilung. Jedoch benötigt die Technik von Natur aus Anfangsinformation, um globale Information zu erhalten. Sie ist auch hoch anfällig für Störungen von außen (beispielsweise Räder, die seitlich wegrutschen), die nicht durch interne Sensoren gemessen werden können, was zu einem kumulativen Messfehler führen kann.on the other hand needed the dead reckoning technique a short sampling time and generates measured values with small distribution. However, the technique requires by nature from header information to obtain global information. she is also highly vulnerable for disturbances of Outside (for example, wheels, slipping sideways) that are not measured by internal sensors can be which can lead to a cumulative measurement error.

Es laufen viele Forschungsaktivitäten, um diese Mängel durch Kombinieren der zwei Techniken, oder eine Sensorverschmelzung, zu berücksichtigen. Ein typisches Schema beinhaltet die Verwendung eines Kalman-Filters. Durch dieses Schema wird der Zustand eines Fahrzeugs durch ein Verfahren mit maximaler Wahrscheinlichkeit unter Ausnutzung einer Fehlerverteilungsmatrix abgeschätzt, wodurch die Zuverlässigkeit von Messwerten bewertet wird, die durch eine Koppelnavigationstechnik und eine Himmelsnavigationstechnik erhalten werden.It run many research activities, around these shortcomings by combining the two techniques, or a sensor fusion, to take into account. A typical scheme involves the use of a Kalman filter. Through this scheme, the condition of a vehicle is determined by a procedure with maximum probability using an error distribution matrix estimated thereby reducing the reliability of Measured by a dead reckoning technique and a sky navigation technique.

Jedoch ist es bei einer Koppelnavigationstechnik schwierig, eine Fehlerverteilungsmatrix zu formulieren, da sich Fehler ansammeln, wenn sich ein Fahrzeug bewegt. Außerdem wird bei einer Kalman-Filtertechnik der Zustand eines Fahrzeugs durch ein Verfahren mit maximaler Wahrscheinlichkeit abgeschätzt. Wenn die Fehlerverteilungsmatrix zwischen der Koppelnavigationstechnik und der Himmelsnavigationstechnik stark differiert, ist ein Kalman-Filter beinahe ineffektiv. Ferner kann eine Koppelnavigationstechnik keine globale Information messen, wenn der Anfangszustand unbekannt ist; der Zustand eines Fahrzeugs kann nicht unter Verwendung eines Kalman-Filters abgeschätzt werden.however In a dead reckoning technique, it is difficult to have an error distribution matrix to formulate, as mistakes accumulate when a vehicle emotional. Furthermore In a Kalman filter technique, the condition of a vehicle becomes estimated by a maximum likelihood method. If the error distribution matrix between the dead reckoning technique and the sky navigation technique is very different, is a Kalman filter almost ineffective. Furthermore, a dead reckoning technique can not measure global information if the initial state is unknown; the state of a vehicle can not be determined using a Kalman filter estimated become.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Der Erfindung, die angesichts der oben detailliert angegebenen herkömmlichen Probleme erdacht wurde, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zustandsabschätzvorrichtung, ein Zustandsabschätzverfahren, ein Zustandsabschätz-Computerprogramm sowie einen Computer-lesbaren Speicherträger zu schaffen, die sich nicht auf eine Fehlerverteilungsmatrix stützen und immer noch von Nutzen sind, wenn der Anfangszustand unbekannt ist.Of the Invention which, in view of the conventional detailed above The task is based on a condition estimator, a state estimation method, a state estimation computer program as well as to create a computer-readable storage medium that does not rely on an error distribution matrix and still be of use are when the initial state is unknown.

Die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung ist, um die Probleme zu berücksichtigen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Folgendem versehen ist: einer Relativposition-Messeinrichtung zum Messen, als Relativposition, der Position eines Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; einer Absolutposition-Messeinrichtung zum Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; einer Relativwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; einer Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung zum Berechnen, als absoluten Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems aus der Relativposition und der Absolutposition, und auch zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem handelt, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen Wert konvergiert, der dem anfänglichen Lagewinkel entspricht; einer Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewin kel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem handelt; einer Anfangsposition-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und einer Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs indessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.The state estimating apparatus according to the invention, in order to take the problems into account, is characterized by comprising: a relative position measuring means for measuring, as a relative position, the position of a vehicle in a location coordinate system whose coordinate axes change with a movement of the vehicle ; an absolute position measuring device for measuring, as an absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose coordinate axes are fixed independently of the movement of the vehicle; a relative angle measuring device for measuring, as a relative position angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the Local coordinate system; initial angle estimating means for calculating, as the absolute attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system from the relative position and the absolute position, and also estimating an initial attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence represented by a recursive formula containing the relative attitude angle and the absolute attitude angle converges to a value corresponding to the initial attitude angle; current angle estimation means for estimating, as a sum of the relative attitude angle and the estimated initial attitude angle, the current attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its current state in the global coordinate system; an initial position estimating means for estimating the initial position which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system on the assumption that a sequence represented by a recursive formula containing the estimated initial attitude angle, the relative position and the absolute position, converges to a value corresponding to the initial position; and current position estimation means for estimating the current position which is the position of the vehicle and its current state in the global coordinate system, based on the relative position, the estimated initial attitude angle, and the estimated initial position.

Bei der auf die obige Weise konfigurierten Vorrichtung wird der aktuelle Lagewinkel des Fahrzeugs durch die Aktueller-Winkel-Messeinrichtung beispielsweise unter Verwendung von Gleichungen (1) (dies wird später erläutert) erhalten, ohne dass man sich auf eine Fehlerverteilungsmatrix stützen würde. Abweichend von herkömmlichen Koppelnavigationstechniken kann die Erfindung die aktuelle Position und den Lagewinkel eines Fahrzeugs unabhängig von einem kumulativen Messfehler in den internen Sensoren abschätzen, die als Relativposition-Messeinrichtung und die Relativwinkel-Messeinrichtung realisieren. Ferner kann die Erfindung, abweichend von Techniken auf Basis eines Kalman-Filters, die aktuelle Position und den Lagewinkel des Fahrzeugs selbst dann abschätzen, wenn die Fehlerverteilungsmatrizen zwischen der Koppelnavigationstechnik und der Himmelsnavigationstechnik stark differieren.at the device configured in the above manner becomes the current one Position angle of the vehicle through the current-angle measuring device, for example using equations (1) (this will be explained later), without relying on an error distribution matrix. Deviating from usual Dead reckoning techniques, the invention may be the current location and the attitude angle of a vehicle regardless of a cumulative one Estimate measurement errors in the internal sensors, which serve as a relative position measuring device and realize the relative angle measuring device. Furthermore, the Invention, deviating from techniques based on a Kalman filter, the current position and attitude angle of the vehicle even then estimate if the error distribution matrices between the dead reckoning technique and of sky navigation technology differ greatly.

Bei der Erfindung schätzt die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung der anfänglichen Lagewinkel des Fahrzeugs ab. Die Anfangsposition-Abschätzeinrichtung schätzt die Anfangsposition des Fahrzeugs ab.at appreciates the invention the initial angle estimator the initial one Position angle of the vehicle from. The initial position estimator estimates the starting position of the vehicle.

Die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung schätzt den anfänglichen Lagewinkel ab, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im globalen Koordinatensystem handelt, mit der Annahme, dass eine durch eine rekursive Formel, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält (beispielsweise die Gleichung (5), die später detailliert angegeben wird), repräsentierte Sequenz auf einen Werte (θ0) konvergiert, der dem anfänglichen Lagewinkel entspricht. Die Anfangsposition-Abschätzeinrichtung schätzt eine Anfangsposition ab, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im globalen Koordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine durch eine rekursive Formel, die den abgeschätzten, anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält (beispielsweise die Gleichung (8), die später detailliert angegeben wird) repräsentierte Sequenz auf einen Wert (qo) konvergiert, der der Anfangsposition entspricht.The initial angle estimator estimates the initial attitude angle, which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, with the assumption that one by a recursive formula containing the relative attitude angle and the absolute attitude angle (e.g. Equation (5), which will be detailed later), sequence represented converges to a value (θ 0 ) corresponding to the initial attitude angle. The initial position estimator estimates an initial position that is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that one by a recursive formula containing the estimated initial attitude angle, the relative position, and the absolute position (e.g. (8), which will be detailed later) converges to a value (q o ) corresponding to the initial position.

Demgemäß kann die Erfindung, abweichend von herkömmlichen Techniken auf Basis eines Kalman-Filters, die aktuelle Position und den Lagewinkel des Fahrzeugs selbst dann abschätzen, wenn der Anfangszustand unbekannt ist.Accordingly, the Invention, different from conventional Techniques based on a Kalman filter, the current position and estimate the attitude angle of the vehicle even if the initial state is unknown.

Alternativ ist die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Folgendem versehen ist: einer Relativposition-Messeinrichtung zum Messen, als Relativposition, der Position eines Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; einer Absolutposition-Messeinrichtung zum Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; einer Relativwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; einer Absolutwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als absoluten Lagewinkel, den Winkel des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems; einer Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; einer Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem handelt; einer Anfangsposition-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und einer Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.Alternatively, the state estimation apparatus according to the invention is characterized by being provided with: a relative position measuring means for measuring, as a relative position, the position of a vehicle in a location coordinate system whose coordinate axes change with a movement of the vehicle; an absolute position measuring device for measuring, as an absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose coordinate axes are fixed independently of the movement of the vehicle; relative angle measuring means for measuring, as a relative attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the location coordinate system; absolute angle measuring means for measuring, as absolute attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system; an initial angle estimating means for estimating an initial attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence represented by a recursive formula including the attitude angle and the absolute attitude angle converges to the initial attitude angle corresponding value; current angle estimation means for estimating, as a sum of the relative attitude angle and the estimated initial attitude angle, the current attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its current state in the Glo coordinate system; an initial position estimating means for estimating the initial position which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system on the assumption that a sequence represented by a recursive formula containing the estimated initial attitude angle, the relative position and the absolute position, converges to a value corresponding to the initial position; and current position estimation means for estimating the current position which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system based on the relative position, the estimated initial attitude angle and the estimated initial position.

Diese Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie die Absolutwinkel-Messeinrichtung enthält. Daher kann die Vorrichtung die obigen Funktionen und Effekte erzielen und auch genau den absoluten Lagewinkel eines Fahrzeugs erhalten. Daher kann die Erfindung den anfänglichen Lagewinkel und die Position mit hoher Genauigkeit aus dem absoluten Lagewinkel erhalten. Die Erfindung kann auch die aktuelle Position und den Lagewinkel mit hoher Genauigkeit abschätzen.These Device is configured to use the absolute angle measuring device contains. Therefore, the device can achieve the above functions and effects and also get exactly the absolute attitude angle of a vehicle. Therefore, the invention may be the initial ones Position angle and the position with high accuracy from the absolute Position angle obtained. The invention can also be the current position and estimate the attitude angle with high accuracy.

Das Zustandsabschätzverfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte beinhaltet: (1) Messen, als Relativposition, der Position des Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; (2) Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; (3) Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; (4) Berechnen, als absoluten Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems aus der Relativposition und der Absolutposition, und auch zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; (5) Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist; (6) Abschätzen einer Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und (7) Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.The Zustandsabschätzverfahren according to the invention is characterized in that it includes the following steps: (1) Measure, as a relative position, the position of the vehicle in one Spatial coordinate system whose coordinate axes coincide with a movement change the vehicle; (2) measuring, as absolute position, the position of the vehicle in one Global coordinate system whose coordinate axes are independent of the movement of the vehicle are fixed; (3) Measure, as relative Attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes the location coordinate system; (4) calculating, as the absolute positional angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system from the relative position and the absolute position, and also to estimate an initial one Attitude angle, the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system is assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula that expresses the relative Position angle and the absolute attitude angle contains, on a the initial Position angle corresponding value converges; (5) Estimate, as Sum of the relative attitude angle and the estimated initial attitude angle, the current attitude angle, the attitude angle of the vehicle in the current state in the global coordinate system; (6) Estimate one Initial position, which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula which is the estimated initial one Position angle, the relative position and the absolute position contains on converges a value corresponding to the initial position; and (7) Estimating the current position showing the position of the vehicle in its current position State in the global coordinate system is based on the relative position, of the estimated initial Attitude angle and the estimated Initial position.

Das durch die obigen Schritte (1) bis (7) konfigurierte Zustandsabschätzverfahren erzielt denselben Betrieb wie die Zu standsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung, und daher erzielt dieselben Funktionen und Effekte wie diese.The state estimation methods configured by the above steps (1) to (7) achieves the same operation as the state estimating apparatus according to the invention, and therefore achieves the same functions and effects as these.

Alternativ kann das Zustandsabschätzverfahren gemäß der Erfindung die folgenden Schritte beinhalten: (1) Messen, als Relativposition, der Position des Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; (2) Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; (3) Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; (4) Messen, als absoluten Lagewinkel, den Winkel des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems; (5) Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; (6) Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist; (7) Abschätzen einer Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und (8) Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.alternative can the state estimation method according to the invention the following steps include: (1) measuring, as a relative position, the position of the vehicle in a location coordinate system whose Coordinate axes change with a movement of the vehicle; (2) Measuring, as absolute position, the position of the vehicle in one Global coordinate system whose coordinate axes are independent of the movement of the vehicle are fixed; (3) Measure, as relative Attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes the location coordinate system; (4) measuring, as the absolute positional angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes the global coordinate system; (5) Estimate an initial one Attitude angle, the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula that expresses the relative Position angle and the absolute attitude angle contains, on a the initial Position angle corresponding value converges; (6) Estimate, as Sum of the relative attitude angle and the estimated initial Position angle, the current attitude angle, the attitude angle of the vehicle is in its current state in the global coordinate system; (7) estimate an initial position showing the position of the vehicle in its Initial state in the global coordinate system is, assuming that a sequence represented by a recursive formula that is the estimated one initial Position angle, the relative position and the absolute position contains on converges a value corresponding to the initial position; and (8) estimate the current position, which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system is on basis the relative position, the estimated initial Attitude angle and the estimated Initial position.

Das durch die obigen Schritte (1) bis (8) konfigurierte Zustandsabschätzverfahren erzielt denselben Betrieb wie die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung, und daher erzielt dieselben Funktionen und Effekte wie diese.The state estimation methods configured by the above steps (1) to (8) achieves the same operation as the state estimator according to the invention, and therefore achieves the same functions and effects as these.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1: Ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Zustandsabschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 1 : A block diagram illustrating the configuration of a state estimation device according to an embodiment of the invention.

2: Ein Diagramm, das den Zustand eines Fahrzeugs repräsentierende Variable veranschaulicht. 2 : A diagram illustrating the state of a vehicle representing variable.

3: Ein Diagramm, das ein Ortskoordinatensystem und ein Globalkoordinatensystem veranschaulicht. 3 : A diagram that illustrates a location coordinate system and a global coordinate system.

4: Ein Diagramm, das Zeitpunkte veranschaulicht, zu denen lokale Information nachgeliefert wird. 4 : A diagram that illustrates times when local information is being replenished.

5: Ein Diagramm, das ein Fahrzeug zeigt, das sich von (xg,n-k, yg,n-k) bis (xg,n, yg,n) im Globalkoordinatensystem und von (xl,n-k, yl,n-k) bis (xl,n, yl,n) im Ortskoordinatensystem bewegt. 5 : A diagram showing a vehicle extending from ( xg, nk , yg, nk ) to ( xg, n , yg, n ) in the global coordinate system and ( xl, nk , yl, nk ) until (x l, n , y l, n ) moves in the location coordinate system.

6: Ein Diagramm, das die Konfiguration eines Systems zeigt, wie sie bei einem Versuch verwendet wird, bei dem die Effekte der Erfindung geklärt wurden. 6 : A diagram showing the configuration of a system used in an experiment in which the effects of the invention have been clarified.

7(a): Eine Schrägansicht des im System der 6 verwendeten zweirädrigen, mobilen Roboters. 7 (a) : An oblique view of the system in the 6 used two-wheeled, mobile robot.

7(b): Eine Unteransicht des im System der 6 verwendeten zweirädrigen, mobilen Roboters. 7 (b) : A bottom view of the system in the 6 used two-wheeled, mobile robot.

8: Ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Positionen zweier Punkte und einem Absolutwinkel zeigt, wie durch ein Sichtsystem im System der 6 für den zweirädrigen, mobilen Roboter gemessen. 8th : A diagram showing the relationship between the positions of two points and an absolute angle, as by a vision system in the system of 6 measured for the two-wheeled, mobile robot.

9: Ein Kurvenbild, das Schätzwerte von x, y und θ zeigt, wie sie bei einem Versuch erhalten wurden, bei dem die Effekte der Erfindung geklärt wurden. 9 A graph showing estimates of x, y and θ obtained in an experiment in which the effects of the invention were clarified.

10: Ein Kurvenbild, das abgeschätzte Anfangswerte von x zeigt, die, wie sie bei einem Versuch erhalten wurden, bei dem die Effekte der Erfindung geklärt wurden. 10 : A graph showing estimated initial values of x as obtained in an experiment in which the effects of the invention were clarified.

11: Ein Kurvenbild, das abgeschätzte Anfangswerte von y zeigt, die, wie sie bei einem Versuch erhalten wurden, bei dem die Effekte der Erfindung geklärt wurden. 11 A graph showing estimated initial values of y as obtained in an experiment in which the effects of the invention were clarified.

12: Ein Kurvenbild, das abgeschätzte Anfangswerte von θ zeigt, die, wie sie bei einem Versuch erhalten wurden, bei dem die Effekte der Erfindung geklärt wurden. 12 : A graph showing estimated initial values of θ obtained in an experiment in which the effects of the invention were clarified.

BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNGBEST WAY TO EXECUTE INVENTION

1. Konfiguration der Zustandsabschätzvorrichtung1. Configuration of the state estimator

Nun wird die Konfiguration einer Zustandsabschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben. Wie es in der 1 dargestellt ist, verfügt eine Zustandsabschätzvorrichtung 1 über einen Absolutwinkel-Messabschnitt 2, einen Absolutposition-Messabschnitt 3, einen Relativwinkel-Messabschnitt 4, einen Absolutwinkel-Messabschnitt 5, einen Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6, einen Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7, einen Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 und einen Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9.Now, the configuration of a state estimating device according to an embodiment of the invention will be described with reference to FIGS 1 described. As it is in the 1 has a state estimator 1 via an absolute angle measuring section 2 , an absolute position measuring section 3 , a relative angle measuring section 4 , an absolute angle measuring section 5 , an initial angle estimating section 6 , a current-angle estimating section 7 , an initial position estimating section 8th and a current position estimating section 9 ,

Der Absolutwinkel-Messabschnitt 2 und der Relativwinkel-Messabschnitt 4 werden unter Verwendung sogenannter interner Sensoren bereitgestellt. Hierbei sind interne Sensoren solche, die die Relativposition und den Lagewinkel des Fahrzeugs messen. Anders gesagt, repräsentiert der Absolutwinkel-Messabschnitt 2 die Relativposition-Messfunktion der internen Sensoren, und der Relativwinkel-Messabschnitt 4 repräsentiert die Messfunktion der internen Sensoren für den relativen Lagewinkel.The absolute angle measuring section 2 and the relative angle measuring section 4 are provided using so-called internal sensors. In this case, internal sensors are those which measure the relative position and the attitude angle of the vehicle. In other words, the absolute angle measuring section represents 2 the relative position measuring function of the internal sensors, and the relative angle measuring section 4 represents the measurement function of the internal position angle sensors.

Die internen Sensoren können beispielsweise aus einem Sensor auf Wegmessbasis, einem Beschleunigungssensor oder einem Kreiselsensor aufgebaut sein. Sie verfügen im Allgemeinen über vier Eigenschaften: (1) kleiner Messfehler; (2) hohe Abtastrate; (3) nicht betreibbar, wenn Anfangswerte unbekannt sind; und (4) kumulativer Messfehler.The internal sensors can be constructed, for example, from a distance measuring base sensor, an acceleration sensor or a gyro sensor. They generally have four properties (1) small measurement error; (2) high sampling rate; (3) not operable if initial values are unknown; and (4) cumulative measurement error.

Der Absolutposition-Messabschnitt 3 und der Absolutwinkel-Messabschnitt 5 werden unter Verwendung sogenannter externer Sensoren bereitgestellt. Hierbei sind externe Sensoren solche, die die Absolutposition oder den Lagewinkel des Fahrzeugs messen.The absolute position measuring section 3 and the absolute angle measuring section 5 are provided using so-called external sensors. In this case, external sensors are those which measure the absolute position or the attitude angle of the vehicle.

GPS-Sensoren, die selbst ein Beispiel eines externen Sensors bilden, können die Absolutposition des Fahrzeugs messen, und daher können sie als Absolutposition-Messabschnitt 3 verwendet werden. Erdmagnetfeldsensoren, die ein anderes Beispiel externer Sensoren bilden, können den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs messen und daher als Absolutwinkel-Messabschnitt 5 verwendet werden. Zu anderen Beispielen gehören ein Sichtsystem, ein Landmarkierungssensor und ein Bereichsfinder, die die Anfangsposition und den Lagewinkel eines Fahrzeugs messen können und daher als Absolutposition-Messabschnitt 3 und Absolutwinkel-Messabschnitt 5 verwendet werden können. Die Absolutposition ist durch Parameter gegeben, die die Position eines Fahrzeugs unabhängig vom Zustand desselben identifizieren können; ein Beispiel ist eine Kombination aus der Breite und Länge. Der absolute Lagewinkel ist durch Parameter gegeben, die den Lagewinkel des Fahrzeugs unabhängig von dessen Zustand identifizieren können; ein Beispiel ist der Winkel des Fahrzeugs in Bezug auf die Erdachse.GPS sensors, which themselves constitute an example of an external sensor, can measure the absolute position of the vehicle, and therefore they can be used as an absolute position measuring section 3 be used. Earth magnetic field sensors, which form another example of external sensors, can measure the absolute attitude angle of the vehicle and therefore as an absolute angle measurement section 5 be used. Other examples include a vision system, a landmark sensor, and a range finder that can measure a vehicle's initial position and attitude angle, and therefore as an absolute position measurement section 3 and absolute angle measuring section 5 can be used. The absolute position is given by parameters that can identify the position of a vehicle regardless of its condition; an example is a combination of latitude and longitude. The absolute attitude angle is given by parameters that can identify the attitude angle of the vehicle regardless of its condition; an example is the angle of the vehicle with respect to the Earth's axis.

Der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 schätzt den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im Anfangszustand aus dem vom Relativwinkel-Messabschnitt 4 erhaltenen relativen Lagewinkel des Fahrzeugs und dem vom Absolutwinkel-Messabschnitt 5 erhaltenen absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs ab. Durch den Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 implementierte Rechenprozesse werden später detailliert angegeben.The initial angle estimation section 6 estimates the absolute attitude angle of the vehicle in the initial state from that of the relative angle measurement section 4 obtained relative attitude angle of the vehicle and the absolute angle measuring section 5 obtained absolute attitude angle of the vehicle. By the initial angle estimating section 6 Implemented computational processes will be detailed later.

Der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 schätzt den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im aktuellen Zustand aus dem vom Relativwinkel-Messabschnitt 4 erhaltenen relativen Lagewinkel des Fahrzeugs und dem durch den Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 abgeschätzten absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im Anfangszustand ab. Durch den Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 implementierte Rechenprozesse werden später detailliert angegeben.The current-angle estimation section 7 estimates the absolute attitude angle of the vehicle in the current state from that of the relative angle measurement section 4 obtained relative attitude angle of the vehicle and by the initial angle estimation section 6 estimated absolute attitude angle of the vehicle in the initial state from. Through the current-angle estimation section 7 Implemented computational processes will be detailed later.

Der Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 schätzt die Absolutposition des Fahrzeugs im Anfangszustand aus der vom Absolutwinkel-Messabschnitt erhaltenen Relativposition des Fahrzeugs und der vom Absolutposition-Messabschnitt 3 erhaltenen Absolutposition des Fahrzeugs ab. Durch den Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 implementierte Rechenprozesse werden später detailliert angegeben.The initial position estimating section 8th estimates the absolute position of the vehicle in the initial state from the relative position of the vehicle obtained from the absolute angle measuring section and that from the absolute position measuring section 3 obtained absolute position of the vehicle. Through the initial position estimation section 8th Implemented computational processes will be detailed later.

Der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 schätzt die Absolutposition des Fahrzeugs im aktuellen Zustand aus der durch den Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 abgeschätzten Absolutposition des Fahrzeugs im Anfangszustand und der vom Absolutwinkel-Messabschnitt erhaltenen Relativposition des Fahrzeugs ab. Durch den Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 implementierte Rechenprozesse werden später detailliert angegeben.The current position estimation section 9 estimates the absolute position of the vehicle in the current state from the initial position estimating section 8th estimated absolute position of the vehicle in the initial state and the relative position of the vehicle obtained from the absolute angle measuring section. Through the current position estimation section 9 Implemented computational processes will be detailed later.

Die auf die obige Weise konfigurierte Zustandsabschätzvorrichtung schätzt die Absolutposition und den Lagewinkel eines Fahrzeugs im Anfangszustand ab. Aus dieser Absolutposition und dem Lagewinkel schätzt die Vorrichtung 1 auch die Absolutposition und den Lagewinkel des Zugriffsattributs im aktuellen Zustand ab. Nachfolgend werden Rechenprozesse in jedem der die Zustandsabschätzvorrichtung 1 bildenden Blöcke beschrieben.The state estimator configured in the above manner estimates the absolute position and the attitude angle of a vehicle in the initial state. From this absolute position and the attitude angle estimates the device 1 also the absolute position and the attitude angle of the access attribute in the current state. Hereinafter, computational processes in each of the state estimation devices 1 forming blocks described.

2. Variable, die den Zustand eines Fahrzeugs repräsentieren, und zugehörige Annahmen2. Variable indicating the condition of a vehicle represent, and related assumptions

Um ein Fahrzeug eindeutig zu repräsentieren, das sich in einem bestimmten Koordinatensystem bewegt, ist ein Satz dreier Zustandsvariablen x, y und θ erforderlich, die die Position des Fahrzeugs und den Lagewinkel kennzeichnen. In der 2 kennzeichnet q = [x, y]T die Position des Zentrums des Fahrzeugs, und θ kennzeichnet den Lagewinkel desselben, d.h. den Relativwinkel des Fahrzeugs in Bezug auf eine Koordinatenachse. Nun wird der aktuelle Zustand des Fahrzeugs, qg, θg in einem vorgegebenen Globalkoordinatensystem Σg unter Verwendung der Zustandsabschätzvorrichtung 1 abgeschätzt.In order to uniquely represent a vehicle moving in a particular coordinate system, a set of three state variables x, y, and θ is needed that identify the position of the vehicle and the attitude angle. In the 2 q = [x, y] T denotes the position of the center of the vehicle, and θ indicates the attitude angle thereof, that is, the relative angle of the vehicle with respect to a coordinate axis. Now, the current state of the vehicle, q g , θ g , becomes a predetermined global coordinate system Σ g using the state estimator 1 estimated.

Die Zustandsabschätzvorrichtung 1 erstellt unter den folgenden Annahmen einen Schätzwert für qg und θg:

  • (1) Die Anfangswerte der Fahrzeugkoordinaten, qo, θo, sind nicht bekannt.
  • (2) Die Ortsinformation ql, θl ist das Ausmaß der Änderung gegenüber dem Anfangszustand, wie durch Koppelnavigation gemessen. Es tritt mit Ausnahme des durch eine Störung von außen verursachten Fehlers kein Fehler auf.
  • (3) Die Globalinformation qg, θg ist die aktuelle Position und der Lagewinkel, wie durch Himmelsnavigation gemessen. Messwerte enthalten weißes Rauschen, das sich zu Nullrauschen herausmittelt.
The state estimator 1 creates an estimate for q g and θ g under the following assumptions:
  • (1) The initial values of the vehicle coordinates, q o , θ o , are not known.
  • (2) The location information q l , θ l is the amount of change from the initial state as described by Kop pelnavigation measured. There is no error except for the error caused by an external disturbance.
  • (3) The global information q g , θ g is the current position and attitude angle as measured by sky navigation. Measured values contain white noise that comes out to zero noise.

Unter diesen Annahmen funktioniert Koppelnavigation beim Messen der globalen Information nicht, da die Anfangswerte qg, θg unbekannt sind. Indessen ist die Verwendung von nur Himmelsnavigation nicht wünschenswert, da deren Messwerte weißes Rauschen enthalten und von Natur aus eine große Verteilung zeigen. Auch kann kein Kalman-Filter verwendet werden, da die Anfangswerte qo, θo unbekannt sind.Under these assumptions, dead reckoning does not work in measuring the global information because the initial values q g , θ g are unknown. However, the use of sky-only navigation is not desirable since its measurements contain white noise and inherently show a large distribution. Also, no Kalman filter can be used because the initial values q o , θ o are unknown.

Die Probleme können dadurch berücksichtigt werden, dass die globale Information unter Verwendung einer Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme abgeschätzt wird, die um die Zustandsabschätzvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform herum aufgebaut ist. Nachfolgend wird die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme auf konkrete Weise beschrieben.The problems can be taken into account by estimating the global information using an initial state observation measure that is around the state estimator 1 constructed in the present embodiment. Hereinafter, the initial state observation measure will be described in concrete terms.

3. Abschätzen von qg, θg mit der Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme3. Estimate q g , θ g with the initial state observation measure

Als Erstes wird, wie es in der 3 dargestellt ist, eine Ortskoordinate ΣG definiert. Der Zustand qg, θg des Fahrzeugs im Globalkoordinatensystem ΣG ist durch den Satz der Gleichungen (1) gegeben: qg = T(θ0)ql + q0 θg = θl + θ0 (1)wobei qg (=[xg, yg]T) und θg die Position bzw. der Lagewinkel im Globalkoordinatensystem ΣG sind, ql (=[xl, yl]T) und θl die Position bzw. der Lagewinkel im Ortskoordinatensystem ΣL sind, und qo (=[xo, yo]T) und θo die Anfangsposition bzw. der Lagewinkel im Globalkoordinatensystem ΣG sind.First, as it is in the 3 is represented, a spatial coordinate Σ G defined. The state q g , θ g of the vehicle in the global coordinate system Σ G is given by the set of equations (1): q G = T (θ 0 ) q l + q 0 θ G = θ l + θ 0 (1) where q g (= [x g , y g ] T ) and θ g are the position or the attitude angle in the global coordinate system Σ G , q l (= [x l , y l ] T ) and θ l the position or the Position angles in the location coordinate system Σ L are, and q o (= [x o , y o ] T ) and θ o are the initial position or the attitude angle in the global coordinate system Σ G.

In dieser Beschreibung werden die Position und der Lagewinkel eines Fahrzeugs im Ortskoordinatensystem ΣL gemeinsam als Ortsinformation bezeichnet. Die Position und der Lagewinkel des Fahrzeugs im Ortskoordinatensystem ΣL entsprechen der Relativposition bzw. dem relativen Lagewinkel. Außerdem werden die Position und der Lagewinkel im Globalkoordinatensystem ΣG gemeinsam als Globalinformation bezeichnet. Die Position und der Lagewinkel im Globalkoordinatensystem ΣG entsprechen der Absolutposition bzw. dem absoluten Lagewinkel. T(x) ist eine Lagenwandlungsmatrix:

Figure 00160001
In this description, the position and the attitude angle of a vehicle in the location coordinate system Σ L are collectively referred to as location information. The position and the attitude angle of the vehicle in the location coordinate system Σ L correspond to the relative position and the relative attitude angle, respectively. In addition, the position and the attitude angle in the global coordinate system Σ G are collectively referred to as global information. The position and the attitude angle in the global coordinate system Σ G correspond to the absolute position and the absolute attitude angle, respectively. T (x) is a layer transformation matrix:
Figure 00160001

Wenn die durch Koppelnavigation gemessene Ortsinformation ql, θl keinen Fehler enthält, kann der Anfangszustand Band von Band von qo, θo des Fahrzeug abgeschätzt werden. Ferner kann die Globalinformation qg, θg unter Verwendung der Koordinatenwandlungsgleichungen (1) abgeschätzt werden.If the time measured by dead reckoning location information q l, l θ contains no error can, the initial state of tape from tape q o θ can be estimated o the vehicle. Further, the global information q g , θ g can be estimated using the coordinate conversion equations (1).

4. Herleitung der Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme4. Derivation of the initial state observation measure

Nachfolgend wird eine Beobachtungsmaßnahme hergeleitet, die die Anfangsposition des Fahrzeugs unter den Bedingungen abschätzt, dass diese Anfangsposition qo (Position am Anfangszustand) unbekannt ist und dass der anfängliche Lagewinkel θo (Lagewinkel im Anfangszustand) bekannt ist.Subsequently, an observation measure is derived which estimates the initial position of the vehicle under the conditions that this initial position q o (position at the initial state) is unknown and that the initial attitude angle θ o (attitude angle in the initial state) is known.

Als Erstes wird zum Herleiten einer Beobachtungsmaßnahme, die die Anfangsposition aus Orts- und Globalinformation abschätzt, ein Lemma wie folgt angegeben.When The first is to derive an observational measure, which is the initial position from local and global information estimates, a lemma is given as follows.

Lemma 2.1Lemma 2.1

Es werden das in der 2 dargestellte Fahrzeug und das Ortskoordinatensystem ΣL und das Globalkoordinatensystem ΣG, wie sie in der 3 dargestellt sind, angenommen. Die Anfangsposition qo des Fahrzeugs sei bekannt. Die folgende Gleichung (2) liefert eine Beobachtungsmaßnahme für die diskrete Zeit: q ^ob,n+1 = q ^ob,n – K(q ^ob,n – q0) (2)wobei
q ^ob,n
ein Schätzwert von qo ist, der einfach als qob,n geschrieben werden kann. Außerdem gilt K: = diag(kx, ky).
It will be in the 2 represented vehicle and the location coordinate system Σ L and the global coordinate system Σ G , as shown in the 3 are shown, assumed. The initial position q o of the vehicle is known. The following equation (2) provides a discrete time observation measure: q ^ whether, n + 1 = q ^ whether n - K (q ^ whether n - q 0 ) (2) in which
q ^ ob, n
is an estimate of q o , which can be written simply as q ob, n . In addition, K: = diag (k x , k y ).

Bei der durch die Gleichung (2) gebildeten Beobachtungsmaßnahme gilt qob,n→qo bei n→∞, wenn 0 < kx < 2 und 0 < ky < 2 gelten.In the observation measure formed by equation (2), q o , n → q o at n → ∞, if 0 <k x <2 and 0 <k y <2.

Beweis des Lemmas 2.1Proof of the Lemma 2.1

Wenn qo von den beiden Seiten der Gleichung (2) abgezogen wird, wird die folgende Gleichung erhalten: q ^ob,n+1 – q0 = q ^ob,n – q0 – K(q ^ob,n – q0) = (I – K)(q ^ob,n – q0) If q o is subtracted from the two sides of equation (2), the following equation is obtained: q ^ whether, n + 1 - q 0 = q ^ whether n - q 0 - K (q ^ whether n - q 0 ) = (I - K) (q ^ whether n - q 0 )

Daher gilt qob,n→qo bei n→∞, wenn –1 < 1 – kx < 1 and –1 < 1 – ky < 1 gelten.Therefore q holds if, n → q o at n → ∞, if -1 <1 - k x <1 and -1 <1 - k y <1.

Nun wird, wenn das Lemma 2.1 auf die obige Weise bewiesen ist, ein Lemma 2.2 zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme aus dem Lemma 2.1 hergeleitet.Now when the lemma 2.1 is proved in the above way, it becomes a lemma 2.2 to the initial state observation measure derived from the lemma 2.1.

Lemma 2.2Lemma 2.2

Es seien das in der 2 dargestellte Fahrzeug und das Ortskoordinatensystem ΣL sowie das Globalkoordinatensystem ΣG, wie sie in der 3 dargestellt sind, betrachtet. Die folgende Gleichung (3) liefert unter der Annahme, dass die Anfangsposition qo des Fahrzeugs unbekannt ist und dass der anfängliche Lagewinkel θo bekannt ist, eine Beobachtungsmaßnahme für die diskrete Zeit: q ^ob,n+1 = q ^ob,n – K(T(θ0)ql,n + q ^ob,n – qg,n) (3) It was that in the 2 represented vehicle and the location coordinate system Σ L and the global coordinate system Σ G , as shown in the 3 are considered. The following equation (3), assuming that the initial position q o of the vehicle is unknown and that the initial attitude angle θ o is known, provides a discrete time observation measure: q ^ whether, n + 1 = q ^ whether n - K (T (θ 0 ) q l, n + q ^ whether n - q g, n ) (3)

Bei der Beobachtungsmaßnahme gilt qob,n→qo bei n→∞, wenn 0 < kx < 2 and 0 < ky < 2 gelten.In the observation measure, q ob, n → q o at n → ∞, if 0 <k x <2 and 0 <k y <2.

Beweis des Lemmas 2.2Proof of the Lemma 2.2

Aus der Gleichung (1) und der Gleichung (4) wird Folgendes erhalten: qg,n = T(θ0)ql,n + q0 (4) From equation (1) and equation (4), the following are obtained: q g, n = T (θ 0 ) q l, n + q 0 (4)

Aus den Gleichungen (3), (4), wird die folgende Gleichung hergeleitet: q ^ob,n+1 = q ^ob,n – K(q ^ob,n – q0) From the equations (3), (4), the following equation is derived: q ^ whether, n + 1 = q ^ whether n - K (q ^ whether n - q 0 )

Daher gilt, unter Verwendung des Lemmas 2.1 qob,n→qo bei n→∞, wenn –1 < 1 – kx < 1 and –1 < 1 – ky < 1 gelten.Therefore, using the lemma 2.1 q , we have ob, n → q o at n → ∞, if -1 <1 - k x <1 and -1 <1 - k y <1.

5. Anwendung, wenn der anfängliche Lagewinkel unbekannt ist5. Application if the initial Position angle is unknown

Es sei angenommen, dass weder die Anfangsposition qo noch der anfängliche Lagewinkel θo bekannt sind. Als Erstes sei eine Behauptung hinsichtlich der Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme betrachtet.It is assumed that neither the initial position q o nor the initial attitude angle θ o are known. First, consider an assertion regarding the initial state observation measure.

Behauptung 2.1Claim 2.1

Es seien das in der 2 dargestellte Fahrzeug und das Ortskoordinatensystem ΣL sowie das Globalkoordinatensystem ΣG, wie sie in der 3 dargestellt sind, betrachtet. Der anfängliche Lagewinkel θo des Fahrzeugs sei unbekannt. Die folgende Gleichung (5) liefert eine Beobachtungsmaßnahme für die diskrete Zeit.

Figure 00180001
wobei
θ ^ob,n
ein Schätzwert für θo ist, der einfach als θob,n geschrieben werden kann.It was that in the 2 represented vehicle and the location coordinate system Σ L and the global coordinate system Σ G , as shown in the 3 are considered. The initial attitude angle θ o of the vehicle is unknown. The following equation (5) provides a discrete time observation measure.
Figure 00180001
in which
θ ^ ob, n
is an estimate for θ o , which can simply be written as θ ob, n .

Außerdem ist θl,n ein Lagewinkel im Ortskoordinatensystem ΣL, und θg,n ist ein Lagewinkel im Globalkoordinatensystem ΣG.In addition, θ 1, n is an attitude angle in the location coordinate system Σ L , and θ g, n is a attitude angle in the globalk coordinate system Σ G.

In der Gleichung (5) wird der Wert θl,n + θob,n – θg,n so normiert, dass –π < θl,n + θob,n – θg,n ≤ π gilt.In the equation (5), the value θ 1, n + θ ob, ng, n is normalized such that -π <θ 1, n + θ ob, ng, n ≦ π.

Bei 0 < kθ < 2 gilt θob,n→θ0 bei n→∞.At 0 <k θ <2, θ ob, n → θ 0 at n → ∞.

Beweisen der Behauptung 2.1Prove the claim 2.1

Es wird θ0 von beiden Seiten der Gleichung (5) subtrahiert, und es wird θg,n = θl,n + θ0 in die Gleichung (5) eingesetzt, wodurch Folgendes erhalten wird: θ ^ob,n+1 – θ0 = θ ^ob,n – θ0 – kθl,n + θ ^ob,n – θg,n) = θ ^ob,n – θ0 – kθ(θ ^ob,n – θ0) Θ 0 is subtracted from both sides of the equation (5), and θ g, n = θ 1, n + θ 0 is substituted into the equation (5), thereby obtaining: θ ^ whether, n + 1 - θ 0 = θ ^ whether n - θ 0 - k θ l, n + θ ^ whether n - θ g, n ) = θ ^ whether n - θ 0 - k θ (θ ^ whether n - θ 0 )

Dann wird, unter Verwendung von θob,n – θo = eθ,n, eine Gleichung (6) erhalten: eθ,n+1 = eθ,n – kθeθ,n (6) Then, using θ ob, no = e θ, n , an equation (6) is obtained. e θ n + 1 = e θ, n - k θ e θ, n (6)

In der Gleichung (6) ist V = e2θ,n (7) eine Lyapunov-Funktion. Dabei gilt eθ,n→0 bei as n→∞, was bedeutet, dass θob,n→θ0 bei n→∞ gilt. So ist die Behauptung 2.1 als wahr bewiesen.In the equation (6) V = e 2 θ, n (7) a Lyapunov function. In this case, e θ, n → 0 holds as n → ∞, which means that θ ob, n → θ 0 at n → ∞. So the assertion 2.1 is proven to be true.

Unter Verwendung der Behauptung 2.1 wird das folgende Theorem 2.1 in Beziehung zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme erhalten.Under Using Proposition 2.1, the following Theorem 2.1 is related to the initial state observation measure.

Theorem 2.1Theorem 2.1

Es seien das in der 2 dargestellte Fahrzeug und das Ortskoordinatensystem ΣL sowie das Globalkoordinatensystem ΣG, wie sie in der 3 dargestellt sind, betrachtet. Es sei weder die Anfangsposition qo des Fahrzeugs noch der anfängliche Lagewinkel θo desselben bekannt. Die Gleichungen (5) und (8) liefern Beobachtungsmaßnahmen für die diskrete Zeit. q ^ob,n+1 = q ^ob,n – K(T(θ ^ob,n)ql,n + q ^ob,n – qg,n) (8) wobei
q ^ob,n
ein Schätzwert für qo ist, der einfach als qob,n geschrieben werden kann. ql,n ist die Position des Fahrzeugs im Ortskoordinatensystem ΣL, und qg,n ist die Position des Fahrzeugs im Globalkoordinatensystem ΣG; K: = diag(kx, ky).
It was that in the 2 represented vehicle and the location coordinate system Σ L and the global coordinate system Σ G , as shown in the 3 are considered. Neither the initial position q o of the vehicle nor the initial attitude angle θ o of the same is known. Equations (5) and (8) provide observational measures for the discrete time. q ^ whether, n + 1 = q ^ whether n - K (T (θ ^ whether n ) q l, n + q ^ whether n - q g, n ) (8th) in which
q ^ ob, n
is an estimate for q o , which can be written simply as q ob, n . q l, n is the position of the vehicle in the location coordinate system Σ L , and q g, n is the position of the vehicle in the global coordinate system Σ G ; K: = diag (k x, k y).

Bei der durch die Gleichung (8) gegebenen Beobachtungsmaßnahme gilt qob,n→qo bei n→∞ wenn ql,n endlich ist und 0 < kx < 2, and 0 < ky < 2 gelten.In the observational measure given by equation (8), q holds ob, n → q o at n → ∞ when q 1, n is finite and 0 <k x <2, and 0 <k y <2.

Beweis des Theorems 2.1Proof of the Theorem 2.1

Wenn qo von den beiden Seiten der Gleichung (8) abgezogen wird, qg,n = T(θo)ql,n + qo in die Gleichung (8) eingesetzt wird, und εn = qob,n – qo eingeführt wird, wird die Gleichung (9) erhalten: εn+1 = (I – K)εn – K[(T(θ ^ob,n) – T(θ0)]ql,n (9) If q o is subtracted from the two sides of equation (8), q g, n = T (θ o ) q 1, n + q o is substituted into equation (8), and ε n = q ob, n - q o is introduced, equation (9) is obtained: ε n + 1 = (I - K) ε n - K [(T (θ ^ whether n ) - T (θ 0 )] Q l, n (9)

Es wird auch z, wie es in der Gleichung (10) definiert ist, eingeführt: z = –K[(T(θ ^ob,n) – T(θ0)]ql,n (10) It is also introduced z as defined in equation (10): z = -K [(T (θ ^ whether n ) - T (θ 0 )] Q l, n (10)

Es seien die Behauptung 2.1 und die Annahme, dass ql,n endlich ist, betrachtet. Auch gelten n→∞, z→0. Unter Verwendung eines derartigen z reduziert sich die Gleichung (9) zu einer Gleichung (11): εn+1 = (I – K)εn + z (11) Consider the assertion 2.1 and the assumption that q l, n is finite. Also, n → ∞, z → 0. Using such z, the equation (9) reduces to an equation (11): ε n + 1 = (I - K) ε n + z (11)

Wenn hier angenommen wird, dass zu und der Zustand q Eingangswerte repräsentieren, liefert die Gleichung (11) eine diskrete Zeit ISS (der Eingangswert für den Zustand ist stabil), und sie ist asymptotisch stabil.If here it is assumed that to and the state q represent input values, Equation (11) provides a discrete time ISS (the input value for the State is stable), and it is asymptotically stable.

Daher gilt (qob,n, θob,n) → (qo, θo) bei n→∞, wenn ql,n endlich ist und 0 < kx < 2 und 0 < ky < 2 gelten.Therefore (q ob, n , θ ob, n ) → (q o , θ o ) at n → ∞, if q l, n is finite and 0 <k x <2 and 0 <k y <2.

6. Beziehung zwischen der Vorrichtungskonfiguration und der Beobachtungsmaßnahme6. Relationship between the Device configuration and monitoring action

Die Zustandsabschätzvorrichtung 1 (siehe die 1) gemäß der vorliegenden Ausführungsform schätzt den Anfangszustand des Fahrzeugs unter Verwendung der Gleichung (5), (8) zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme ab, und anschließend schätzt sie die Absolutposition und den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im aktuellen Zustand unter Verwendung der Gleichungen (1) ab. Nachfolgend wird der Prozess detailliert beschrieben.The state estimator 1 (see the 1 ) according to the present embodiment estimates the initial state of the vehicle using the equation (5), (8) to the initial state observing measure, and then estimates the absolute position and the absolute attitude angle of the vehicle in the current state using the equations (1) , The process is described in detail below.

Als Erstes wird die Verarbeitung im Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 in der Zustandsabschätzvorrichtung 1 beschrieben. Der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 berechnet den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im Anfangszustand unter Verwendung der Gleichung (5) zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme.First, the processing in the initial angle estimating section 6 in the state estimator 1 described. The initial angle estimation section 6 calculates the absolute attitude angle of the vehicle in the initial state using equation (5) to the initial state observation measure.

Genauer gesagt, misst der Relativwinkel-Messabschnitt den in der Gleichung (5) zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme auftretenden Wert θl,n. Indessen misst der Absolutwinkel-Messabschnitt 5 den in der Gleichung (5) auftretenden Wert θg,n. Der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 setzt die Werte in θi,n und θg,n in der Gleichung (5) ein, und er verwendet den vom Absolutwinkel-Messabschnitt 5 erhaltenen absoluten Lagewinkel als Schätzwert für θob,n um θo abzuschätzen, worauf θob,n konvergiert.More specifically, the relative angle measuring section measures the value θ 1, n appearing in the equation (5) for the initial state observing measure. Meanwhile, the absolute angle measuring section measures 5 the value θ g, n occurring in the equation (5). The initial angle estimation section 6 sets the values in θ i, n and θ g, n in the equation (5), and uses the one from the absolute angle measuring section 5 Estimate the absolute attitude angle as an estimate of θ ob, n by θ o , whereupon θ ob, n converges.

Als Nächstes wird die Verarbeitung im Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 beschrieben. Der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 schätzt den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im aktuellen Zustand unter Verwendung der Gleichungen (1) ab. Genauer gesagt, setzt der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 den vom Relativwinkel-Messabschnitt erhaltenen Wert θl,n in θl in den Gleichungen (1) ein, und er setzt einen durch den Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 gelieferten Schätzwert in θo in den Gleichungen (1) ein. Demgemäß kann der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7 den Wert θg oder den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im aktuellen Zustand berechnen.Next, the processing in the current-angle estimation section becomes 7 described. The current-angle estimation section 7 estimates the absolute attitude angle of the vehicle in the current state using equations (1). More specifically, the current-angle estimating section sets 7 The value θ 1, n obtained from the relative angle measuring section enters into θ 1 in the equations (1), and sets one by the initial angle estimating section 6 supplied estimate in θ o in equations (1). Accordingly, the current-angle estimation section 7 calculate the value θ g or the absolute attitude angle of the vehicle in the current state.

Als Nächstes wird die Verarbeitung im Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 beschrieben. Der Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 berechnet die absolute Position des Fahrzeugs im Anfangszustand unter Verwendung der Gleichung (8) zur Anfangswinkel.Next, the processing in the initial position estimating section 8th described. The initial position estimating section 8th calculates the absolute position of the vehicle in the initial state using equation (8) at the initial angle.

Genauer gesagt, berechnet der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 den Wert θo, auf den θob,n in der Gleichung (8) konvergiert. Ferner wird ql,n in der Gleichung (8) vom Absolutwinkel-Messabschnitt 2 erhalten, und qg,n wird vom Absolutposition-Messabschnitt 3 erhalten. Daher setzt der Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 ql,n und qg,n in die Gleichung (8) ein, und er verwendet die vom Absolutposition-Messabschnitt 3 erhaltene Absolutposition als Schätzwert von qob,0, um qo abzuschätzen.More specifically, the initial angle estimating section calculates 6 the value θ o , to which θ ob, n converges in the equation (8). Further, q l, n in the equation (8) becomes the absolute angle measuring section 2 and q g, n is obtained from the absolute position measuring section 3 receive. Therefore, the initial position estimating section sets 8th q l, n and q g, n into the equation (8), and it uses those from the absolute position measuring section 3 obtained absolute position as an estimate of q ob, 0 to estimate q o .

Schließlich wird die Verarbeitung im Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 beschrieben. Der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 schätzt die Absolutposition des Fahrzeugs im aktuellen Zustand unter Verwendung der Gleichungen (1) ab. Genauer gesagt, setzt der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 einen durch den Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 gelieferten Schätzwert in θo in den Gleichungen (1) ein, er setzt den vom Absolutwinkel-Messabschnitt 2 erhaltenen Wert ql,n in ql ein, und er setzt einen durch den Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 gelieferten Schätzwert in qo ein. Demgemäß kann der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9 qg oder die Absolutposition des Fahrzeugs im aktuellen Zustand berechnen.Finally, the processing is in the current position estimating section 9 described. The current position estimation section 9 estimates the absolute position of the vehicle in the current state using equations (1). More specifically, the current position estimating section sets 9 one by the initial angle estimating section 6 supplied estimate in θ o in the equations (1), he sets that of the absolute angle measuring section 2 obtained value q l, n in q l , and sets one by the initial position estimating section 8th delivered estimate in q o . Accordingly, the current position estimating section can 9 Calculate q g or the absolute position of the vehicle in the current state.

Die Zustandsabschätzvorrichtung 1 schätzt auf diese Weise den Anfangszustand θo, qo des Fahrzeugs ab, und sie schätzt die Absolutposition qg und den Lagewinkel θg des Fahrzeugs im aktuellen Zustand ab. Ferner wirken die Gleichungen (5), (8) als Tiefpassfilter, die hochfrequentes Rauschen entfernen.The state estimator 1 thus estimates the initial state θ o , q o of the vehicle, and estimates the absolute position q g and the attitude angle θ g of the vehicle in the present state. Furthermore, equations (5), (8) act as low-pass filters that remove high-frequency noise.

7. Unerwünschter Effekt von Messfehlern7. Undesirable effect of measurement errors

Nachfolgend werden nachteilige Effekte von bei der Messung auftretenden Fehlern beschrieben. Es seien externe Störungen Δql und Δθl an der Position bzw. dem Lagewinkel angenommen, die beispielsweise auf Grund eines Seitwärtsrutschens zum Zeitpunkt k auftreten. Unter diesen Bedingungen liefert ein Satz von Gleichungen (12) Schätzwerte zur Ortsinformation zu Zeitpunkten nach der Zeit k.

Figure 00230001
mit n ≥ k.Hereinafter, adverse effects of errors occurring in the measurement will be described. It be external disturbances Δq l and Δθ l assumed at the position or the attitude angle, for example, occur due to a sideways slide at time k. Under these conditions, a set of equations (12) provides estimates of location information at time points after time k.
Figure 00230001
with n ≥ k.

Die Werte auf der linken Seite der Gleichungen (12) sind die Schätzwerte der Ortsinformation. Die Werte von
q -l,n
und
θ -l,n
auf der rechten Seite sind die Messwerte der Ortsinformation.
The values on the left side of equations (12) are the estimates of the location information. The values of
q - l, n
and
θ - l, n
on the right side are the measured values of the location information.

Ein Lemma wird wie folgt angegeben, um den Effekt des Fehlers in der Ortsinformationsmessung auf die abgeschätzten Anfangswerte zu bewerten.One Lemma is given as follows to avoid the effect of the error in the Location information measurement to the estimated initial values.

Lemma 2.3Lemma 2.3

Die durch die Gleichungen (5), (8) gegebenen Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen werden nun erörtert. Es sei angenommen, dass zum Zeitpunkt k für die Position und den Lagewinkel externe Störungen Δql bzw. Δθl auftragen. Unter diesen Bedingungen gilt für die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme qob,n, θob,n) → (qo + T(θo)ql,n – T(θo + Δθl)(ql,n + Δql), θo + Δθl) wenn n→∞.The initial state observational measures given by equations (5), (8) will now be discussed. It is assumed that at the time k for the position and the attitude angle external disturbances Δq l and Δθ l apply. Under these conditions, for the initial state observing measure q, ob, n , θ ob, n ) → (q o + T (θ o ) q 1, n -T (θ o + Δ θ 1 ) (q 1, n + Δq 1) ), θ o + Δθ l ) when n → ∞.

Beweis des Lemmas 2.3Proof of the Lemma 2.3

Als Erstes sei die Gleichung (5) zur Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme zu Zeitpunkten nach der Zeit k betrachtet. Aus den Gleichungen (12) wird Folgendes erhalten:

Figure 00240001
First, consider the equation (5) for the initial state observation measure at time points after the time k. From equations (12) the following is obtained:
Figure 00240001

Wenn die Behauptung 2.1 berücksichtigt wird, gilt θob,n → θl,n+Δθl bei n→∞.If the assertion 2.1 is taken into account, θ ob, n → θ 1, n + Δθ 1 at n → ∞.

Als Nächstes wird die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme erörtert. Es sei angenommen, dass der Schätzwert θob,n des anfänglichen Lagewinkels gegen θl,n + Δθl konvergiert.Next, the initial state observing measure will be discussed. It is assumed that the estimated value θ whether n of the initial attitude angle θ against l, n + l Δθ converges.

Unter diesen Bedingungen wird die anfänglich Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme: q ^ob,n+1 = q ^ob,n – K(T(θ ^ob,n)q -l,n + q ^ob,n – qg,n) = q ^ob,n – K[q ^ob,n – (q0 + T(θ0)ql,n – T(θ ^ob,n)q -l,n)] Under these conditions, the initial initial state observation measure becomes: q ^ whether, n + 1 = q ^ whether n - K (T (θ ^ whether n ) q - l, n + q ^ whether n - q g, n ) = q ^ whether n - K [q ^ whether n - (q 0 + T (θ 0 ) q l, n - T (θ ^ whether n ) q - l, n )]

Daher gilt, wenn das Theorem 2.1 berücksichtigt wird, qob,n→qo + T(θo)ql,n – T(θo + Δθl) (ql,n + Δql) bei n→∞.Therefore, if theorem 2.1 is taken into account, then q , n → q o + T (θ o ) q 1, n -T (θ o + Δθ 1 ) (q 1, n + Δq 1 ) at n → ∞.

Aus dem Lemma 2.3 wird das folgende Theorem 2.2 in Bezug auf die Schätzwerte der Globalinformation unter Verwendung der Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme hergeleitet.Out In Lemma 2.3, the following Theorem 2.2 becomes in relation to the estimates derived the global information using the initial state observation measure.

Theorem 2.2Theorem 2.2

Es seien das in der 2 dargestellte Fahrzeug und das Ortskoordinatensystem ΣL sowie das Globalkoordinatensystem ΣG, wie sie in der 3 dargestellt sind, und die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen (Gleichungen (5), (8)) betrachtet. Es sei angenommen, dass zum Zeitpunkt k externe Störungen Δql und Δθl bei der Position und dem Lagewinkel auftraten. Dann sind q -g,n, θ -g,n so, wie es unten angegeben ist:

Figure 00250001
wobei q ~g,n und θ ~g,n die Schätzwerte der Globalinformation qg bzw. θg sind. Unter diesen Bedingungen gilt (q ~g,n,
Figure 00250002
g,n) → (qg,n, θg,n) bei n→∞.It was that in the 2 represented vehicle and the location coordinate system Σ L and the global coordinate system Σ G , as shown in the 3 and the initial state observation measures (equations (5), (8)) are considered. It is assumed that, at time k, external disturbances Δq 1 and Δθ 1 occurred at the position and the attitude angle. Then q - g, n , θ - g, n are as given below:
Figure 00250001
where q ~ g, n and θ ~ g, n are the estimates of the global information q g and θ g , respectively. Under these conditions, (q ~ g, n ,
Figure 00250002
g, n ) → (q g, n , θ g, n ) at n → ∞.

Beweis des Theorems 2.2Proof of the Theorem 2.2

Aus dem Lemma 2.3 ergibt sich (qob,n, θo) → (qo + T(θo)ql,n – T(θo + Δθl)(ql, n + Δql), θo + Δθl) bei n→∞. Wenn dies in die Gleichung (13) zur Koordinatenwandlung eingesetzt wird, wird Folgendes erhalten: q ~g,n = T(θ ^ob,n)q -l,n + q ^ob,n = T(θ0 + Δθl)(ql,n + Δql) + q0 + T(θ0)ql,n – T(θ0 + Δθl)(ql,n + Δql) = qg,n θ ~g,n = θ -l,n + θ ^ob,n = θl,n – Δθl + θ0 + Δθl = θg,n From the lemma 2.3 it follows (q ob, n , θ o ) → (q o + T (θ o ) q 1, n -T (θ o + Δ θ 1 ) (q 1 , n + Δq 1 ), θ o + Δθ l ) at n → ∞. When used in the coordinate conversion equation (13), the following is obtained: q ~ g, n = T (θ ^ whether n ) q - l, n + q ^ whether n = T (θ 0 + Δθ l ) (Q l, n + Δq l ) + q 0 + T (θ 0 ) q l, n - T (θ 0 + Δθ l ) (Q l, n + Δq l ) = q g, n θ ~ g, n = θ - l, n + θ ^ whether n = θ l, n - Δθ l + θ 0 + Δθ l = θ g, n

Das Theorem 2.2 demonstriert, dass unter Verwendung der Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen der Effekt eines Fehlers in der Ortsinformation aufgehoben werden kann. Anders gesagt, wirken die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen als Tiefpassfilter, die hochfrequentes Rauschen entfernen.The Theorem 2.2 demonstrates that using the initial state observational measures the effect of an error in the location information is canceled can. In other words, the initial state observational measures act as low-pass filters that remove high-frequency noise.

Zusammengefasst gesagt, kann die Zustandsabschätzvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform die aktuelle Position (qg,n, θg,n) des Fahrzeugs unter Verwendung der Gleichungen (5), (8) und (13) selbst dann abschätzen, wenn der durch den Absolutwinkel-Messabschnitt 2 erhaltene Wert ql,n unter der durch den Relativwinkel-Messabschnitt 4 erhaltene Wert θl,n Fehler enthält.In summary, the state estimator 1 According to the present embodiment, the actual position (q g, n , θ g, n ) of the vehicle is estimated using equations (5), (8) and (13) even when passing through the absolute angle measuring section 2 obtained value q l, n under the by the relative angle measuring section 4 obtained value θ l, n contains errors.

8. Zeitpunkte zum Aktualisieren von Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen8. Timings for Updating Initial State Observation Measures

Um die durch die Gleichungen (5), (8) gegebenen Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen zu aktualisieren, d.h., um die Absolutposition und den Absolutwinkel des Fahrzeugs im Anfangszustand unter Verwendung dieser Gleichungen zu berechnen, sind Werte zum selben Zeitpunkt für die Relativposition, den relativen Lagewinkel, die Absolutposition und den absoluten Lagewinkel erforderlich.Around the initial state observational measures given by equations (5), (8) to update, that is, the absolute position and the absolute angle of the vehicle in the initial state using these equations are values at the same time for the relative position, the relative attitude angle, the absolute position and the absolute attitude angle required.

Jedoch führen, wie es in der 4 dargestellt ist, die internen Sensoren Messungen mit einem kürzeren Zyklus als die externen Sensoren aus. Daher ist es, wenn das Timing, gemäß dem die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme den Anfangszustand abschätzt, mit einem Timing in Übereinstimmung gebracht wird, gemäß dem die externen Sensoren eine Messung vornehmen, möglich, dass die Relativposition und der Lagewinkel zu diesem Zeitpunkt nicht erhalten werden.However, as it is in the lead 4 is shown, the internal sensors take measurements with a shorter cycle than the external sensors. Therefore, it is when the timing according to which the initial state observing measure estimates the initial state is made to coincide with a timing according to which the external sensors make a measurement, it is possible that the relative position and the attitude angle are not obtained at that time.

Demgemäß ist es bevorzugt, die Relativposition und den Lagewinkel, wie sie durch die internen Sensoren erhalten werden, nachzuliefern, wenn die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme den Anfangszustand des Fahrzeugs abschätzt. Als Nächstes wird der Nachlieferprozess beschrieben. Der relative Lagewinkel wird durch den Relativwinkel-Messabschnitt 4 nachgeliefert, und die Relativposition wird durch den Absolutwinkel-Messabschnitt 2 nachgeliefert.Accordingly, it is preferable to replicate the relative position and the attitude angle as obtained by the internal sensors when the initial state observing measure estimates the initial state of the vehicle. Next, the post-delivery process will be described. The relative position angle is determined by the relative angle measuring section 4 supplied, and the relative position is determined by the absolute angle measuring section 2 resupplied.

8-1. Behauptungen8-1. allegations

Messungen werden unter den folgenden Bedingungen ausgeführt. Die n-ten Abtastdaten (d.h. die Messwerte der Absolutposition und der Lage) werden jeweils wie folgt bezeichnet:
x -g,n, θ -g,n
Measurements are made under the following conditions. The nth sample data (ie, the absolute position and the position measurements) are respectively denoted as follows:
x - g, n , θ - g, n

Die Messwerte der Absolutposition und der Lage können einfach als xg,n und θg,n geschrieben werden.The measured values of the absolute position and the position can be simply written as x g, n and θ g, n .

Der Zeitpunkt, zu dem die n-ten Abtastdaten (Absolutposition und Lage) erfasst werden, wird mit tg,n bezeichnet.The time at which the n-th sample data (absolute position and position) are detected is designated by t g, n .

Die m-ten Abtastdaten (d.h. die Messwerte der Absolutposition und der Lage) werden jeweils wie folgt bezeichnet:
x -l,m, θ -l,m
The mth sample data (ie, the absolute position and the position measurements) are respectively denoted as follows:
x - l, m , θ - l, m

Die Messwerte der Absolutposition und der Lage können einfach als xl,m und θl,m geschrieben werden. Der Zeitpunkt, zu dem die m-ten Abtastdaten (Absolutposition und Lage) erfasst werden, wird mit tl,m bezeichnet.The measured values of the absolute position and the position can be simply written as x l, m and θ l, m . The time at which the mth sample data (absolute position and position) is detected is designated by t1 , m .

Nun sei der Zeitpunkt betrachtet, zu dem die n-ten Abtastdaten (Absolutposition und Lage) aufgenommen werden. Es sei angenommen, dass die Relativposition und die Lage m mal abgetastet wurden. Unter diesen Bedingungen sind die folgenden zwei Zustände möglich:

  • Zustand 1: tg,n ≤ tl,m
  • Zustand 2: tg,n > tl,m
Now consider the time at which the nth sample data (absolute position and position) is taken. It is assumed that the relative position and the position were sampled m times. Under these conditions, the following two states are possible:
  • State 1: t g, n ≦ t l, m
  • State 2: t g, n > t l, m

Im Zustand 1 wird die Absolutposition zu einem Zeitpunkt gemessen, bevor eine frühere Relativposition und Lage gemessen werden. Im Zustand 2 wird neuere Information erhalten, als es der zuvor gemessenen Relativposition und Lage entspricht. Das getrennte Handhaben der zwei Zustände erhöht die Genauigkeit. Im Zustand 1 existiert eine ganze Zahl k ≥ 0, die Folgendem genügt: tl,m-k-1 < tg,n ≤ tl,m-k In state 1, the absolute position is measured at a time before an earlier relative position and position are measured. In state 2, newer information is obtained than corresponds to the previously measured relative position and position. Separately handling the two states increases accuracy. In state 1 there exists an integer k ≥ 0, which satisfies the following: t l, mk-1 <t g, n ≤ t l, mk

8-2. Nachliefern bei tg,n ≤ tl,m 8-2. Add at t g, n ≤ t l, m

In diesem Fall können die Relativposition und die Lage leicht nachgeliefert werden. Es stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Für die vorliegende Ausführungsform werden drei Verfahren beschrieben: (1) Wegmessung, (2) erweiterte Wegmessung und (3) lineare Nachlieferung.In this case can the relative position and the location can be easily replenished. It Different methods are available. For the present embodiment Three methods are described: (1) path measurement, (2) extended Displacement measurement and (3) linear subsequent delivery.

8-2-1. Nachlieferung auf Basis einer Wegmessung8-2-1. Subsequent delivery based on a distance measurement

Um Wegmessung zu verwenden, sei angenommen, dass die Lagewinkelgeschwindigkeit ωl,m-k-1 und die Translationsgeschwindigkeit vl,m-k-1 für die Abtastdaten (m-k-1) bekannt sind.In order to use displacement measurement, it is assumed that the attitude angular velocity ω l, mk-1 and the translation velocity v l, mk-1 are known for the sampling data (mk-1).

Unter diesen Bedingungen werden die Relativposition xl,n, yl,n, θl,n bei tg,n wie folgt umgeschrieben: x -l,n = x -l,m-k-1 + (tg,n – tl,m-k-1)vl,m-k-1 cos(θ -l,m-k-1) y -l,n = y -l,m-k-1 + (tg,n – tl,m-k-1)vl,m-k-1 sin(θ -l,m-k-1) θ -l,n = θ -l,m-k-1 + (tg,n – tl,m-k-1l,m-k-1 Under these conditions, the relative position x l, n , y l, n , θ l, n at t g, n are rewritten as follows: x - l, n = x - l, mk-1 + (t g, n - t l, mk-1 ) v l, mk-1 cos (θ - l, mk-1 ) y - l, n = y - l, mk-1 + (t g, n - t l, mk-1 ) v l, mk-1 sin (θ - l, mk-1 ) θ - l, n = θ - l, mk-1 + (t g, n - t l, mk-1 ) ω l, mk-1

8-2-2. Nachlieferung auf Basis einer erweiterten Wegmessung8-2-2. Subsequent delivery on the basis of an extended Displacement

Es ist keine spezielle Information erforderlich, um eine erweiterte Wegmessung zu verwenden. Die Nachlieferung erfolgt unter Berücksichtigung zweier Fälle: (1) wenn θl,m-k-1 = θl,m-k gilt, und (2) wenn θl,m-k-1 ≠ θl,m-k gilt.No special information is required to use an extended path measurement. The subsequent delivery is made taking into consideration two cases: (1) when θ 1, mk-1 = θ 1, mk , and (2) when θ 1, mk-1 ≠ θ 1, mk holds.

Wenn θl,m-k-1 = θl,m-k gilt, erfolgt die Nachlieferung auf die folgende Weise:

Figure 00290001
If θ 1, mk-1 = θ 1, mk , the subsequent delivery occurs in the following way:
Figure 00290001

Wenn θl,m-k-1 ≠ θl,m-k gilt, wird als Erstes der Winkel wie folgt nachgeliefert:

Figure 00290002
If θ 1, mk-1 ≠ θ 1, mk holds, the angle is first supplied as follows:
Figure 00290002

Dann werden zum Nachliefern der Position die auf die unten definierte Weise definierten Werte ra,n, rb,n, und rn eingeführt:

Figure 00290003
Then, for redelivering the position, the values r a, n , r b, n , and r n defined in the manner defined below are introduced:
Figure 00290003

Hierbei sind xl,n und yl,n wie folgt zu schreiben: x -l,n = rn sin(θ -l,n – θ -l,m-k-1)cosθ -l,m-k-1 – rn(1 – cos(θ -l,n – θ -l,m-k-1)) sinθ -l,m-k-1 + x -l,m-k-1 y -l,n = rn sin(θ -l,n – θ -l,m-k-1)sinθ -l,m-k-1 + rn(1 – cos(θ -l,n – θ -l,m-k-1)) cosθ -l,m-k-1 + y -l,m-k-1 Here x l, n and y l, n are written as follows: x - l, n = r n sin (θ - l, n - θ - l, mk-1 ) cosθ - l, mk-1 - r n (1 - cos (θ - l, n - θ - l, mk-1 )) sinθ - l, mk-1 + x - l, mk-1 y - l, n = r n sin (θ - l, n - θ - l, mk-1 ) sin θ - l, mk-1 + r n (1 - cos (θ - l, n - θ - l, mk-1 ) cosθ - l, mk-1 + y - l, mk-1

8-2-3. Lineare Nachlieferung8-2-3. Linear subsequent delivery

xl,n, yl,n, und θl,n, werden auf Grundlage der folgenden Gleichungen lineare nachgeliefert:

Figure 00290004
x l, n , y l, n , and θ l, n , are supplied linearly based on the following equations:
Figure 00290004

8-3. Nachliefern, wenn tg,n > tl,m gilt8-3. Deliver, if t g, n > t l, m

Dieser Unterabschnitt differiert geringfügig vom Vorigen. Es werden vier Verfahren beschrieben: (1) Nachlieferung auf Basis einer Wegmessung, (2) Nachlieferung auf Basis einer erweiterten Wegmessung, (3) Nachlieferung, wenn die Geschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit nicht zur Verfügung stehen, und (4) lineare Nachlieferung.This Subsection differs slightly from the previous one. It will four methods are described: (1) subsequent delivery based on a distance measurement, (2) subsequent delivery based on an extended distance measurement, (3) subsequent delivery, if the speed and the angular speed are not for disposal stand, and (4) linear subsequent delivery.

8-3-1. Nachlieferung auf Basis einer Wegmessung8-3-1. Subsequent delivery based on a distance measurement

Um eine Wegmessung zu verwenden, sei angenommen, dass die Lagewinkelgeschwindigkeit ωl,m und die Translationsgeschwindigkeit vl,m für die m-ten Abtastdaten verfügbar sind.To use a displacement measurement, it is assumed that the attitude angular velocity ω 1, m and the translation velocity v 1, m are available for the m-th sampling data.

Unter diesen Bedingungen werden die Relativposition xl,n, yl,n, θl,n zu tg,n wie folgt geschrieben: x -l,n = x -l,m + (tg,n – tl,m)vl,m cos(θ -l,m) y -l,n = y -l,m + (tg,n – tl,m)vl,m sin(θ -l,m) θ -l,n = θ -l,m + (tg,n – tl,ml,m Under these conditions, the relative position x 1, n , y 1, n , θ 1, n are written to t g, n as follows: x - l, n = x - l, m + (t g, n - t l, m ) v l, m cos (θ - l, m ) y - l, n = y - l, m + (t g, n - t l, m ) v l, m sin (θ - l, m ) θ - l, n = θ - l, m + (t g, n - t l, m ) ω l, m

8-3-2. Nachlieferung auf Basis einer erweiterten Wegmessung8-3-2. Subsequent delivery on the basis of an extended Displacement

Um erweiterte Wegmessung zu verwenden, sei angenommen, dass die Lagewinkelgeschwindigkeit ωl,m und die Translationsgeschwindigkeit vl,m für die m-ten Abtastdaten verfügbar sind, wie oben.To use extended path measurement, assume that the attitude angular velocity ω 1, m and the translation velocity v 1, m are available for the m-th sampling data, as above.

Der Winkel wird auf die folgende Weise nachgeliefert: θ -l,n = θ -l,m + (tg,n – tl,ml,m The angle is supplied in the following way: θ - l, n = θ - l, m + (t g, n - t l, m ) ω l, m

Dann wird eine Variable δl,n eingeführt: δl,n = ωl,m(tg,n – tl,m) Then a variable δ l, n is introduced: δ l, n = ω l, m (t g, n - t l, m )

Unter diesen Bedingungen werden xl,n und yl,n wie folgt berechnet:

  • 1. when δl,n ≠ 0
    Figure 00310001
  • 2. when δl,n = 0 x -l,n = x -l,m-k-1 + (tg,n – tl,m-k-1)vl,m-k-1 cos(θ -l,m-k-1) y -l,n = y -l,m-k-1 + (tg,n – tl,m-k-1)vl,m-k-1 sin(θ -l,m-k-1)
Under these conditions x l, n and y l, n are calculated as follows:
  • 1. when δ l, n ≠ 0
    Figure 00310001
  • 2. when δ l, n = 0 x - l, n = x - l, mk-1 + (t g, n - t l, mk-1 ) v l, mk-1 cos (θ - l, mk-1 ) y - l, n = y - l, mk-1 + (t g, n - t l, mk-1 ) v l, mk-1 sin (θ - l, mk-1 )

8-3-3. Die Geschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit sind nicht verfügbar8-3-3. The speed and the angular speed Unavailable

Die Nachlieferung erfolgt unter Berücksichtigung zweier Fälle: (1) wenn θl,m-1 = θl,m gilt, und (2), wenn θl,m-1 ≠ θl,m gilt.The subsequent delivery is made taking into consideration two cases: (1) when θ 1, m-1 = θ 1, m , and (2) when θ 1, m-1 ≠ θ 1, m holds.

Wenn θl,m-1 = θl,m gilt, werden xl,n, yl,n, und θl,n auf Grundlage der folgenden Gleichungen nachgeliefert:

Figure 00310002
If θ 1, m-1 = θ 1, m , then x 1, n , y 1, n , and θ 1, n are replenished based on the following equations:
Figure 00310002

Wenn θl,m-1 ≠ θl,m gilt, wird als Erstes der Winkel wie folgt geliefert:

Figure 00310003
If θ 1, m-1 ≠ θ 1, m , the angle is first provided as follows:
Figure 00310003

Dann werden die unten definierten Werte ra,n, rb,n, und rn eingeführt, um die Position nachzuliefern:

Figure 00310004
Then, the values r a, n , r b, n , and r n defined below are introduced to deliver the position:
Figure 00310004

Hierbei werden xl,n und yl,n wie folgt geschrieben: x -l,n = rn sin(θ -l,n – θ -l,m-1)cosθ -l,m-1 – rn(1 – cos(θ -l,n – θ -l,m-1)) sinθ -l,m-1 + x -l,m-1 y -l,n = rn sin(θ -l,n – θ -l,m-1)sinθ -l,m-1 + rn(1 – cos(θ -l,n – θ -l,m-1)) cosθ -l,m-1 + y -l,m-1 Here x l, n and y l, n are written as follows: x - l, n = r n sin (θ - l, n - θ - l, m-1 ) cosθ - l, m-1 - r n (1 - cos (θ - l, n - θ - l, m-1 )) sinθ - l, m-1 + x - l, m-1 y - l, n = r n sin (θ - l, n - θ - l, m-1 ) sin θ - l, m-1 + r n (1 - cos (θ - l, n - θ - l, m-1 ) cosθ - l, m-1 + y - l, m-1

8-3-4. Lineare Nachlieferung8-3-4. Linear subsequent delivery

Lineare Nachlieferung erfolgt auf Grundlage der folgenden Gleichungen:

Figure 00320001
Linear replenishment is based on the following equations:
Figure 00320001

9. Es ist kein Absolutwinkel-Messabschnitt vorhanden9. It is not an absolute angle measuring section available

Der Absolutwinkel-Messabschnitt 5 ist bei der Zustandsabschätzvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform nicht wesentlich, anders gesagt, die Zustandsabschätzvorrichtung 1 kann den Anfangszustand des Fahrzeugs selbst ohne den Absolutwinkel-Messabschnitt 5 abschätzen. Es folgen Einzelheiten.The absolute angle measuring section 5 is in the state estimator 1 In the present embodiment, it is not essential, in other words, the state estimator 1 can the initial state of the vehicle even without the absolute angle measuring section 5 estimated. Details follow.

Als Erstes sei angenommen, dass sich das Fahrzeug im Globalkoordinatensystem von (xg,n-k, yg,n-k) nach (xg,n, yg,n) und im Ortskoordinatensystem von (xl,n-k, yl,n-k) nach (xl,n, yl,n) bewegt hat, wie es in der 5 dargestellt ist. Der relative Lagewinkel, und der absolute Lagewinkel, θg,n, des Fahrzeugs nach der Bewegung sind wie folgt gegeben: θl,n = arg((xl,n – xl,n-k) + i(yl,n – yl,n-k)) θg,n = arg((xg,n – xg,n-k) + i(yg,n – yg,n-k)) First, it is assumed that the vehicle in the global coordinate system (x g, nk, y g, nk) to (x g, n, y g n) and in the local coordinate system (x l, nk, y l, nk) after (x l, n , y l, n ) has moved, as in the 5 is shown. The relative attitude angle, and the absolute attitude angle, θ g, n , of the vehicle after the movement are given as follows: θ l, n = arg ((x l, n - x l, nk ) + i (y l, n - y l, nk )) θ g, n = arg ((x g, n - x g, nk ) + i (y g, n - y g, nk ))

Ein Umschreiben der durch die Gleichung (5) gegebenen Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahme ermöglicht es, θo im Anfangszustand zu berechnen: θob,n+1 = θob,n – kθg,n – θl,n) Rewriting the initial state observation measure given by the equation (5) makes it possible to calculate θ o in the initial state: θ whether, n + 1 = θ whether n - k θ g, n - θ l, n )

Die zum θo erforderlichen Parameter sind (xg,n-k, yg,n-k) und (xg,n, yg,n). Diese Parameter werden durch den Absolutwinkel-Messabschnitt 2 und den Absolutposition-Messabschnitt 3 erhalten (siehe die 1). Indessen werden die durch den Relativwinkel-Messabschnitt 4 und den Absolutwinkel-Messabschnitt 5 erhaltenen Parameter zum Berechnen von θo nicht verwendet.The required for θ o parameters are (x g, nk, y g, nk) and (x g, n, y g n). These parameters are determined by the absolute angle measuring section 2 and the absolute position measuring section 3 received (see the 1 ). Meanwhile, those by the relative angle measuring section 4 and the absolute angle measuring section 5 is not used for calculating θ o .

Demgemäß können der Relativwinkel-Messabschnitt 4 und der Absolutwinkel-Messabschnitt 5 beim Abschätzen des Lagewinkels des Fahrzeugs im Anfangszustand weggelassen werden. Ohne diese Abschnitte ist der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6 immer noch dazu in der Lage, θo aus (xg,n-k, yg,n-k) und (xg,n, yg,n) zu berechnen. Um den absoluten Lagewinkel des Fahrzeugs im aktuellen Zustand abzuschätzen, ist jedoch der Relativwinkel-Messabschnitt 4 erforderlich, da θl in den Gleichungen (1) erforderlich ist.Accordingly, the relative angle measuring section 4 and the absolute angle measuring section 5 be omitted in estimating the attitude angle of the vehicle in the initial state. Without these sections, the initial angle estimating section is 6 still capable, θ o to be calculated from (x g, nk, y g, nk) and (x g, n, y g n). To estimate the absolute attitude angle of the vehicle in the current state, however, is the relative angle measuring section 4 required because θ l is required in equations (1).

Wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, anders gesagt, wenn (xl,n – xl,n-k, yl,n – yl,n-k) = (0, 0) und (xg,n – xg,n-k, yg,n – yg,n-k) = (0, 0) gelten, können θl,n und θg,n nicht durch den obigen Prozess berechnet werden; jedoch kann die aktuelle Position abgeschätzt werden. Die Genauigkeit der Abschätzung kann dadurch verbessert werden, dass der Anfangsposition-Abschätzabschnitt und der Absolutwinkel-Messabschnitt wie folgt aktualisiert werden: xob,n+1 = T(θob,n)xl + xob,n xl = 0 If the vehicle is not moving, in other words, if (x 1, n -x 1, nk , y 1, n -y 1, nk ) = (0, 0) and (x g, n -x g, nk , y g, n -y g, nk ) = (0, 0), θ 1, n and θ g, n can not be calculated by the above process; however, the current position can be estimated. The accuracy of the estimation can be improved by updating the initial position estimating section and the absolute angle measuring section as follows: x whether, n + 1 = T (θ whether n ) x l + x whether n x l = 0

10. Verifizierversuche10. Verification attempts

Es wurden Versuche ausgeführt, bei denen ein zweirädriger, mobiler Roboter gesteuert wurde, um die Effektivität der Zustandsabschätzvorrichtung 1 zu verifizieren. Die Versuche verwendeten eine modifizierte Wegmessung als Koppelnavigationstechnik sowie ein Positioniersystem auf Basis einer CCD-Kamera als Himmelsnavigationstechnik.Experiments were conducted in which a two-wheeled mobile robot was controlled to increase the effectiveness of the state estimator 1 to verify. The experiments used a modified displacement measurement as dead reckoning technique as well as a positioning system based on a CCD camera as sky navigation technology.

10-1. Bei Versuchen verwendete Vorrichtungen10-1. Devices used in experiments

Die 6 zeigt die Konfiguration des bei den Versuchen verwendeten Systems. Das System enthielt einen zweirädrigen, mobilen Roboter als Fahrzeug. Die Bewegung des Roboters wurde unter Verwendung eines Personal Computers gesteuert und mit einem Sichtsystem (Bildprozessor und CCD-Kameras) gemessen.The 6 shows the configuration of the system used in the experiments. The system contained a two-wheeled, mobile robot as a vehicle. The movement of the robot was controlled using a personal computer and measured with a vision system (image processor and CCD cameras).

Die 7(a) und 7(b) zeigen die Konfiguration des zweirädrigen, mobilen Roboters. Der zweirädrige, mobile Roboter verfügte über einen Gleichstrommotor und einen an jedem der zwei Räder angebrachten Winkelcodierer, so dass die Winkel der Räder unabhängig gemessen werden konnten. Der zweirädrige, mobile Roboter wurde über einen Desktop-PC gesteuert. Bei den Versuchen wurde ein Abtastvorgang ungefähr alle 9 ms ausgeführt.The 7 (a) and 7 (b) show the configuration of the two-wheeled, mobile robot. The two-wheel mobile robot had a DC motor and an angle encoder attached to each of the two wheels so that the angles of the wheels could be independently measured. The two-wheeled mobile robot was controlled via a desktop PC. In the experiments, one scan was performed approximately every 9 ms.

Das bei den Versuchen verwendete Sichtsystem führte ungefähr alle 17 ms einen Abtastvorgang aus. Außerdem führte, da das Sichtsystem den Lagewinkel des Roboters nicht direkt messen konnte, dasselbe eine Messung der Positionen zweier Punkte, wie in der 8 dargestellt aus, und es berechnete den Lagewinkel unter Verwendung der folgenden Gleichungen:

Figure 00340001
The vision system used in the experiments performed a scan approximately every 17 ms. In addition, since the vision system could not directly measure the attitude angle of the robot, it did the same to measure the positions of two points, as in FIG 8th and calculated the attitude angle using the following equations:
Figure 00340001

Die Tabelle 1 zeigt mittlere Messfehler und Fehlerverteilungen am Ursprung des Sichtsystems. Tabelle 1 Mittlerer Fehler und Fehlerverteilung (Anzahl im Datensatz = 5000) x (cm) y (cm) θ (rad) Mittlerer Fehler –0,1716 0,015433 0,017922 Fehlerverteilung 0,00133 0,000201 0,000986 Table 1 shows mean measurement errors and error distributions at the origin of the vision system. Table 1 Mean error and error distribution (number in the data set = 5000) x (cm) y (cm) θ (rad) Medium error -0.1716 0.015433 0.017922 error distribution 0.00133 0.000201 0.000986

10-2. Versuchsprozeduren10-2. experimental procedures

Die Bewegung des zweirädrigen, mobilen Roboters wurde ab einem Anfangszustand (x cm, y cm, θ rad) = (5,00, –10,00, 0,00) bis zu einem Zielzustand (xr cm, yr cm, θr rad) = (0,00, 0,00, 0,00) gesteuert. Als Steuerregeln wurden homogene, in endlicher Zeit stabilisierende Steuerregeln verwendet. Die Steuerung dauerte 180 Sekunden.The movement of the two-wheeled mobile robot became from an initial state (x cm, y cm, θ rad) = (5.00, -10.00, 0.00) to a target state (x r cm, y r cm, θ r rad) = (0.00, 0.00, 0.00). The tax rules used homogeneous, finite-term tax rules. The control lasted 180 seconds.

Die mit dem Sichtsystem gemessenen Anfangszustandswerte des zweirädrigen, mobilen Roboters wurden als Anfangswerte für die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen verwendet. Die Verstärkungen kx, ky und kθ in den Beobachtungsmaßnahmen waren 0,0007, 0,0007 und 0,0007. Die durch die Zustandsabschätzvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform erstellten Schätzwerte für den schließlichen Eintreffpunkt (Endpunkt) des zweirädrigen, mobilen Roboters und die mit einer Feinmessschieber und einem Winkelmesser gewonnen tatsächlichen Messwerte für den Punkt wurden aufgezeichnet.The initial state values of the two-wheel mobile robot measured with the vision system were used as initial values for the initial state observation measures. The gains k x , k y and k θ in the observations were 0.0007, 0.0007 and 0.0007. The final arrival point (end point) estimates of the two-wheeled mobile robot made by the state estimating apparatus of the present embodiment and the actual measured values for the point obtained with a fine caliper and a protractor were recorded.

Bei den Versuchen wurden die Anfangszustand-Beobachtungsmaßnahmen synchron mit der Abtastung durch das Sichtsystem aktualisiert. Das Aktualisieren eines Schätzwerts erfordert theoretisch Lokal- und Globalinformation, die zum selben Zeitpunkt gesammelt werden: die Schätzwerte der Beobachtungsmaßnahmen werden beeinflusst, wenn, wie bei den aktuellen Versuchen, Abtastvorgänge mit verschiedenen Intervallen zwischen der Himmelsnavigationstechnik und der Koppelnavigationstechnik erfolgen. Der Vereinfach halber sei angenommen, dass der negative Einfluss der verschiedenen Abtastintervalle bei den Versuchen ausreichend klein ist. Es erfolgte keine spezielle Korrektur.at The experiments were the initial state observation measures updated synchronously with the scan by the vision system. The Update an estimate theoretically requires local and global information, which is the same Time to be collected: the estimates of the monitoring activities are affected if, as in the current experiments, scanning with different intervals between the sky navigation technology and the dead reckoning technique. For the sake of simplicity Let us assume that the negative influence of the different sampling intervals is sufficiently small in the experiments. There was no special Correction.

10-3. Versuchsergebnisse10-3. test results

Die 9 zeigt Schätzwerte der Globalinformation und die 10 bis 12 zeigen Schätzwerte für den Anfangszustand. Die Tabelle 2 zeigt Schätzwerte und tatsächliche Werte der Globalinformation für den Endpunkt. Die Tabelle 3 zeigt mittlere Differenzen (Fehler) zwischen den tatsächlichen und den Schätzwerten sowie Fehlerverteilungen. Table 2 Versuchsergebnisse Schätzwert Nr. x [cm] y [cm] θ [rad] 1 0,210 0,020 0,019 2 0,100 –0,020 0,008 3 0,160 0,010 0,003 4 0,130 0,000 0,028 5 0,100 –0,010 0,032 Gemessener Wert Nr. x [cm] y [cm] θ [rad] 1 –0,160 0,030 0,035 2 –0,160 0,050 0,035 3 –0,170 0,030 0,017 4 –0,140 0,000 0,017 5 –0,170 0,110 0,017 Tabelle 3 Mittlerer Fehler und Verteilung zwischen Messwerten und Schätzwerten x (cm) y (cm) θ (rad) Mittlerer Fehler –0,3000 0,0440 0,0066 Fehlerverteilung 0,0023 0,0025 0,0003 The 9 shows estimates of the global information and the 10 to 12 show estimates for the initial state. Table 2 shows estimates and actual values of global information for the Endpoint. Table 3 shows mean differences (errors) between the actual and the estimated values as well as error distributions. Table 2 test results estimated value No. x [cm] y [cm] θ [rad] 1 0.210 0,020 0.019 2 0,100 -0.020 0,008 3 0,160 0,010 0,003 4 0.130 0,000 0.028 5 0,100 -0.010 0.032 Measured value No. x [cm] y [cm] θ [rad] 1 -0.160 0,030 0,035 2 -0.160 0,050 0,035 3 -0.170 0,030 0,017 4 -0.140 0,000 0,017 5 -0.170 0,110 0,017 Table 3 Mean error and distribution between measured values and estimated values x (cm) y (cm) θ (rad) Medium error -0.3000 0.0440 0.0066 error distribution 0.0023 0.0025 0.0003

Die 10 zeigt, dass xob,n ungefähr 80 Sekunden nach Beginn der Steuerung auf 5,12 cm konvergierte und ungefähr 120 Sekunden nach dem Beginn damit startete, auf einen andern Wert zu konvergieren. Die 9 zeigt, dass sich der Roboter ungefähr 120 Sekunden nach dem Beginn erneut bewegte, was vermutlich ein Seitwärtsrutschen oder eine andere äußere Störung, die der Roboter während der Bewegung erfuhr, anzeigt. Dieselbe Erörterung gilt für yob,n und θob,n.The 10 shows that x ob, n converged to 5.12 cm about 80 seconds after the start of the control and started to converge to another value about 120 seconds after the start. The 9 indicates that the robot moved again about 120 seconds after the beginning, which is likely to indicate a sideways slide or other external disturbance experienced by the robot during the movement. The same discussion holds for y ob, n and θ ob, n .

11. Zusatzerörterung11. Additional discussion

Schließlich können die Blöcke der Zustandsabschätzvorrichtung 1, insbesondere der Anfangswinkel-Abschätzabschnitt 6, der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt 7, der Anfangsposition-Abschätzabschnitt 8 und der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt 9, durch Hardware oder Software, die durch eine CPU wie folgt ausgeführt wird, realisiert werden.Finally, the blocks of the state estimator 1 , in particular, the initial angle estimating section 6 , the current-angle estimation section 7 , the initial position estimation section 8th and the current position estimating section 9 , be realized by hardware or software executed by a CPU as follows.

Die Zustandsabschätzvorrichtung 1 verfügt über eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) und Speichervorrichtungen (Speichermedien). Die CPU führt Anweisungen aus, die in die Funktionen realisierenden Steuerungsprogrammen enthalten sind. Die Speichervorrichtungen können ein ROM (Festwertspeicher), der Programme enthält, ein RAM (Direktzugriffsspeicher), in den die Programme geladen werden, oder ein Speicher sein, der die Programme und verschiedene Daten enthält. Das Ziel der Erfindung kann auch dadurch erreicht werden, dass an der Zustandsabschätzvorrichtung 1 ein Computer-lesbarer Speicherträger angebracht wird, der Steuerungsprogrammcode (ausführbare Programme, Zwischencodeprogramme oder Quellprogramme) für die Zustandsabschätzvorrichtung enthält, wobei es sich um Software handelt, die die oben genannten Funktionen realisiert, damit der Computer (oder die CPU, eine MPU) den im Speicherträger enthaltenen Programmcode abrufen und ausführen kann.The state estimator 1 has a CPU (central processing unit) and storage devices (storage media). The CPU executes instructions contained in the functions implementing control programs. The storage devices may be a ROM (Read Only Memory) containing programs, a RAM (Random Access Memory) in which the programs are loaded, or a memory containing the programs and various data. The object of the invention can also be achieved by using the state estimator 1 a computer-readable storage medium attached which contains control program code (executable programs, intermediate code programs, or source programs) for the state estimator, which is software that realizes the above-mentioned functions for the computer (or the CPU, an MPU) to retrieve and execute the program code contained in the storage medium can.

Der Speicherträger kann beispielsweise ein Band, wie ein Magnetband oder ein Kassettenband; eine Magnetplatte, wie eine Diskette oder eine Festplatte; oder eine optische Platte, wie eine CDROM/MO/MD/DVD/CDR; eine Karte, wie eine IC-Karte (Speicherkarte) oder eine optische Karte; oder ein Halbleiterspeicher, wie ein Masken-ROM/EPROM/EEPROM/Flash-ROM, sein.Of the storage medium For example, a tape such as a magnetic tape or a cassette tape; a magnetic disk such as a floppy disk or a hard disk; or an optical disc such as a CDROM / MO / MD / DVD / CDR; a map, such as an IC card (memory card) or an optical card; or a semiconductor memory such as a mask ROM / EPROM / EEPROM / Flash ROM, be.

Die Zustandsabschätzvorrichtung 1 kann so aufgebaut sein, dass sie mit einem Kommunikationsnetzwerk verbindbar ist, so dass der Programmcode über dieses geliefert werden kann. Für das Kommunikationsnetzwerk besteht keine Einschränkung in irgendeiner speziellen Weise, und es kann beispielsweise das Internet, ein Intranet, ein Extranet, ein LAN, ISDN, VAN, ein CATV-Kommunikationsnetzwerk, ein spezifisches virtuelles Netzwerk (virtuelles Privatnetzwerk), ein Telefonleitungsnetz, ein Mobilkommunikationsnetz oder ein Satellitenkommunikationsnetz sein. Für das Transfermedium, das das Kommunikationsnetzwerk aufbaut, besteht keine Einschränkung in irgendeiner speziellen Weise, und es kann beispielsweise eine Drahtleitung, wie IEEE 1394, USB, eine elektrische Spannungsleitung, eine Kabelfernsehleitung, eine Telefonleitung oder DSL sein; oder drahtlos, wie Infrarotstrahlung (IrDA, Fernsteuerung), Bluetooth®, 802.11-Funk, HDR, ein Mobiltelefonnetz, eine Satellitenleitung oder ein terestrisches Digitalnetz. Die Erfindung umfasst Übertragung mittels einer Trägerwelle oder eines Datensignals, worin der Programmcode elektronisch eingebettet ist.The state estimator 1 may be constructed so that it is connectable to a communication network, so that the program code can be delivered via this. The communication network is not limited in any specific way, and may include, for example, the Internet, an intranet, an extranet, a LAN, ISDN, VAN, a CATV communication network, a specific virtual network (virtual private network), a telephone line network, a mobile communication network or a satellite communications network. The transfer medium constituting the communication network is not limited in any specific way, and may be, for example, a wireline such as IEEE 1394, USB, an electric power line, a cable television line, a telephone line or DSL; or wireless, such as infrared radiation (IrDA, remote control), Bluetooth ®, 802.11 radio, HDR, a mobile telephone network, a satellite line or a terestrisches digital network. The invention includes transmission by means of a carrier wave or a data signal, wherein the program code is electronically embedded.

Die Erfindung zeigt ein Merkmal dahingehend, dass sie die aktuelle Position und den Lagewinkel eines Fahrzeugs abschätzen kann, ohne durch den Messfehler des relativen Lagewinkels oder der Position beeinflusst zu sein, und zwar selbst dann, wenn die Anfangsposition oder der anfängliche Lagewinkel des Fahrzeugs unbekannt ist. Außerdem benötigt die Erfindung, abweichend von Techniken auf Basis eines Kalman-Filters, keine Messfehler-Verteilmatrix; die Erfindung ist selbst dann leicht anwendbar, wenn es schwierig ist, die Fehlerverteilung zu erhalten.The Invention shows a feature that it is the current position and can estimate the attitude angle of a vehicle without the measurement error being influenced by the relative attitude angle or position even if the initial position or the initial one Position angle of the vehicle is unknown. In addition, the invention requires, deviating techniques based on a Kalman filter, not a measurement error distribution matrix; the Invention is easily applicable even when it is difficult to get the error distribution.

Die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung ist vorzugsweise dergestalt, dass dann, wenn die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung den absoluten Lagewinkel misst, die Relativposition-Messeinrichtung den bereits gemessenen relativen Lagewinkel nachliefert und diesen an die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung ausgibt.The Zustandsabschätzvorrichtung according to the invention is preferably such that when the initial angle estimator the absolute position angle measures, the relative position measuring device the already measured relative attitude angle nachliefert and this the initial angle estimator outputs.

Anders gesagt, ist es bevorzugt, wenn die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung den anfänglichen Lagewinkel abschätzt, über die Werte des relativen und des absoluten Lagewinkels des Fahrzeugs zu verfügen, die zum selben Zeitpunkt aufgenommen wurden. Jedoch kann, allgemein gesagt, kein relativer Lagewinkel verfügbar sein, wenn der anfänglich Lagewinkel abzuschätzen ist, da die Absolutwinkel-Messeinrichtung den absoluten Lagewinkel mit einem längeren Zyklus misst als die Relativwinkel-Messeinrichtung den relativen Lagewinkel misst.Different said, it is preferred if the initial angle estimator the initial one Lagewinkel appraises, over the Values of the relative and the absolute attitude angle of the vehicle to dispose of recorded at the same time. However, in general said, no relative attitude angle would be available if the initial attitude angle estimate is because the absolute angle measuring device the absolute attitude angle with a longer one Cycle measures the relative angle as the relative angle measuring device Position angle measures.

Demgemäß gibt, bei der obigen Konfiguration, die Relativwinkel-Messeinrichtung den nachgelieferten relativen Lagewinkel an die Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung aus. Demgemäß kann die Vorrichtung selbst dann, wenn die Relativwinkel-Messeinrichtung den relativen Lagewinkel nicht misst, wenn der anfänglich Lagewinkel abzuschätzen ist, diesen unter Verwendung des nachgelieferten relativen Lagewinkels an Stelle eines Messwerts desselben abschätzen.Accordingly, In the above configuration, the relative angle measuring device is the relined relative one Position angle to the initial angle estimator off. Accordingly, the Device even if the relative angle measuring device does not measure the relative attitude angle when the initial attitude angle estimate is, this using the supplied relative attitude angle instead of a measured value of the same estimate.

Die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung ist vorzugsweise dergestalt, dass dann, wenn die Absolutposition-Messeinrichtung die Absolutposition misst, die Relativposition-Messeinrichtung die bereits gemessener Relativposition nachliefert und diese nachgelieferte Relativposition an die Anfangsposition-Abschätzeinrichtung ausgibt.The Zustandsabschätzvorrichtung according to the invention is preferably such that when the absolute position measuring device the absolute position measures, the relative position measuring device the already measured Relativposition nachliefert and these subsequently delivered Output relative position to the initial position estimator.

Anders gesagt, ist es, wenn die Anfangsposition-Abschätzeinrichtung die Anfangsposition abschätzt, bevorzugt, über die Werte der Relativ- und der Absolutposition des Fahrzeugs, die zum selben Zeitpunkt aufgenommen wurden, zu verfügen. Jedoch kann, allgemein gesagt, keine Relativposition verfügbar sein, wenn die Anfangsposition abzuschätzen ist, da die Absolutposition-Messeinrichtung die Absolutposition mit einem längeren Zyklus misst, als die Relativposition-Messeinrichtung die Relativposition misst.Different That is, when the initial position estimating means is the initial position appraises, preferably, over the Values of the relative and absolute positions of the vehicle used for the same date. However, in general said, no relative position will be available when the initial position estimate is because the absolute position measuring device is the absolute position with a longer one Cycle measures, as the relative position measuring device, the relative position measures.

Demgemäß gibt, bei der obigen Konfiguration, die Relativposition-Messeinrichtung die nachgelieferte Relativposition an die Anfangsposition-Abschätzeinrichtung aus. Demgemäß kann die Vorrichtung selbst dann, wenn die Relativposition-Messeinrichtung die Relativposition nicht misst, wenn die Anfangsposition abzuschätzen ist, diese unter Verwendung der nachgelieferten Relativposition an Stelle eines Messwerts derselben abschätzen.Accordingly, in the above configuration, the relative position measuring means outputs the relayed relative position to the initial position estimating means. Accordingly, the device itself when the relative position measuring means does not measure the relative position when the initial position is to be estimated, estimating it using the supplied relative position instead of a measured value thereof.

Einige Schritte des Zustandsabschätzverfahrens können dadurch auf einem Computer implementiert werden, dass ein Zustandsabschätzprogramm abgearbeitet wird. So erzielt der Computer dieselben Funktionen und Wirkungen wie die Zustandsabschätzvorrichtung gemäß der Erfindung. Durch Abspeichern des Zustandsabschätzprogramms in einem Computer-lesbaren Speicherträger kann das Programm auf jedem beliebigen Computer abgearbeitet werden.Some Steps of the Estimation Procedure can be implemented on a computer that a state estimation program is processed. This is how the computer achieves the same functions and effects as the state estimator according to the invention. By storing the state estimator in a computer readable storage medium The program can be executed on any computer.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEITINDUSTRIAL APPLICABILITY

Die Erfindung kann die aktuelle Position und den Lagewinkel eines Kraftfahrzeugs, eines Schiffs oder eines anderen Fahrzeugs selbst dann abschätzen, wenn die Anfangsposition und der anfänglich Lagewinkel unbekannt sind.The Invention can determine the current position and the attitude angle of a motor vehicle, of a ship or other vehicle even if the initial position and the initial one Position angles are unknown.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Es sind eine Zustandsabschätzvorrichtung, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Computer-lesbarer Speicherträger geschaffen, die sich nicht auf eine Fehlerverteilungsmatrix stützen, aber immer noch von Nutzen sind, wenn der Anfangszustand unbekannt ist. Es sind ein Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt (6), ein Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt (7), ein Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt (8) und ein Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt (9) bereitgestellt. Der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt (6) schätzt den Lagewinkel (anfänglichen Lagewinkel) eines Fahrzeugs aus einem durch einen Relativwinkel-Messabschnitt (4) erhaltenen relativen Lagewinkel und einem durch einen Absolutwinkel-Messabschnitt (5) erhaltenen absoluten Lagewinkel ab. Der Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt (7) schätzt den Lagewinkel (aktuellen Lagewinkel) des Fahrzeugs aus dem relativen Lagewinkel und dem anfänglichen Lagewinkel ab. Der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt (8) schätzt die Position des Fahrzeugs (Anfangsposition) aus dem anfänglichen Lagewinkel, der durch einen Relativposition-Messabschnitt (2) erhaltenen Relativposition des Fahrzeugs und einer durch einen Absolutposition-Messabschnitt (3) erhaltenen Absolutposition ab. Der Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt (9) schätzt die aktuelle Position des Fahrzeugs aus der Relativposition, dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel und der abgeschätzten Anfangsposition ab. Demgemäß werden die aktuelle Position und der aktuelle Lagewinkel des Fahrzeugs abgeschätzt.There is provided a state estimator, method, computer program, and computer readable storage medium that does not rely on an error distribution matrix, but is still useful when the initial state is unknown. There are a current-angle estimation section ( 6 ), a current-angle estimation section ( 7 ), a current position estimating section ( 8th ) and a current position estimating section ( 9 ) provided. The current-angle estimation section ( 6 ) estimates the attitude angle (initial attitude angle) of a vehicle from a through a relative angle measurement portion (FIG. 4 ) and a through an absolute angle measuring section ( 5 ) obtained absolute position angle. The current-angle estimation section ( 7 ) estimates the attitude angle (current attitude angle) of the vehicle from the relative attitude angle and the initial attitude angle. The current position estimation section ( 8th ) estimates the position of the vehicle (initial position) from the initial attitude angle determined by a relative position measurement portion ( 2 ) and a relative position of the vehicle obtained by an absolute position measuring section ( 3 ) absolute position obtained. The current position estimation section ( 9 ) estimates the current position of the vehicle from the relative position, the estimated initial attitude angle, and the estimated initial position. Accordingly, the current position and the current attitude angle of the vehicle are estimated.

11
ZustandsabschätzvorrichtungZustandsabschätzvorrichtung
22
Absolutwinkel-Messabschnitt (Relativposition-Messeinrichtung)Absolute angle measurement section (Relative position measuring means)
33
Absolutposition-Messabschnitt (Absolutposition-Messeinrichtung)Absolute position measurement section (Absolute position-measuring device)
44
Relativwinkel-Messabschnitt (Relativwinkel-Messeinrichtung)Relative angle measuring section (Relative angle-measuring device)
55
Absolutwinkel-Messabschnitt (Absolutwinkel-Messeinrichtung)Absolute angle measurement section (Absolute angle-measuring device)
66
Anfangswinkel-Abschätzabschnitt (Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung)Starting angle estimating (Initial angle estimator)
77
Aktueller-Winkel-Abschätzabschnitt (Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung)Current angle estimating (Current-angle estimator)
88th
Anfangsposition-Abschätzabschnitt (Anfangsposition-Abschätzeinrichtung)Initial position estimating (Initial position estimator)
99
Aktuelle-Position-Abschätzabschnitt (Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung)Current position estimating (Current position estimation)

Claims (8)

Zustandsabschätzvorrichtung mit: einer Relativposition-Messeinrichtung zum Messen, als Relativposition, der Position eines Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; einer Absolutposition-Messeinrichtung zum Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; einer Relativwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; einer Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung zum Berechnen, als absoluten Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems aus der Relativposition und der Absolutposition, und auch zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem handelt, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen Wert konvergiert, der dem anfänglichen Lagewinkel entspricht; einer Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem handelt; einer Anfangsposition-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativ position und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und einer Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.A state estimating apparatus comprising: a relative position measuring device for measuring, as a relative position, the position of a vehicle in a location coordinate system whose coordinate axes change with a movement of the vehicle; an absolute position measuring device for measuring, as an absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose coordinate axes are fixed independently of the movement of the vehicle; relative angle measuring means for measuring, as a relative attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the location coordinate system; initial angle estimating means for calculating, as absolute attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system from the relative position and the absolute position, and also estimating an initial attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that that a sequence represented by a recursive formula containing the relative attitude angle and the absolute attitude angle converges to a value corresponding to the initial attitude angle; current angle estimation means for estimating, as a sum of the relative attitude angle and the estimated initial attitude angle, the current attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its current state in the global coordinate system; an initial position estimating means for estimating the initial position which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system on the assumption that a sequence represented by a recursive formula containing the estimated initial attitude angle, the relative position and the absolute position , converges to a value corresponding to the initial position; and current position estimation means for estimating the current position which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system based on the relative position, the estimated initial attitude angle and the estimated initial position. Zustandsabschätzvorrichtung mit: einer Relativposition-Messeinrichtung zum Messen, als Relativposition, der Position eines Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; einer Absolutposition-Messeinrichtung zum Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; einer Relativwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; einer Absolutwinkel-Messeinrichtung zum Messen, als absoluten Lagewinkel, den Winkel des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems; einer Anfangswinkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; einer Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, bei dem es sich um den Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem handelt; einer Anfangsposition-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und einer Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.Zustandsabschätzvorrichtung With: a relative position measuring device for measuring, as Relative position, the position of a vehicle in a location coordinate system, whose coordinate axes change with a movement of the vehicle; one Absolute position measuring device for measuring, as absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose Coordinate axes independent are fixed by the movement of the vehicle; a relative angle measuring device for measuring, as a relative attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the location coordinate system; one Absolute-angle measuring device for measuring, as the absolute position angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes the global coordinate system; an initial angle estimator to estimate an initial one Attitude angle, the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula that expresses the relative Position angle and the absolute attitude angle contains, on a the initial Position angle corresponding value converges; a current-angle estimator to assess, as the sum of the relative attitude angle and the estimated initial one Position angle, the current attitude angle, which is the attitude angle of the Vehicle in its current state in the global coordinate system acting; an initial position estimator for estimating the Initial position, which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system, assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula which is the estimated initial one Position angle, the relative position and the absolute position contains on converges a value corresponding to the initial position; and one Current position estimator to estimate the current position, which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system is on basis the relative position, the estimated initial Attitude angle and the estimated Initial position. Zustandsabschätzvorrichtung nach Anspruch 2, bei der dann, wenn die Absolutwinkel-Messeinrichtung den absoluten Lagewinkel misst, die Relativwinkel-Messeinrichtung den bereits gemessenen relativen Lagewinkel nachliefert und diesen an die Aktueller-Winkel-Abschätzeinrichtung ausgibt.Zustandsabschätzvorrichtung according to claim 2, wherein when the absolute angle measuring device the absolute position angle measures, the relative angle measuring device the already measured relative attitude angle nachliefert and this the current-angle estimator outputs. Zustandsabschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der dann, wenn die Absolutwinkel-Messeinrichtung die Absolutposition misst, die Relativposition-Messeinrichtung die bereits gemessene Relativposition nachliefert und sie an die Aktuelle-Position-Abschätzeinrichtung ausgibt.Zustandsabschätzvorrichtung according to one of the claims 1 and 2, in which when the absolute angle measuring device the Absolute position measures, the relative position measuring device already measured relative position and delivers it to the current position estimator outputs. Zustandsabschätzverfahren mit den folgenden Schritten: (1) Messen, als Relativposition, der Position des Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; (2) Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; (3) Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; (4) Berechnen, als absoluten Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems aus der Relativposition und der Absolutposition, und auch zum Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; (5) Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist; (6) Abschätzen einer Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und (7) Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.A state estimation method comprising the steps of: (1) measuring, as a relative position, the position of the vehicle in a location coordinate system whose coordinate axes change with movement of the vehicle; (2) measuring, as an absolute position, the position of the vehicle in a global coordinate system whose coordinate axes are fixed irrespective of the movement of the vehicle; (3) measuring, as a relative attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the location coordinate system; (4) Calculating, as the absolute attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the global coordinate system from the relative position and the absolute position, and also for estimating an initial attitude angle which is the attitude angle of the vehicle in its initial state in the global coordinate system on the assumption in that a sequence represented by a recursive formula containing the relative attitude angle and the absolute attitude angle converges to a value corresponding to the initial attitude angle; (5) Estimate, as the sum of the relative attitude angle and the estimated initial attitude angle, the current attitude angle, which is the attitude angle of the vehicle in its current state in the global coordinate system; (6) estimating an initial position which is the position of the vehicle in its initial state in the global coordinate system on the assumption that a sequence represented by a recursive formula including the estimated initial attitude angle, the relative position and the absolute position is set to one the value corresponding to the initial position converges; and (7) estimating the current position, which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system, based on the relative position, the estimated initial attitude angle, and the estimated initial position. Zustandsabschätzverfahren mit den folgenden Schritten: (1) Messen, als Relativposition, der Position des Fahrzeugs in einem Ortskoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen sich mit einer Bewegung des Fahrzeugs ändern; (2) Messen, als Absolutposition, der Position des Fahrzeugs in einem Globalkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs fixiert sind; (3) Messen, als relativen Lagewinkel, des Winkels des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Ortskoordinatensystems; (4) Messen, als absoluten Lagewinkel, den Winkel des Fahrzeugs in Bezug auf eine der Koordinatenachsen des Globalkoordinatensystems; (5) Abschätzen eines anfänglichen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den relativen Lagewinkel und den absoluten Lagewinkel enthält, auf einen dem anfänglichen Lagewinkel entsprechenden Wert konvergiert; (6) Abschätzen, als Summe aus dem relativen Lagewinkel und dem abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, des aktuellen Lagewinkels, der der Lagewinkel des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist; (7) Abschätzen einer Anfangsposition, die die Position des Fahrzeugs in dessen Anfangszustand im Globalkoordinatensystem ist, unter der Annahme, dass eine Sequenz, die durch eine rekursive Formel repräsentiert ist, die den abgeschätzten anfänglichen Lagewinkel, die Relativposition und die Absolutposition enthält, auf einen der Anfangsposition entsprechenden Wert konvergiert; und (8) Abschätzen der aktuellen Position, die die Position des Fahrzeugs in dessen aktuellem Zustand im Globalkoordinatensystem ist, auf Grundlage der Relativposition, des abgeschätzten anfänglichen Lagewinkels und der abgeschätzten Anfangsposition.Zustandsabschätzverfahren with the following steps: (1) measuring, as a relative position, the position of the vehicle in a location coordinate system whose Coordinate axes change with a movement of the vehicle; (2) Measuring, as absolute position, the position of the vehicle in one Global coordinate system whose coordinate axes are independent of the movement of the vehicle are fixed; (3) Measure, as relative Attitude angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the Local coordinate system; (4) measuring, as the absolute positional angle, the angle of the vehicle with respect to one of the coordinate axes of the Global coordinate system; (5) Estimate an initial one Position angle, the attitude angle of the vehicle in its initial state in Global coordinate system is, assuming that a sequence, which is represented by a recursive formula that expresses the relative Position angle and the absolute attitude angle contains, on a the initial attitude angle corresponding value converges; (6) Estimate, as the sum of the relative Position angle and the estimated initial Position angle, the current attitude angle, the attitude angle of the vehicle is in its current state in the global coordinate system; (7) estimate an initial position showing the position of the vehicle in its Initial state in the global coordinate system is, assuming that a sequence represented by a recursive formula the estimated ones initial Position angle, the relative position and the absolute position contains on converges a value corresponding to the initial position; and (8th) estimate the current position, which is the position of the vehicle in its current state in the global coordinate system is on basis the relative position, the estimated initial Attitude angle and the estimated Initial position. Zustandsabschätz-Computerprogramm, das es einem Computer ermöglicht, einen der Schritte (4) bis (7) des im Anspruch 5 dargelegten Verfahrens oder einen der Schritte (5) bis (8) des im Anspruch 6 dargelegten Verfahrens auszuführen.Zustandsabschätz computer program, that allows a computer to one of the steps (4) to (7) of the method set forth in claim 5 or one of the steps (5) to (8) of the claim set forth in claim 6 Execute procedure. Computer-lesbarer Speicherträger, der das im Anspruch 7 dargelegte Programm enthält.Computer-readable storage medium, the in claim 7 contained in the program.
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