TWI636236B - 利用估計濾波器決定系統的狀態的方法、用於決定物體之位置的裝置以及無人航空載具 - Google Patents

利用估計濾波器決定系統的狀態的方法、用於決定物體之位置的裝置以及無人航空載具 Download PDF

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Abstract

利用估計濾波器決定系統的狀態的方法，其中藉由計算針對該狀態之機率分佈的平均值來決定第一狀態值，其中，針對該第一狀態值與該系統之實際狀態偏差的情況來計算該偏差的機率，且其中，該系統之狀態係被測量作為狀態資料。在該方法中，接著，若該偏差的機率大於臨限值，則利用該狀態資料校正該第一狀態值。

Description

利用估計濾波器決定系統的狀態的方法、用於決定物體之位置的裝置以及無人航空載具
本發明關於利用估計濾波器決定系統的狀態的方法。
為了決定系統的狀態，通常所使用之狀態資料係利用不同的方法來決定。在此程序中，該狀態資料通常被測量誤差所影響，使得受測量的該狀態資料與該實際狀態有所偏差。因此，為了決定該系統的狀態，其有必要一方面組合以不同的方式所獲取之狀態資料，而在另一方面減少由於測量誤差之誤判。為此，通常使用估計濾波器以基於先前之狀態測量來推斷該系統的發展並且同時地針對該情況來指示以該方式計算出的該系統的狀態與該實際狀態相符合之機率。為了將該推斷狀態耦合至受測量的資料，係將其與受測量的該狀態資料進行比較且在一定的時間之後進行校正。
此種方法係特別地使用於決定一物體之位置資料，例如載具、船舶或飛機。為此，該估計濾波器從所收集之相 對的以及絕對位置資料來決定導航解決方案(亦即用於導航所必要之位置資料)。作為一個估計濾波器(通常是卡爾曼濾波器)，其係被使用以估計位置資料且藉由迭代地所發出之新近測量資料來校正該位置資料。在此，特別是使用慣性測量資料(亦即該物體之旋轉速率與加速度)以及絕對位置資料(亦即，參考一個固定的參考系統之該位置)。該卡爾曼濾波器允許評估用於一般導航解決方案之該兩種類型的位置資料。一般而言，相對位置資料係被使用於估計位置，而絕對資料被使用於校正解決方案。
在此程序中，特別是該校正步驟(亦即，該濾波器之更新)係特別地密集計算。若用於校正所必要之資料係連續可得的，則此一校正步驟通常以恆定的時間間隔來執行。另外，若用於校正所必要之該資料已經被收集，則校正將接著被執行。此導致被使用於計算該校正之處理器之恆定利用且因此導致恆定之能量消耗。在另一方面，該連續的校正導致濾波器需要更高的精密度。然而，若此高精密度係不必要的或若該估計濾波器由於時間延長操作而操作使得頻繁的校正亦未能導致品質之增進，則被使用於計算該導航解決方案之處理器係不必要藉由連續的校正來採用且不必要發生高能量消耗。
本發明之目的係欲提供一個用於利用估計濾波器來決定系統的狀態的方法，其中將減少不必要的計算處理器之利用以及由其導致的能量消耗。
此問題將藉由申請專利範圍獨立項之標的來解決。有利的進一步改良將在申請權利範圍附屬項中指明。
根據本發明，一種用於利用估計濾波器來決定系統的狀態的方法包括：藉由計算針對該狀態之機率分佈的平均值來決定第一狀態值；針對該第一狀態值與該系統之實際狀態偏差的情況來計算偏差的機率，並且測量該系統之該狀態作為狀態資料。在此，若且只要該偏差的機率大於臨限值，則利用該狀態資料來校正該第一狀態值。
因此，利用該估計濾波器不僅係執行該狀態之估計，亦係利用該偏差的機率來計算該估計之品質。若該估計之品質超過特定臨限值，則只好接著校正該估計值。若指示該估計之距離與該系統之實際狀態偏差的機率變得大於預定臨限值，則此為之後的情況。該臨限值可以被預先固定或可以被動態地決定。以此方式，該整個狀態決定的品質可以利用該臨限值來調整。再者，該臨限值針對決定該偏差之機率之不同方式可以被不同的定義。
對於不需要高品質之應用或對於該應用高品質係次要的，則校正步驟之數量便能以此方式來減少。由於此原因，可以減少被使用於計算該狀態之處理器之利用。同時，該處理器的能量消耗亦由於減少利用而被減少。
在該方法中，該第一狀態值可以在第一時間增量中被決定。接著，若且只要該偏差的機率等於或小於該臨限 值，則在該第一時間增量之後的第二時間增量中係基於該第一狀態值來決定第二狀態值。若該偏差的機率大於該臨限值，則在該第二時間增量中係基於已校正的該第一狀態值來決定該第二狀態值。
因此，若該估計值的品質不足夠高且該第一狀態值已因此在該第一時間增量中被校正，則在該第二時間增量中之該估計係基於這些已校正狀態值。另外，為了該估計之足夠的品質，在該第一時間增量中沒有執行任何校正。接著，在該第二時間增量中之該估計係基於已經在該第一時間增量中進行估計之該未校正之第一狀態值。
此允許利用該估計濾波器迭代地超過數倍之增量來執行該估計而不需要執行校正。在另一方面，由於考慮到該偏差的機率，若該估計變得不精確，則接著可以執行該校正。該校正之後的該估計係接著具有更高的精密度，因為其係基於該已校正之估計值。因此其能夠使該處理器負載以及該能量消耗係保持低的，且在另一方面達到足夠高的估計品質。
該估計濾波器可以係一個卡爾曼濾波器且該系統的狀態可以決定物體的位置。接著，該狀態值係指示該位置之位置值而受測量的狀態資料係位置資料。
此允許決定用於載具(諸如船舶或飛行器)之導航解決方案，其具有足夠高的精密度且同時使用於決定該導航解決方案之能量消耗係保持在低位準。此在其他的用於具有長期的任務或操作週期且需要具有低的能量消耗之飛行器 (諸如無人之航空載具(UAV)或無人之航空系統(UAS))之中係有利的。在此情況中，例如，該臨限值可以係該最大地被允許之水平位置誤差。再者，UAV之任務以及導航資料處理器可以被結合，其導致在重量上之減少且允許更長期的任務或操作週期。
該位置資料包括該物體之絕對位置及該物體之相對位置改變。在此，該相對位置改變被使用以決定該位置之機率分佈的平均值，而該絕對位置被使用以校正該位置值。
此導致一個不同的測量位置資料的最佳組合。該相對位置改變(諸如該物體之旋轉速率或加速度)係被使用以基於該先前的估計值來估計該物體之進一步之移動。就一個特定之參考系統(諸如經度以及緯度)所獲取的該絕對位置資料可以被使用以校正該估計。
在另一方面，用於決定該位置之該絕對位置資料之測量誤差係較不主要的，因為若該估計被相似的誤差所影響，則其便不會被識別為測量誤差。因此，兩種不同類型的位置決定係彼此結合以相互地減少測量誤差之影響。同時，若該估計之品質變得太差，則藉由只好執行校正之該條件，其保證用於該位置決定之該能量消耗係被保持在低位準。
該位置資料係利用衛星導航系統及線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器來測量。此確保該位置資料之擷取可以係自動化的，這樣就不需要頻繁之監測或由人類參與決定。
為了測量該位置資料，可以使用一微機電感測器(MEMS)。此允許用於執行該方法所必需之該裝置之微型化，其保證該方法之可能應用之廣泛範圍。相反的，亦可以使用光纖感測器(例如光纖陀螺儀)或環形雷射陀螺儀以測量該位置資料。
該偏差之機率可以基於該機率分佈之協方差矩陣來決定。一般而言，此協方差矩陣係在一估計濾波器(諸如卡爾曼濾波器)中自動地產生。因此，該偏差之機率的計算可以被包含至已經既有的濾波器中而不需要額外的處理步驟，使得沒有任何額外的處理器負載或額外的時間損失發生。
然而，該偏差之機率亦可以基於一殘差(亦即所估計的與所測量的位置之間的比較)來決定。此使得該品質調整之靈活使用係可能的，因為其可能係在一定的條件下必須考慮到不僅在該濾波器中的該協方差矩陣計算，還需要具有用於決定該估計品質之第二基礎。因此，藉由該替代的或額外的殘差之使用，可擴展該方法之應用性之靈活度。
用於決定一物體之位置之裝置係包括被組態成用以測量位置資料之測量單元及具有一估計濾波器之計算單元，該估計濾波器被組態成用以藉由計算該位置之機率分佈的平均值來決定第一位置值，且用以針對該第一位置值與該物體的實際位置所偏差的情況來計算偏差的機率。在此，若且唯若只要該偏差的機率係大於臨限值，則該計算單元 將被組態成利用該位置資料來校正該第一位置值。
此裝置確保根據本發明之方法可以被執行，由此一物體之位置可以被決定而無需利用該計算單元(例如一處理器)，且無需不必要的能量消耗。
該測量單元可以包括衛星導航系統及線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器。在此，該線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器被組態成用以測量相對位置改變，該相對位置改變被使用以決定針對該位置之該機率分佈的平均值。在另一方面，該衛星導航系統被組態成用以測量絕對位置，該絕對位置被使用以校正該位置值。此確保該裝置使用用於位置決定之測量值之基礎，其係盡可能地廣泛，其中該測量值係由該估計濾波器最佳化地結合。由於此原因，用於位置決定之必要的精密度可以與減少能量消耗同時地實現。
一無人航空載具或一無人航空系統可以根據以上所述之方法來操作。無人航空載具或無人航空系統可以包括上述裝置之一或多者。此確保由這些航空載具或系統所使用之導航解決方案係具有足夠高的精密度且同時使用於決定導航解決方案的能量消耗係保持在低位準。航空載具或系統之低能量消耗又長期的任務或操作週期的情況係可以被實現的。
100‧‧‧裝置
110‧‧‧測量單元
120‧‧‧衛星導航系統
130‧‧‧線性加速度及/或旋轉速率感測器
150‧‧‧計算單元
在接下來的本發明之實施例中，其功能以及其優點將 就圖式來進行描述。該實施例之元件可以彼此組合除非這些元件彼此不相容。其表示：圖1A與1B係表示用於利用一估計濾波器來決定系統的狀態之裝置之實施例；圖2係表示根據一個實施例用於利用一估計濾波器來決定系統狀態的方法；圖3係表示根據進一步之實施例用於利用一估計濾波器來決定系統的狀態的方法；及圖4係表示根據一個實施例用於利用一估計濾波器來決定一個物體的位置的方法。
圖1A繪示用於決定系統的狀態的裝置100。為此，裝置100包括一測量單元110以及一計算單元150。
測量單元110被組態成用以測量不同的系統狀態且用以輸出受測量的該狀態作為狀態資料。
該計算單元150(例如電腦或處理器)係基於已經從測量單元110被測量的狀態資料來計算該系統的狀態。為此，計算單元150係使用一個估計濾波器(亦即一種利用可以被估計之狀態值的演算法)。
該估計濾波器係基於該狀態資料來計算針對該狀態之機率分佈之該平均值。在同一時間，該估計濾波器係針對該情況來決定針對該狀態該計算平均值與該系統的實際狀態所偏差的機率。
根據一個實施例，該品質值可以從此偏差之機率來形成。該品質值愈高則該偏差係愈大。根據另一個實施例，該品質值愈小，則該偏差係愈大。接著，該品質值與該測量之品質係成比例的。
不論由該估計濾波器所估計之該狀態值被校正與否，其係基於該偏差之機率來決定。若該偏差之機率係大於預定臨限值，則將校正該估計值。
此確保若該估計太不精確而無法進一步使用(亦即若該估計之品質變得太低)，則方能執行涉及計算之該估計值之校正。然後，若此係真的必要，則計算單元150才執行該估計狀態值之校正。由於此原因，將利用計算單元150且因此減少能量消耗。
根據一實施例，由裝置100所決定之該狀態係抽象的參數，例如純粹的數學參數或數學模型(例如一個經濟模型)的參數。根據進一步之實施例，該狀態係系統的具體參數(例如具體的測量結果)。
根據一實施例，裝置100係被使用以決定一個物體的位置。為此，測量單元110係測量位置資料而計算單元10之該估計濾波器係藉由針對該位置所計算之機率分佈的平均值來決定位置值。若此估計之該品質係太低(亦即若描述該位置值與該實際位置之偏差之偏差機率係大於臨限值)，則該估計濾波器將利用由測量單元110所測量之進一步的位置資料來校正該位置值。
此允許使用上述來自計算單元150之負載之縮減亦允 許用於位置資料以及導航解決方案之計算。
圖1B係進一步詳細地繪示裝置100。測量單元110係包括一衛星導航系統120以及一線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器130。
可以使用衛星導航系統120以藉由在被定位於該地球軌道中的數個衛星之間之三角測量來決定在地球表面上的物體的絕對位置。因此衛星導航系統120係測量物體相對於地球表面的絕對位置。
對比而言，該線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器130係測量一個物體之相對位置的改變(諸如物體之旋轉速率或加速度)。因此其能夠藉由利用由線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器130所測量之資料來整合運動之方程式以計算物體在空間中的移動。例如線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器130可以係一個微機電感測器(MEMS)。為了測量旋轉速率，亦可以使用光纖感測器(例如光纖陀螺儀)、環形雷射陀螺儀等等。
在計算單元150中該相對位置改變係被使用以估計該物體之位置。由於每個測量會被測量誤差所影響，因此其不能夠精確地計算該位置。該位置僅可以在測量精密度內被估計。由於各種測量誤差在時間的進程中累加，該估計在時間的進程中亦變得越來越不精確。因此，有必要校正該估計以滿足精密度的要求。
為此，所使用之絕對位置資料係與由該估計濾波器所計算之估計位置值進行比較。在此方式中，其能夠利用絕 對位置之測量去補償該相對位置改變之測量誤差。
在另一方面，該絕對位置測量亦可能被誤差所影響。然而，若基於該相對位置改變的該估計具有與該絕對位置測量相同的誤差趨勢，則此將變成為唯一相關者。但是由於測量誤差統計上的波動，情況通常並非如此。因此，該估計亦可以被使用於校正絕對位置測量的測量誤差。
根據一個實施例，該估計濾波器係自動地計算該平均值的方差與協方差。在所得的協方差矩陣中的元素越大，則該估計就越差。對比而言，若該元素係小的，則其將沒有必要去校正該估計。此確保沒有任何不必要的校正步驟被執行，該校正步驟不必要地利用計算單元150而導致不必要的能量消耗。
根據進一步之替代的或額外的實施例，一殘差可以被使用作為偏差的機率，其指示該估計資料與藉由測量所決定之該位置之偏差。亦在此方式中，若該估計仍係足夠好，則其可以避免不必要之校正步驟被執行。
在接下來所描述的不同方法中，藉由裝置100可以決定系統的狀態。
圖2展示一個用於決定系統的狀態值的方法的實施例的流程圖。
在S200中，藉由計算針對狀態之機率分佈之平均值而決定系統之狀態值。此表示，該狀態值係基於機率分佈而被估計。為此，可使用估計濾波器(諸如卡爾曼濾波器)。待被估計之該狀態值之機率分佈係在此程序中從被 測量誤差所影響的該狀態之先前測量來獲取。
基於該估計來計算一偏差之機率。該偏差的機率越大，則該狀態值與該系統的實際狀態所偏差的該機率係越大。該偏差的機率越大，該估計係越不精確且該估計之品質係越低。因此一旦該偏差的機率變得太大，就需要儘快地增進該估計的品質。
根據進一步之實施例，該品質值係從該偏差之機率來計算，對於狀態值與該實際狀態偏差大的機率大的情況，該品質值係小的。此表示，所得之品質值越小，則估計之品質越低。然後，若品質值變得太小，則必須增進品質。
在S220中，將該偏差之機率與臨限值進行比較。其係決定該偏差的機率是否大於該臨限值。若非此情況(否)，則不執行任何狀態值之校正。或者，比較該品質值。然後，若該品質值足夠大，則省略該校正。
若該偏差之機率係大於該臨限值(是)，則該系統的狀態將被重新測量且該狀態值將利用受測量的該狀態來校正。根據進一步之實施例，若已經決定該偏差的機率係大於該臨限值，則之前已經被測量之該系統的狀態方能被使用於校正該狀態值。
此方法確保若必要則該狀態值才被校正。此允許減少計算單元(例如電腦或處理器)之利用、執行該估計以及校正，且因此減少能量消耗。
圖3係展示用於決定系統的狀態的方法之進一步實施例之示意流程圖。
根據圖3之方法係大部分地對應於根據圖2之方法。因此，僅闡述不同的該方法之步驟。
按照根據圖3之方法與在本文中之方法彼此不同之處在於該狀態值係在步驟S300中被迭代地進行估計。若該偏差的機率係大於該臨限值，則該狀態值將以如針對圖2所述之方法利用進一步之測量狀態來校正。接著，該校正狀態被使用以在進一步之時間增量中基於該先前時間增量之該已校正之狀態值來重新估計狀態值。
對比而言，若該偏差的機率不大於該臨限值，則該校正步驟被跳過且在接下來的時間增量中該狀態值係基於已經在該先前之時間增量中被決定之該無校正狀態值來進行估計。
此允許執行一系列的估計而不執行中間的校正步驟。只要該迭代地被決定之估計值具有足夠大的品質，則該估計之校正係可以被省略。只有在一定的時間之後該品質由於測量誤差或因為其他的原因而下降至低於預定臨限值，才插入一個校正步驟以導致估計之品質係在一個被允許的範圍中。因此其能夠經由該臨限值來限制計算密集的校正步驟之數量以及頻率，使得可以減少執行該估計之處理器的利用以及能量消耗。
圖4係展示根據本發明之方法之實施例的示意流程圖，根據該方法，一個物體(諸如載具、船舶或飛行器)的位置被決定為系統的狀態。
為此，在S400中測量該物體之旋轉速率及/或線性加 速度。例如，此係藉由一個慣性感測器(例如微機電感測器)或藉由旋轉速率感測器(形成為光纖陀螺儀或環形雷射陀螺儀)來執行。這些相對位置改變係在S410中被饋入卡爾曼濾波器中，該卡爾曼濾波器係藉由計算針對該位置之機率分佈之平均值來決定位置值。
此外，在S420中計算偏差的機率(亦即，該位置值與該實際位置所偏差的機率)。在S430中，此偏差的機率係與臨限值進行比較。若該偏差的機率比該先前預定臨限值更大(是)，則將執行先前被估計之位置值之校正。
在S440中測量該物體之絕對位置。為此，例如使用一衛星導航系統以相對於一個固定參考系統(諸如地球之經度與緯度)來指示該物體之位置。在S450中該位置值利用該被測量之絕對位置而被校正。該已校正之位置值作為用於在下一個時間增量中該位置之估計之起始點。
若在S430中所決定之該偏差之機率係不大於該臨限值，則省略該位置值之校正且該卡爾曼濾波器將接著基於在先前之時間增量中所決定之該位置值以及該新近所測量之相對位置改變而直接地進行至下一個估計。
使用此方法其能夠組合在卡爾曼濾波器中之慣性測量以及絕對位置測量之資料，使得該校正步驟僅在估計的品質變得太低時才執行。此確保僅在確實必要的情況下才執行計算密集之校正步驟。因此，可減少處理器之利用及因而造成的能量消耗。

Claims (11)

  1. 一種利用估計濾波器決定系統的狀態的方法，包括：藉由計算針對該狀態之機率分佈的平均值來決定第一狀態值；針對該第一狀態值與該系統之實際狀態偏差的情況來計算偏差的機率；測量該系統之該狀態作為狀態資料；且接著，若該偏差的機率大於臨限值，則利用該狀態資料校正該第一狀態值。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一狀態值係在第一時間增量中被決定；接著，若該偏差的機率等於或小於該臨限值，則在該第一時間增量之後的第二時間增量中基於該第一狀態值而決定第二狀態值；且接著，若該偏差的機率大於該臨限值，則在該第二時間增量中基於已校正的該第一狀態值而決定該第二狀態值。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該估計濾波器係卡爾曼濾波器；該系統之該狀態決定物體的位置；狀態值係位置值，其指示該位置；及受測量的該狀態資料係位置資料。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中 該位置資料包括該物體之絕對位置及該物體之相對位置改變；該相對位置改變係用以決定針對該位置之該機率分佈的該平均值；該絕對位置係用以校正位置值。
  5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該位置資料係利用衛星導航系統及線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器而測量。
  6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中微機電感測器(MEMS)、光纖感測器或環形雷射陀螺儀係用於測量該位置資料。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該偏差的機率係基於該機率分佈之協方差矩陣所決定。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該偏差的機率係基於至少一殘差所決定。
  9. 一種用於決定物體之位置的裝置，包括測量單元(110)，其被組態成用以測量位置資料；及計算單元(150)，其具有估計濾波器，該估計濾波器被組態成用以：藉由計算針對該位置之機率分佈之平均值來決定第一位置值；針對該第一位置值與該物體之實際位置偏差的情況來計算偏差的機率；且接著，若該偏差的機率係大於臨限值，則利用該位置 資料來校正該第一位置值。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置(100)，其中該測量單元(110)包括衛星導航系統(120)及線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器(130)；該線性加速度感測器及/或旋轉速率感測器(130)被組態成用以測量相對位置改變，該相對位置改變係用以決定針對該位置之該機率分佈的平均值；且其中該衛星導航系統被組態用以測量絕對位置，該絕對位置係用以校正該位置值。
  11. 一種無人航空載具，其包括如申請專利範圍第9或10項之裝置。
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