專利名稱：慣性傳感器的校準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及慣性傳感器的校準方法及慣性測量單元。特別是，盡管并非專有地，但是本發(fā)明涉及慣性傳感器的現(xiàn)場(in-field)自動校準。
背景技術：
精確的慣性檢測對于檢測工作設備的“姿態(tài)”(例如，工作設備相對基準框架(通常是理論上的水平地面)的轉(zhuǎn)動)是關鍵的。在精準農(nóng)業(yè)(precision agriculture)中， 需要了解交通工具的姿態(tài)以補償由地形起伏導致的GNSS天線的運動。在測量過程中，GNSS 天線經(jīng)常被安裝在桿上，并且為了準確確定該桿的基部的位置，必須確定該桿的姿態(tài)。慣性傳感器包括對角度的變化速率進行測量的陀螺儀和對線性加速度進行測量的加速計。來自慣性傳感器的測量結(jié)果包含必須進行補償?shù)钠x和其他誤差。可以使用以下公式來對慣性傳感器的測量結(jié)果進行建模a = Ka +bt + B(T) + ωη其中3是測得的慣性量K是該設備的比例因子(靈敏度)a是實際慣性量bt是隨機偏離，其隨時間的推移而隨機變化B⑴是溫度相關偏離ω n是傳感器噪聲，假定其是高斯白噪聲每次分別對加速度和轉(zhuǎn)速進行測量時，以上公式等同地適用于加速計和陀螺儀。 當工作設備靜止時，加速計會讀出取決于該設備姿態(tài)的重力部分，并且陀螺儀會讀出同樣取決于該設備姿態(tài)的地球自轉(zhuǎn)速率部分。當使用工業(yè)級陀螺儀時，地球自轉(zhuǎn)速率與其他誤差源相比貢獻很小，因此可以將其假定為零以簡化分析而不會引入重大誤差。根據(jù)相同溫度下的充分測量值，來自傳感器噪聲項的貢獻很小并且可以歸入到隨機偏離中。這樣該模型可以簡化為a = a+B(T)+ ε3是測得的慣性量a = IG是實際慣性量，其通過比例因數(shù)加以修正ε是剩余誤差，合并成單獨項溫度相關偏離通常是主要誤差。對于慣性傳感器而言，溫度相關偏離在溫度范圍內(nèi)并不恒定，而是在慣性傳感器的工作溫度范圍內(nèi)變化。給定溫度的溫度相關偏離自身并不恒定，其將在慣性傳感器老化過程中隨時間的推移慢慢改變。為了補償溫度相關偏離，一些工業(yè)級慣性傳感器最初被校準為包括熱偏離誤差模型。由于時間和費用限制，校準可能僅僅包括慣性傳感器在有限溫度范圍中的實際溫度變化，而不是在慣性傳感器可能最終工作的全部溫度范圍中的溫度變化。隨著慣性傳感器的老化，必須對熱偏離誤差模型進行更新。通常通過每年的工廠校準或采用其他傳感器的 (例如，多GPS天線方案)校準來更新熱偏離誤差模型。所有這些策略都增加了從慣性傳感器獲取適當精確的姿態(tài)方案的費用和復雜度。當諸如交通工具的工作設備正在工作時，很難將由于交通工具的移動和交通工具的振動所引起的慣性傳感器信號變化同由于溫度變化所引起的信號變化分離開來。因此， 在交通工具靜止期間嘗試觀察慣性傳感器的輸出信號是有用的。美國專利US6374190、US6577952和都描述了當與慣性傳感器和溫度傳感器相關聯(lián)的交通工具處于靜止但工作的狀態(tài)時通過針對各個慣性傳感器對單個慣性傳感器和溫度傳感器信號抽樣來對慣性傳感器進行現(xiàn)場自動校準。美國專利號US5527003描述了在“在飛機滑行之前的延長的對準時間”期間的現(xiàn)場自動校準以及在此期間對在溫度范圍中的陀螺儀漂移進行抽樣。由于抽樣的慣性傳感器信號包括由交通工具發(fā)動機引起的振動而導致的振動誤差，因此現(xiàn)有技術專利中所揭示的現(xiàn)場自動校準固有地具有精度方面的問題。抽樣也在有限的溫度范圍中進行。發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服或至少減輕上述問題中的一個或多個和/或向消費者提供有用的或商業(yè)上的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
在一種形式中，本發(fā)明公開了一種校準工作設備的慣性傳感器的方法，該方法包括以下步驟當所述工作設備不處于工作狀態(tài)時，從一個或更多個慣性傳感器以及接近所述慣性傳感器設置的一個或更多個溫度傳感器采集數(shù)據(jù)；以及使用從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)來更新所述慣性傳感器的熱偏離誤差模型。該方法優(yōu)選地包括確定所述工作設備是否處于工作狀態(tài)。所述工作設備可以是交通工具，并且確定所述工作設備是否處于工作狀態(tài)可以確定該交通工具是否被接通電源。所述工作設備可以是測量設備，并且確定所述工作設備是否處于工作狀態(tài)可以確定所述測量設備是否被接通電源。優(yōu)選地，該方法包括以下步驟確定所述工作設備是否受到振動或意外的運動的影響；以及放棄在所述工作設備受到振動或運動影響時所采集的任何數(shù)據(jù)。更新所述熱偏離誤差模型的步驟可以包括將采集的數(shù)據(jù)擬合成曲線并且利用該曲線的函數(shù)的特征來更新所述熱偏離誤差模型。更新所述熱偏離誤差模型的步驟可以包括相對在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時在以往周期中獲取的以往數(shù)據(jù)來對在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時在一個周期中獲取的數(shù)據(jù)的相關性進行加權(quán)，并且向最近的周期中的數(shù)據(jù)采集賦予更大的權(quán)重。優(yōu)選地，對具有所述慣性傳感器和所述溫度傳感器的傳感器子系統(tǒng)進行周期性地加電以在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時采集數(shù)據(jù)。
5
優(yōu)選地，在所述工作設備斷開電源以后將數(shù)據(jù)的采集延遲預定時間。在另一種形式中，本發(fā)明公開了一種慣性測量單元，包括傳感器子系統(tǒng)，包括一個或更多個慣性傳感器；與所述慣性傳感器相關聯(lián)的一個或更多個溫度傳感器；以及低功率抽樣模塊，其能夠操作為從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集數(shù)據(jù)；處理模塊，其具有存儲有所述慣性傳感器的熱偏離誤差模型的存儲器；以及電源控制器，其被配置為當安裝有所述慣性測量單元的工作設備不處于工作狀態(tài)時選擇性地向所述傳感器子系統(tǒng)供電以處所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，該慣性測量單元包括計時器，該計時器被所述電源控制器使用以在所述工作設備斷開電源的時段中周期地對所述傳感器子系統(tǒng)加電。優(yōu)選地，所述低功率抽樣模塊包括低功率處理器，并且所述處理模塊包括具有比所述低功率處理器相對更高功率要求的主處理器。


下面將參照附圖僅以示例的方式更加全面地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中圖1示出了現(xiàn)有技術的慣性測量單元的設計；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的慣性測量單元的一個實施方式的圖示設計；圖3示出了通過計算熱偏離誤差模型來校準慣性測量單元的慣性傳感器的方法的圖示流程圖；圖4示出了慣性傳感器的溫度在慣性傳感器從操作溫度冷卻到環(huán)境溫度的冷卻階段的溫度與時間的關系的曲線；圖5示出了慣性傳感器的溫度在環(huán)境溫度變化的環(huán)境溫度變化階段的溫度與時間的關系的曲線；圖6示出了圖2中的慣性測量單元的被描繪為溫度偏離曲線的熱偏離誤差模型； 以及圖7示出了在圖2中的慣性測量單元的抽樣模式期間所獲取的溫度偏離曲線中的幾部分。
具體實施例方式參照圖1，現(xiàn)有技術的慣性測量單元1包括一個或多個慣性傳感器2、處理模塊3 以及用于控制向處理模塊3和慣性傳感器2供電的電源控制器4。處理模塊3包括處理器 6和存儲裝置7。在存儲裝置7中存儲有針對各個慣性傳感器2的熱偏離誤差模型。處理模塊3能夠利用由該熱偏離誤差模型校正了的慣性傳感器的輸入來計算交通工具姿態(tài)。參照圖2，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的慣性測量單元(IMU) 10的設計。IMU 10通常包括電源控制器12、慣性傳感器單元14、低功率抽樣模塊16、處理模塊16和計時器 20。慣性傳感器單元14和低功率抽樣模塊16 —起形成傳感器子系統(tǒng)22。參照IMU 10與在安裝有該IMU 10的交通工具的工作關系來描述該IMU 10，但是該IMU 10可以類似地安裝在諸如測量設備的任何其他使用慣性傳感器的工作設備中。
電源控制器12控制對慣性傳感器單元14、低功率抽樣模塊16和處理模塊18的供電。電源控制器12能夠獨立地對傳感器子系統(tǒng)22和處理模塊18加電。電源控制器12被配置為在交通工具不工作在IMU 10的測量模式中的同時對傳感器子系統(tǒng)22和處理模塊18 加電。當交通工具被接通電源時，其被視為處于工作狀態(tài)。電源控制器12被配置為在交通工具不工作時在IMU 10的抽樣模式中選擇性地對傳感器子系統(tǒng)22加電。交通工具在被斷開電源時被視為不工作，并且在被接通電源時被視為工作。電源控制器12按照是否連接到交通工具的點火開關來確定該交通工具是接通電源還是斷開電源。交通工具被斷開電源并接著被接通電源之間的時段稱為周期。交通工具在各個周期中通常將具有固定的姿態(tài)并且沒有振動。慣性傳感器單元14具有內(nèi)嵌的溫度傳感器24。另選地，在圖中沒有示出，溫度傳感器M并不嵌入在慣性傳感器單元14中，而是位于與慣性傳感器單元14相鄰的位置。慣性傳感器單元14包括陀螺儀形式或加速計形式的慣性傳感器26。慣性傳感器單元14從溫度傳感器M輸出溫度信號并且從慣性傳感器26輸出慣性信號。來自慣性傳感器單元14 的信號被提供給抽樣模塊16。抽樣模塊16包括低功率處理器30、存儲器31和數(shù)據(jù)存儲裝置32。低功率處理器 30是諸如微控制器的低功率裝置。在IMU 10的抽樣模式中，來自慣性傳感器單元14的信號數(shù)據(jù)被采集并存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置32中。抽樣模塊16連接至計時器20，使得所采集的數(shù)據(jù)在被存儲在存儲裝置32中時也被打上時間戳。數(shù)據(jù)存儲裝置32具有溫度與偏離的關系表，在該表中保存有各個周期的各個慣性傳感器沈的抽樣的慣性傳感器信號數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)的關系。在IMU 10的測量模式中，來自慣性傳感器單元14的信號經(jīng)由抽樣模塊16 轉(zhuǎn)送到處理模塊18。處理模塊18包括主處理器；34、存儲器36和數(shù)據(jù)存儲裝置38。在存儲器36中存儲有針對各個慣性傳感器26的熱偏離誤差模型。主處理器34利用數(shù)據(jù)存儲裝置38中保存的各個慣性傳感器26的多批次的歷史慣性傳感器信號數(shù)據(jù)-溫度數(shù)據(jù)來計算出該熱偏離誤差模型。如以下更加詳細地描述的那樣，所述歷史數(shù)據(jù)是根據(jù)從抽樣模塊16的存儲裝置32中檢索出的多批次數(shù)據(jù)匯編而來的。圖3示出了通過計算熱偏離誤差模型來對IMU 10的慣性傳感器沈進行現(xiàn)場自動校準的方法的圖示流程圖。對慣性傳感器沈的現(xiàn)場自動校準是在交通工具中就地進行的。 該方法包括首先確定40安裝有IMU 10的交通工具在處于工作狀態(tài)還是不處于工作狀態(tài)。 交通工具在被斷開電源時被確定為不處于工作狀態(tài)，并且在被接通電源時被確定為處于工作狀態(tài)。如果該交通工具被斷開電源42，則在抽樣模式中44對IMU 10加電。在抽樣模式中44，如附圖標記46所指示的那樣，傳感器子系統(tǒng)22被加電而處理模塊18不被加電。如附圖標記48所指示的那樣，傳感器子系統(tǒng)22從慣性傳感器單元14采集溫度信號數(shù)據(jù)和慣性信號數(shù)據(jù)。如附圖標記50所指示的那樣，所采集的數(shù)據(jù)被存儲在抽樣模塊16的存儲裝置32中。在交通工具被接通電源52時，在測量模式中M對IMU 10加電。在測量模式中， 如附圖標記56所指示的那樣，傳感器子系統(tǒng)22被加電，并且處理模塊18被加電。如附圖標記58所指示的那樣，處理模塊18對存儲在抽樣模塊16的存儲裝置32中的數(shù)據(jù)進行檢索。如附圖標記60所指示的那樣，處理模塊18接著利用從抽樣模塊16中檢索出的數(shù)據(jù)來計算各個慣性傳感器26的熱偏離誤差模型，由此校準慣性傳感器26。如附圖標記62所指示的那樣，將來自慣性傳感器單元14的信號轉(zhuǎn)送至處理模塊18，并且通過應用在步驟60中計算出的熱偏離誤差模型來加以校正。在測量模式中，傳感器子系統(tǒng)22和處理模塊18被加電，使得由慣性傳感器沈和溫度傳感器M產(chǎn)生的慣性傳感器單元信號可以轉(zhuǎn)送至處理模塊18。處理模塊18的主處理器34通過將熱偏離誤差模型應用于這些信號來校正信號。主處理器34也同時執(zhí)行諸如控制與導航、姿態(tài)計算以及與抽樣模塊16進行聯(lián)系的其他任務。由于主處理器34要執(zhí)行的任務，與抽樣模塊16的低功率處理器30相比，主處理器34需要是相對大功率的。因此， 主處理器34具有比低功率處理器30相對更高的功率要求。校正后的信號用來確定交通工具的姿態(tài)。每一次IMU 10從抽樣模式改變?yōu)闇y量模式，處理模塊18就檢索保存在抽樣模塊16的數(shù)據(jù)存儲裝置32中的該周期的慣性傳感器信號數(shù)據(jù)-溫度數(shù)據(jù)，并將檢索的數(shù)據(jù)與之前檢索的數(shù)據(jù)一起存儲在處理模塊18的數(shù)據(jù)存儲裝置38中。在IMU 10的抽樣模式中，傳感器子系統(tǒng)22被選擇性地加電，但處理模塊18不被加電。因此，IMU 10在抽樣模式中消耗最小量的電力。子系統(tǒng)22在慣性傳感器單元14的冷卻階段中被加電，并且在該冷卻階段之后的環(huán)境溫度變化階段中被周期性地加電。參照圖4，顯示了慣性傳感器單元14的冷卻階段，其中單元14從操作溫度冷卻到環(huán)境溫度。在交通工具被斷開電源后，冷卻階段立刻開始。為了避免采集駕駛員退出交通工具時的數(shù)據(jù)，抽樣模塊16可以在交通工具斷開電源后將數(shù)據(jù)采集延遲預定時間。另選地， 由于正在退出的駕駛員引起的振動，將會放棄在駕駛員退出交通工具期間采集到的數(shù)據(jù)。 退出交通工具的駕駛員引起振動，使得在這個時段中采集的任何數(shù)據(jù)都將不適用于熱偏離誤差模型的確定。單元14通常在相對短的時間內(nèi)從操作溫度(該溫度可以顯著高于環(huán)境溫度)快速冷卻到環(huán)境溫度。在該冷卻階段中，抽樣模塊16持續(xù)地執(zhí)行采集直至運行時間已經(jīng)過去或者溫度傳感器M檢測到的溫度沒有顯著變化為止。參照圖5，在慣性傳感器單元14受到環(huán)境溫度波動影響的時段中，子系統(tǒng)22被周期性地加電。這種環(huán)境溫度變化階段例如是夜間交通工具被停放時的持續(xù)時間。由于環(huán)境溫度隨時間推移而緩慢變化，所以僅需要周期性地進行數(shù)據(jù)采集。低功率處理器30為計時器20設置鬧鈴(alarm)以通過電源控制器12來周期性地對傳感器子系統(tǒng)22加電。交通工具電池上的電力泄露由于子系統(tǒng)22的周期性加電而被減到最小。低功率處理器30的功率需求為，子系統(tǒng)22可以在交通工具電池不出現(xiàn)顯著地電力泄露的情況下工作延長的時段。 環(huán)境溫度變化階段中的抽樣時間由圖5中的抽樣框64指出。環(huán)境溫度變化階段中的抽樣是特別有用的，這是因為其使得可以在比在工廠校準中或冷卻階段中所通常發(fā)現(xiàn)的溫度范圍更大的溫度范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集。慣性傳感器沈在交通工具啟動時從環(huán)境溫度預熱至工作溫度的時段對于熱偏離誤差模型校正來說是有問題的，這是因為在這一溫度范圍內(nèi)缺少數(shù)據(jù)來開發(fā)該熱偏離誤差模型。在環(huán)境溫度遠遠低于工作溫度的情況下更是如此?？紤]到這一點，一些交通工具(諸如飛機)在使用之前要求“預熱時段(warming up period)”。在駕駛員可能意識不到慣性傳感器在使用中(諸如農(nóng)業(yè))的交通工具中，具有如本發(fā)明所提供的，在整個環(huán)境和工作溫度范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進行的熱偏離誤差模型校正是顯著的優(yōu)點。申請人認為，如果慣性傳感器 26在抽樣期間檢測到移動或振動，則該抽樣期間的數(shù)據(jù)將會被放棄并且子系統(tǒng)22將臨時掉電。在交通工具不處于工作狀態(tài)時的各個周期中的抽樣生成了存儲在抽樣模塊16的存儲裝置32中的不同批次的采集數(shù)據(jù)。參照圖6，將存儲在處理模塊18的存儲器36中的各個慣性傳感器沈的熱偏離誤差模型描繪為溫度偏離曲線。各個慣性傳感器26將會具有唯一的溫度偏離曲線，因此針對各個慣性傳感器26獨立地從慣性傳感器單元14采集數(shù)據(jù)。參照圖7，每一次在IMU 10處于抽樣模式中時采集溫度偏離曲線中的部分的數(shù)據(jù)。每一次當交通工具在不同周期中以不同的角度停放時，在抽樣過程中針對加速計測量到的數(shù)據(jù)將與實際偏離有偏差。這在圖7中由示出的圖中的間隔“由于重力而引起的偏差” 指出。在當IMU 10處于抽樣模式中時的不同數(shù)據(jù)采集時段中，將對溫度偏離曲線的不同區(qū)段進行觀察并且這些區(qū)段幾乎肯定具有不同的偏差。根據(jù)采集到的充足的慣性傳感器信號數(shù)據(jù)，可以從如下所描述的多個采集的部分溫度偏離曲線估計出實際溫度曲線假定溫度偏離曲線為η階多項式。也就是說
權(quán)利要求
1.一種校準工作設備的慣性傳感器的方法，該方法包括在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時，從一個或更多個慣性傳感器和位置接近所述慣性傳感器的一個或更多個溫度傳感器采集數(shù)據(jù)；以及利用從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)來更新所述慣性傳感器的熱偏離誤差模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括確定所述工作設備是否處于工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述工作設備是交通工具，并且確定所述交通工具是否處于工作狀態(tài)包括確定所述交通工具是否被接通電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述工作設備是交通工具，并且確定所述交通工具是否處于工作狀態(tài)包括確定所述交通工具的發(fā)動機是否處于工作狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工作設備，其中所述工作設備是測量設備，并且確定所述測量設備是否處于工作狀態(tài)的所述步驟包括確定所述測量設備是否被接通電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括確定在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時所述工作設備是否受到振動或移動的影響；以及放棄在所述工作設備受到振動或移動影響時采集的任何數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括通過將采集的數(shù)據(jù)擬合成曲線來更新所述熱偏離誤差模型和利用所述曲線的函數(shù)的特征來更新所述熱偏離誤差模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中更新所述熱偏離誤差模型包括相對于在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時的以往周期中采集的以往數(shù)據(jù)來對在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時的一個周期中采集的數(shù)據(jù)進行加權(quán)并且向在最近的周期中采集的數(shù)據(jù)賦予更大的權(quán)重。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中具有所述慣性傳感器和所述溫度傳感器的傳感器子系統(tǒng)被周期性地加電，以在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時采集所述數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的方法，其中在所述工作設備被斷開電源后，將數(shù)據(jù)采集延遲預定時間。
11.一種慣性測量單元，包括傳感器子系統(tǒng)，包括一個或更多個慣性傳感器；與所述慣性傳感器相關聯(lián)的一個或更多個溫度傳感器；以及低功率抽樣模塊，其能夠操作為從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集數(shù)據(jù)；處理模塊，其具有存儲有所述慣性傳感器的熱偏離誤差模型的存儲器；以及電源控制器，其被配置為在安裝有所述慣性測量單元的工作設備不處于工作狀態(tài)時選擇性地對所述傳感器子系統(tǒng)加電，以從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的慣性測量單元，該慣性測量單元包括計時器，所述計時器被所述電源控制器用于在所述工作設備不處于工作狀態(tài)時周期性地對所述傳感器子系統(tǒng)加電。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的慣性測量單元，其中所述低功率抽樣模塊包括低功率處理器，并且所述處理模塊包括具有比所述低功率處理器相對更高功率要求的主處理器。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的慣性測量單元，其中該慣性測量單元適于在所述工作設備被斷開電源后延遲預定時間再從所述慣性傳感器和所述溫度傳感器采集數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種校準諸如交通工具或測量設備的工作設備的慣性傳感器的方法，該方法包括確定該工作設備是否處于工作狀態(tài)。當該工作設備不處于工作狀態(tài)時，從慣性傳感器以及與之相關聯(lián)的溫度傳感器采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)用于更新慣性傳感器的熱偏離誤差模型。
文檔編號G01P21/00GK102472632SQ201080028641
公開日2012年5月23日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者D·杜沙 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司