TWI435057B - Method and apparatus for learning correction of vehicle dynamic inertial sensor - Google Patents

Description

車輛動態慣性感測器學習校正方法及其裝置

本發明係關於一種車輛慣性感測器，尤指一種車輛動態慣性感測器校正方法及其裝置。

為了提供更舒適及更安全駕駛，許多車商已對中高單價的車輛開始使用多功能電子裝置或附加更多電子裝置，例如適路性車燈、導航系統、即時車況警示裝置等等，期以實現輔助自動駕駛功能。

上述大部份車輛用電子裝置主要目的不外乎依據即時車況輔助駕駛人注意或調整車輛安全行駛功能，以適路性車燈來說，會依據車輛轉彎、車速判斷路況(上坡、下坡、彎道等)，調整切換近燈、遠燈以及近燈與遠燈燈形，再以導航系統來說，提供駕駛人目前車輛位置及指引駕駛人路線；是以，該些車用電子裝置或輔助駕駛用電子裝置必須取得車輛的即時動態資訊，才能作出最適切的控制。

目前常見用以提供車輛動態資訊的裝置即稱為慣性感測器，概如加速器、陀螺儀等等用以檢知車速、加速度、角速度，以確實反應車輛行進中的移動狀態。然而，車輛實際取用慣性感測器的感應訊號，必須經過有效的運算(積分運算)，才能獲得有用且正確的車輛移動資訊，而又為了確保運算結果的誤差值可降到最低，一般會輔助參考衛星導航系統、電子羅盤或壓力感測器進行誤差校正。然而，用於輔助慣性感測器進行誤差校正的電子裝置，卻易受地理環境影響，例如行經附近高建築物道路、地下道而無法收到衛星訊號，又例如隧道內的地球磁場效應不明顯、壓力週波影響等等，均使得原本可作為校正參考值的訊號消失或正確性變差，導致慣性感測器的感測訊號經過積分計算後的誤差無法降低，使得依賴慣性感測器感測訊號作為控制訊號的電子裝置，在通過該些道路時產生不佳的反應，無法提供最佳適路性的輔助駕駛功能。以導航系統來說，通過如地下道等無法順利接衛星訊號的道路，其定位連續性及可用性均會降低，無法作到定位精準度，而有暫時迷航狀態出現；再以適路性車燈來說，通過該些道路可能無法提供最佳的投射角度或光形等等問題。

有鑑於上述車用慣性感測器誤差校正技術缺陷，本發明主要目的係提供一種車輛動態慣性感測器校正方法及其裝置。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該車輛動態慣性感測器學習校正方法包含有：將一車輛動態變化觀測器及一慣性感測器共同設置於一進行慣性移動的車輛之相同位置上；取得該車輛動態變化觀測器的實際車輛動態變化，與該慣性感測器的初始感測訊號；對初始感測訊號進行積分，以獲得感測該車輛的車輛動態變化，該車輛動態變化模型係包含有偏移量及比例因子參數；取得實際車輛動態變化與感測車輛動態變化的差值；以該差值使用誤差能量最佳化對車輛動態變化取離散，以獲得參數誤差變化量；及再反饋至車輛動態變化模型校正其偏移量及比例因子，獲得一校正後的車輛動態變化模型。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置包含有：一車輛動態變化觀測器，係感知並輸出一進行慣性移動車輛的實際車輛動態變化；一慣性感測器，係感測一慣性移動車輛的慣性訊號，並輸出該感測慣性訊號；一記憶單元，係電連接該車輛動態變化觀測器及該慣性感測器，以儲存實際車輛動態變化及感測慣性訊號，以及包含偏移量及比例因子參數的車輛動態變化模型；一處理單元，係電連接至該記憶單元，並內建一學習校正程序，以學習不同路況之實際車輛動態變化，校正該車輛動態變化模型並回存至該記憶單元。

上述本發明係預先讓慣性感測器進行各種路況的學習，最後儲存各路況的車輛動態變化模型，當實際上路後即可依據目前路況進行正確車輛動態變化的計算，可在沒有衛星導航系統、電子羅盤或壓力感測器等等條件下，仍可作長時間高穩定性的空間定位導航，反而提供衛星導航系統車輛即時移動資訊，而提高其定位連續性及可用性。

首先請參閱圖1所示，係為本發明具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置10，其包含有：一車輛動態變化觀測器11，係感知並輸出一進行慣性移動車輛的實際車輛動態變化；一慣性感測器12，係感測一慣性移動車輛的慣性訊號，並輸出該感測慣性訊號；一記憶單元13，係電連接該車輛動態變化觀測器11及該慣性感測器12，以儲存實際車輛動態變化及感測慣性訊號，以及包含偏移量及比例因子參數的車輛動態變化模型；一處理單元14，係電連接至該記憶單元13，並內建一學習校正程序，以學習不同路況之實際車輛動態變化，校正該車輛動態變化模型並回存至該記憶單元13。

上述學習校正程序再請配合參閱圖2所示，係包含有以下步驟：將一車輛動態變化觀測器11及一慣性感測器12共同設置於一進行慣性移動的車輛20之相同位置上，如圖3所示；取得該車輛動態變化觀測器11的實際車輛動態變化，與該慣性感測器12的初始感測訊號S11；對初始感測訊號進行積分，以獲得感測該車輛20的車輛動態變化，該車輛動態變化模型係包含有偏移量(offset)及比例因子(scale factor)參數S12；取得實際車輛動態變化與感測車輛動態變化的差值S13；以該差值配合使用誤差能量最佳化對車輛動態變化取離散，以獲得參數誤差變化量S14；及再反饋至車輛動態變化模型校正其偏移量及比例因子，獲得一校正後的車輛動態變化模型S15。

以下謹進一步以陀螺儀12a為例說明上述慣性感測器學習校正後之車輛動態變化模型過程：由於陀螺儀12a係用以感測車輛20的角速率，故請配合參閱圖3A所示，首先設定陀螺儀初始參數，令車輛20開始進行轉彎的慣性運動u(k)，此時該車輛動態變化觀測器11會輸出實際轉換角度變化h(k)，而該陀螺儀會輸出角速率w(k)；此時，記憶單元13會周期性地儲存角速率w(k)，並以陣列資料型態儲存之。該處理單元14係自記憶單元13內取得角速率陣列資料，帶入車輛動態變化模型進行積分運算，求得感測的轉換角度。在積分期間，該處理單元14同時自記憶單元13讀取實際轉彎角度變化H [k ]，並計算實際轉彎角度變化H [k ]的變化量，取實際航向變化H [k ]的變化量與感測的航向變化之差值e _H [k ]。接著，再以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量，再用離散化積分完成陀螺儀參數校正方程式，詳如下列公式：e _H [k ]=H [k ]-H [k -m ]

由於該慣性感測器為類比電壓，而經上述積分運算後係為數位資料，必須再經一道數位類比轉換程序；而在數位類比轉換程序中，會因取樣量化誤差與門檻值取樣的判斷，而降低慣性感測器的靈敏度，因此最好再經一道微調校正調整程序，以更貼近實際轉換角度。

請配合參閱圖3B所示，令設置有該車輛動態變化觀測器12的車輛20，重覆一固定轉彎角度的移動，例如將方向盤打到底，原地繞圈n次(包含左轉彎及右轉彎)，如此即可具體得知正確的轉彎角度H，再與運算該車輛動態變化模型時，獲得的累積積分角度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度變化差距接近0。

以下再以另一慣性感測器(加速規12b)學習校正後之車輛動態變化模型過程：由於加速規12b係用以感測車輛的加速度v，故請配合參閱圖4A所示，首先設定加速規初始參數，令車輛開始進行直線加速的慣性運動，此時該車輛動態變化觀測器11會輸出實際車輛速度v，而該加速規會輸出加速度a[k]；此時，記憶單元13會周期性地儲存加速度a[k]，並以陣列資料型 態儲存之。該處理單元14係自記憶單元13內取得加速度陣列資料，帶入車輛動態變化模型進行積分運算，求得感測的速度變化。在積分期間，該處理單元14同時自記憶單元13讀取實際速度變化v [k ]，並計算實際速度變化v [k ]的變化量，取實際速度變化v [k ]的變化量與感測的速度變化之差值e _{v 1} [t ]、e _{v 2} [t ]。接著，再以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量，再用離散化積分完成加速規參數校正方程式，詳如下列公式：e _{v 1} [t ]=v ₁ [k ]-v ₁ [k -m ]

e _{v 2} [t ]=v ₂ [k ]-v ₂ [k -m ]

至於加速規為提高感測靈敏度所執行的微調校正調整程序，請再配合參閱圖4B所示，令設置有該車輛動態變化觀測器11的車輛20，重覆一固定長度的直線移動，例如將以車輛行駛，以觀測器得知正確車輛速度v，再與運算該車輛動態變化模型時，所獲得速度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者速度變化差距接近0為止。

上述本發明係預先讓慣性感測器進行各種路況的學 習，最後儲存各路況的車輛動態變化模型，當實際上路後即可依據目前路況進行正確車輛動態變化的計算，可在沒有衛星導航系統、電子羅盤或壓力感測器等等條件下，仍可作長時間高穩定性的空間定位導航，反而提供衛星導航系統車輛即時移動資訊，而提高其定位連續性及可用性。

10‧‧‧車輛動態慣性感測裝置

11‧‧‧車輛動態變化觀測器

12‧‧‧慣性感測器

12a‧‧‧陀螺儀

12b‧‧‧加速規

13‧‧‧記憶單元

14‧‧‧處理單元

20‧‧‧車輛

圖1：係本發明車輛動態慣性感測裝置的功能方塊圖。

圖2：係本發明車輛動態慣性感測器校正方法的流程圖。

圖3A：係本發明對陀螺儀進行校正的功能方塊圖。

圖3B：係本發明對陀螺儀進行微調校正的示意圖。

圖4A：係本發明對加速規進行校正的功能方塊圖。

圖4B：係本發明對加速規進行微調校正的示意圖。

10．．．車輛動態慣性感測裝置

11．．．車輛動態變化觀測器

12．．．慣性感測器

13．．．記憶單元

14．．．處理單元

Claims (11)

1. 一種車輛動態慣性感測器校正方法，包含有：將一車輛動態變化觀測器及一慣性感測器共同設置於一進行慣性移動的車輛之相同位置上；取得該車輛動態變化觀測器的實際車輛動態變化，與該慣性感測器的初始感測訊號；對初始感測訊號進行積分，以獲得感測該車輛的車輛動態變化，該車輛動態變化模型係包含有偏移量及比例因子參數；取得實際車輛動態變化與感測車輛動態變化的差值；以該差值使用誤差能量最佳化對車輛動態變化取離散以獲得參數誤差變化量；及再反饋至車輛動態變化模型校正其偏移量及比例因子，獲得一校正後的車輛動態變化模型。
2. 如申請專利範圍第1項所述車輛動態慣性感測器校正方法，上述慣性感測器係為一陀螺儀，故其感測車輛動態變化為轉彎角度變化；又上述取得參數誤差變化量步驟係以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量。
3. 如申請專利範圍第1項所述車輛動態慣性感測器校正方法，上述慣性感測器係為一加速規，故其感測車輛動態變化為加速度變化；又上述取得參數誤差變化量步驟係以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量。
4. 如申請專利範圍第2項所述車輛動態慣性感測器校正方法，進一步包含有一微調校正程步驟，係令設置有該車輛動態變化觀測器的車輛，重覆一固定轉彎角度的移動，以獲得正確的轉彎角度，再與運算該車輛動態變化模型時，所獲得的累積積分角度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度變化差距接近0。
5. 如申請專利範圍第3項所述車輛動態慣性感測器校正方法，進一步包含有一微調校正程步驟，係令設置有該車輛動態變化觀測器的車輛，重覆進行一直線移動，以獲得正確的速度，再與運算該車輛動態變化模型時，所獲得速度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度變化差距接近0為止。
6. 一種具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，其包含有：一車輛動態變化觀測器，係感知並輸出一進行慣性移動車輛的實際車輛動態變化；一慣性感測器，係感測一慣性移動車輛的慣性訊號，並輸出該感測慣性訊號；一記憶單元，係電連接該車輛動態變化觀測器及該慣性感測器，以儲存實際車輛動態變化及感測慣性訊號，以及包含偏移量及比例因子參數的車輛動態變化模型；一處理單元，係電連接至該記憶單元，並內建一學習校正程序，以學習不同路況之實際車輛動態變化，校正該車輛動態變化模型並回存至該記憶單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，包含有：取得該車輛動態變化觀測器的實際車輛動態變化，與該慣性感測器的初始感測訊號；對初始感測訊號進行積分，以獲得感測該車輛的車輛動態變化，該車輛動態變化模型係包含有偏移量及比例因子參數；取得實際車輛動態變化與感測車輛動態變化的差值；以該差值使用誤差能量最佳化對車輛動態變化取離散以獲得參數誤差變化量；及再反饋至車輛動態變化模型校正其偏移量及比例因子，獲得一校正後的車輛動態變化模型。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，該慣性感測器係為一陀螺儀，故其感測車輛動態變化為轉彎角度變化；又上述取得參數誤差變化量步驟係以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，該慣性感測器係為一加速規，故其感測車輛動態變化為加速度變化；又上述取得參數誤差變化量步驟係以二次能量誤差最佳化與梯度法計算該車輛動態變化模型中偏移量誤差變化量及比例因子誤差變化量。
10. 如申請專利範圍第8項所述之具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，進一步包含有一微調校正程步驟，係令設置有該車輛動態變化觀測器的車輛，重覆一固定轉彎 角度的移動，以獲得正確的轉彎角度，再與運算該車輛動態變化模型時，所獲得的累積積分角度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度變化差距接近0。
11. 如申請專利範圍第9項所述之具學習校正功能的車輛動態慣性感測裝置，進一步包含有一微調校正程步驟，係令設置有該車輛動態變化觀測器的車輛，重覆進行一直線移動，以獲得正確的速度，再與運算該車輛動態變化模型時，所獲得速度變化進行比對，調整該車輛動態變化模型的偏移量及比例因子，直到二者角度變化差距接近0為止。