發(fā)明背景

本發(fā)明總體涉及用于確定六自由度(dof)慣性測量單元(imu)的輸出的偏移和失準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及用于利用來自全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(gnss)和/或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(ins)的速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)來確定車輛上六自由度(6-dof)imu的輸出的偏移和失準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)和方法，其中，該方法包括利用速度和姿態(tài)來確定車輛框架中的理想加速度評估和理想角速度評估，以及利用理想加速度和角速度以及測得的來自imu的角速度和加速度輸出來確定imu的偏移誤差和失準(zhǔn)誤差。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代車輛的操作正變得更加自動(dòng)化，即車輛能夠提供需要更少駕駛員介入的駕駛控制。在車輛上使用巡航控制系統(tǒng)已經(jīng)多年，其中，車輛操作員可以設(shè)置一特定的車輛速度，且車輛將維持該速度而無需駕駛員對油門進(jìn)行操作。在本領(lǐng)域中，最近已經(jīng)開發(fā)了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)不僅維持設(shè)定速度，而且還將自動(dòng)地減緩車輛(在利用各種傳感器(例如雷達(dá)和相機(jī))來檢測到在前車輛移動(dòng)移動(dòng)的情況下)。某些現(xiàn)代車輛還提供自動(dòng)泊車，其中，車輛將自動(dòng)地提供用于泊車的轉(zhuǎn)向控制。一些車輛系統(tǒng)提供無需駕駛員介入的自動(dòng)制動(dòng)，以避免后端碰撞。隨著車輛系統(tǒng)的改進(jìn)，它們將變得更自動(dòng)，其目標(biāo)是成為完全自動(dòng)駕駛車輛。例如，未來車輛很可能將采用用于換道、讓車、轉(zhuǎn)離交通、轉(zhuǎn)向交通等的自動(dòng)系統(tǒng)。

車輛上各種主動(dòng)安全控制系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛操作，例如提供電子穩(wěn)定控制(ecs)、自適應(yīng)巡航控制(acc)、車道保持(lk)、車道改變(lc)等，需要用于評估各種車輛動(dòng)力學(xué)的高魯棒性和精確性的模塊。這種模塊有必要提供獲知車輛位置和速度以控制車輛。

以上所述的用于系統(tǒng)的主動(dòng)安全性控制以及其它控制依賴于用于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)性能的精確的車輛速度評估。目前，提出的這些類型的系統(tǒng)依賴于車輪速度傳感器和其它車輛運(yùn)動(dòng)輸入，以提供車輛速度評估。然而，有時(shí)，確定車輛速度的傳感器和控制模塊失效或操作不當(dāng)，在該情況下，車輛速度的損失可是嚴(yán)重的。在初級評估處理器失效的情況下，某些自動(dòng)安全性需求(例如asil-d)需要多余的車輛速度評估過程。例如，針對那些需要主動(dòng)控制的系統(tǒng)，需要控制系統(tǒng)在失效事件發(fā)生之后5秒之內(nèi)來提供精確的速度評估，以便給駕駛員時(shí)間來控制車輛。

本領(lǐng)域已知可在車輛上提供六自由度(6-dof)imu，其提供6個(gè)測量變化率，具體地，為車輛滾動(dòng)、俯仰和偏轉(zhuǎn)的角速度測量，以及縱向加速度、橫向加速度和向上/向下加速度的角速度測量。在車輛上提供的典型的imu將包括三個(gè)提供角速度測量的陀螺儀以及三個(gè)提供加速度測量的加速計(jì)。

本領(lǐng)域中已經(jīng)提出利用來自車輛上imu的角速度和加速度測量來提供能夠被車輛使用用于實(shí)現(xiàn)車輛速度評估的信號。2015年4月7日提出申請的、標(biāo)題為通過六自由度imu、gps和雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)的故障后可操作的車輛速度評估的美國專利申請系列號no.14/680,894，公開了用于提供多余車輛速度評估的系統(tǒng)和方法，其可確定一個(gè)或多個(gè)提供車輛速度的初級傳感器是否已經(jīng)失效，且倘若如此，則在次級模塊中利用緩存的車輛速度值以及來自imu的慣性測量信號來評估車輛速度。該方法還利用gps信號數(shù)據(jù)和/或由來自靜止物體的距離傳感器(倘若它們是可用的)提供的速度數(shù)據(jù)來改進(jìn)評估的車輛速度。

在'894申請中討論的過程中，次級車輛速度評估的精確度很大地依賴于imu加速度和角速度測量的精確度。然而，為此，由車輛上的imu提供的角速度和角速度的測量由于一些誤差源而通常偏離實(shí)際的加速度和角速度值。imu測量中的兩個(gè)主要誤差源為加速計(jì)和陀螺儀偏移部件以及相應(yīng)于將imu安裝至車輛的框架失準(zhǔn)。每個(gè)軸上都有一偏移項(xiàng)，其相應(yīng)于6個(gè)偏移誤差項(xiàng)(除了3個(gè)失準(zhǔn)誤差之外)。盡管期望將imu與車輛框架完美地對齊，但是仍有安裝誤差，即使它們很小，在計(jì)算中它們可提供顯著的失準(zhǔn)誤差。另外，在車輛的制造過程中，通過移動(dòng)車輛以及識別誤差可以改進(jìn)偏移和失準(zhǔn)誤差。然而，也很難精確地獲取這種偏移和失準(zhǔn)誤差校正。另外，在車輛的制造階段過程中，這些偏移和失準(zhǔn)誤差校正經(jīng)常需要特殊的車輛操縱，且另外，由于不同的道路、車輛和環(huán)境狀況，偏移項(xiàng)并不固定且可及時(shí)地改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開描述了一種用于校正來自安裝至車輛的六自由度imu的角速度和加速度輸出中的偏移和角度失準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)和方法。該方法包括：從例如gnss/ins提供慣性框架中的精確的速度和評估姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及利用該速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)來確定車輛框架中的理想的加速度評估和理想的速度評估。然后，該方法利用理想的加速度和速度評估以及來自imu的imu主體框架中的角速度和加速度輸出來確定imu偏移誤差和失準(zhǔn)誤差。

從以下的說明和所附權(quán)利要求并結(jié)合附圖，本發(fā)明的附加的特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是車輛的等比示意圖，其示出了車輛基準(zhǔn)框架和imu主體框架；

圖2是imu誤差評估系統(tǒng)的方框圖；以及

圖3是示出了用于提供imu誤差評估的過程的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下本發(fā)明的實(shí)施例的討論涉及一種用于識別車輛上六自由度imu中的imu偏移和失準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)和方法，其在本質(zhì)上僅僅是示例性的，且決不以任何方式意于限制本發(fā)明或它的應(yīng)用或使用。例如，該系統(tǒng)和方法針對次級車輛速度評估有特定的應(yīng)用。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，該系統(tǒng)和方法可具有其它應(yīng)用并可用于其它移動(dòng)平臺，例如，在火車、機(jī)器、拖拉機(jī)、輪船、露營車輛上等。

圖1為車輛10的等比示意圖，該車輛包括gnss/ins單元12，其以已知的方式提供精確的車輛速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)(包括滾動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和俯仰角度)。另外，車輛10包括傳感器14，該傳感器旨在表示車輪速度傳感器、方向盤角度傳感器、偏轉(zhuǎn)率傳感器、縱向和橫向加速度傳感器等(如本文討論所需)中的一個(gè)或多個(gè)。車輛10還包括六自由度imu16，其提供如本文還討論的加速度和角速度測量。如上所述，imu16為包括3個(gè)加速計(jì)和3個(gè)陀螺儀的已知設(shè)備。例如，在'894申請中，當(dāng)車輛速度測量數(shù)據(jù)不可用時(shí)，可采用來自imu16的測量以提供所討論的車輛速度評估。

本文的討論將涉及包括慣性框架(n-框架)的三坐標(biāo)框架，其為位于地面上的固定參考框架，其中，x-軸朝向東，y-軸朝向北，且z-軸朝向上。如圖1所示，車輛框架20(v-框架)為位于車輛10的重心處的主體固定框架，且x-軸朝向前，y軸朝向左，且z-軸朝向上。主體框架22(b-框架)為imu16的中心處的主體固定框架，且其中x-y-z軸與imu16中的加速計(jì)和陀螺儀的x-y-z軸相對齊。imu誤差包括每個(gè)加速計(jì)和陀螺儀沿著主體框架22的x-y-z軸的6個(gè)偏移分量，以及對應(yīng)于主體框架22與車輛框架20之間的旋轉(zhuǎn)角度的3個(gè)失準(zhǔn)角度。主體框架22的每個(gè)軸線有兩個(gè)偏移項(xiàng)，具體地，為一個(gè)加速度偏移和一個(gè)角速度偏移。

圖2為系統(tǒng)30的方框圖，其采用了imu誤差評估模型以校正以上所述的偏移和失準(zhǔn)誤差。系統(tǒng)30包括imu誤差評估模塊32和狀態(tài)評估模塊34，該imu誤差評估模塊評估imu偏移和失準(zhǔn)誤差，該狀態(tài)評估模塊校正來自imu16的偏轉(zhuǎn)測量并在速度和姿態(tài)評估模塊中利用它們(偏轉(zhuǎn)測量)。在誤差評估模塊32中，例如，在方框36處利用gnss/ins數(shù)據(jù)來提供精確的車輛速度和姿態(tài)。利用來自方框36的車輛速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，模塊32在方框38處確定車輛框架20的理想的加速度和角速度。

以下討論詳細(xì)說明了怎樣確定理想的加速度和角速度。以下等式限定了車輛框架20中的速度和角速度。

其中，是車輛框架20中的車輛速度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，gⁿ＝[0,0,-9.80665]^t是慣性框架中的重力加速度矢量，f^v是車輛框架20中的加速度矢量，且是從慣性框架到車輛框架20的變換矩陣，其對應(yīng)于滾動(dòng)φ、俯仰θ和偏轉(zhuǎn)ψ的歐拉角度旋轉(zhuǎn)，其中：

且其中，ω^v＝[ω^vx]是imu的車輛角速度ω^v的反對稱矩陣：

假定從gnss/ins數(shù)據(jù)可以已知車輛速度v^v和滾動(dòng)角度φ，俯仰角度θ和偏轉(zhuǎn)角度ψ，通過利用等式(1)，車輛框架20中的理想的imu加速度矢量f^v和角速度測量ω^v可如下得到：

其中，利用速度數(shù)據(jù)的數(shù)值導(dǎo)數(shù)來獲取以及利用等式(3)來獲取如下：

其中，和被數(shù)值計(jì)算。

來自方框38的理想的imu加速度矢量f^v和理想的角速度ω^v被傳送至imu偏移和失準(zhǔn)評估方框40，其將理想的加速度矢量f^v和理想的角速度ω^v評估值與主體框架22中的角速度ω^b(來自在方框42處提供的imu16中的陀螺儀)和主體框架22中的加速度值f^b(來自在方框44處提供的imu16中的加速計(jì))進(jìn)行比較，以計(jì)算偏移和失準(zhǔn)評估誤差。只要gnss/ins數(shù)據(jù)提供精確的信息以在方框36處確定車輛速度和姿態(tài)，在方框40處就可精確地獲得主體框架22的x-y-z軸上的每個(gè)加速計(jì)的偏移和失準(zhǔn)誤差以及3個(gè)失準(zhǔn)角度誤差。

為了計(jì)算偏移和失準(zhǔn)評估誤差，獲取理想的測量與實(shí)際的測量之間的關(guān)系。在等式(5)中的imu測量為理想的測量，在某種意義上，它們不包括任何imu誤差。將偏移和失準(zhǔn)視為兩種顯著的誤差，理想的值和實(shí)際的imu測量的關(guān)系如下所示：

其中，f^b和ω^b是主體框架22中的實(shí)際的imu測量，f偏移和ω偏移】分別是加速計(jì)和陀螺儀的偏移矢量，且是從車輛框架20到主體框架22的變換矩陣，其對應(yīng)于imu失準(zhǔn)角度，如下：

其中，α、β和γ分別是關(guān)于x軸、y軸和z軸的失準(zhǔn)歐拉角度。

等式(8)和(9)包括具有9個(gè)未知數(shù)的6個(gè)等式。為了獲得等式的唯一解，與不同時(shí)間點(diǎn)的加速度測量有關(guān)的3個(gè)等式是必要的。

在方框40處，在以下兩種情況下，利用理想的在兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)的加速度測量來首次獲取3個(gè)失準(zhǔn)角度α、β和γ。第一種情況下，縱向加速度變化，而橫向和豎向加速度恒定。在該情況下，為了在時(shí)間t1和t2處的imu16的理想的加速度測量，滿足以下條件：

假定偏移項(xiàng)在時(shí)間t1和t2處保持恒定，且利用等式(8)-(13)，可得實(shí)際的imu測量在時(shí)間t1和t2處的差異如下：

其中，δf＝f(t2)-f(t1)，且其中，在車輛框架20中的恒定的橫向和豎向加速度項(xiàng)以及偏移項(xiàng)通過相減被消除。

在((α,β,γ)＝(0,0,0,)附近對等式(14)進(jìn)行線性化，得出：

得出：

倘若β≠0或γ≠0，則通過將等式(16)和(17)代入等式(14)可獲得失準(zhǔn)角度α，如下：

其中：

第二種情況下，縱向和豎向加速度變化，而橫向加速度恒定。在這情況下，以下條件被提供。

假定偏移項(xiàng)在時(shí)間t1和t2處保持恒定，且利用等式(8)、(9)、(21)、(22)和(23)，可得實(shí)際的imu測量在時(shí)間t1和t2處的差異如下：

其中，在車輛框架20中的恒定橫向加速度項(xiàng)以及偏移項(xiàng)通過相減被消除。

在(α,β,γ)＝(0,0,0,)附近對等式(24)進(jìn)行線性化，得出：

從等式(25)可獲得失準(zhǔn)角度β如下：

倘若從先前的時(shí)間可獲得失準(zhǔn)角度γ的評估，則：

為了實(shí)現(xiàn)失準(zhǔn)評估算法，在等式(5)和(6)中的理想的imu測量在模塊32中被緩沖持續(xù)一段較短的時(shí)間(例如，1秒)。時(shí)間t2被設(shè)置成等于當(dāng)前時(shí)間，且通過檢索緩沖數(shù)據(jù)來確定時(shí)間t1，其滿足在第一種情況或第二種情況下的條件。由于失準(zhǔn)角度是恒定的，它們隨著在每個(gè)時(shí)刻的當(dāng)前值與先前值的平均而被更新。

一旦失準(zhǔn)角度α，β和γ被計(jì)算出，利用等式(8)、(9)和(10)可獲得用于加速計(jì)和陀螺儀的偏移分量，如下：

圖3是流程圖60，其示出了如以上所討論的用于在方框38和40處用于提供imu誤差評估計(jì)算的過程。在方框62處，來自gnss/ins的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)φ、俯仰θ和偏轉(zhuǎn)ψ的車輛姿態(tài)測量，到方框64處，將來自慣性框架的車輛姿態(tài)測量變換至車輛框架20，以獲取如由等式(2)和(3)提供的變換矩陣和然后變換矩陣和被傳送至方框66，以提供車輛框架20中的補(bǔ)償速度，其包括角速度ω^v以及由等式(5)提供的反對稱矩陣ω^v。在方框68處提供來自gnss/ins數(shù)據(jù)的車輛速度和加速度值v^v和且在方框70處利用來自方框66的由等式(5)提供的反對稱矩陣ω^v對車輛框架20中的加速度進(jìn)行補(bǔ)償，以獲取測得的由等式(6)提供的在車輛框架20中的加速度向量f^v。算法利用來自方框70的向量f^v以及來自方框74的imu加速度測量值f^b來計(jì)算失準(zhǔn)角度α，β和γ(或者在第一種情況下利用等式(16)、(17)和(18)，或在第二種情況下利用等式(26)和(27))。算法產(chǎn)生變換矩陣用于在方框76處利用等式(10)來實(shí)現(xiàn)從車輛框架20到主體框架22的變換。然后，變換矩陣以及來自在方框80處的imu16的主體框架22中的角速度ω^b和來自方框74的主體框架22中的加速度f^b被提供至方框78，以利用等式(28)和(29)來產(chǎn)生偏移分量f偏移和ω偏移，其中，從等式(16)、(17)和(18)或等式(26)和(27)，以及等式(28)和(29)獲得的結(jié)果給出了9個(gè)值。

識別來自方框40的偏移和失準(zhǔn)誤差的9個(gè)值被提供至模塊34，以使得倘若gnss/ins數(shù)據(jù)在任何特定時(shí)間點(diǎn)不可用時(shí)，則先前計(jì)算出的誤差可被用于識別車輛速度和姿態(tài)(在這些值是需要的但車輛速度傳感器失效的情況下)。因此，如在'894申請中，倘若需要imu數(shù)據(jù)來評估車輛速度，則那些值在被用于那些計(jì)算之前先被針對誤差進(jìn)行調(diào)整。來自方框40的誤差以及方框48處的imu角速度ω^b和方框50處的imu加速度值f^b被應(yīng)用至在模塊34中的imu偏移和失準(zhǔn)補(bǔ)償方框46，以如下被校正。

一旦在方框46處校正imu角速度和加速度值，那些校正后的值在方框52處就可被用于確定例如如在'894申請中所述的車輛速度和姿態(tài)。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員將很好地理解，本文所討論的用于描述本發(fā)明的一些或各種步驟和過程可以指代由計(jì)算機(jī)、處理器或其它電子計(jì)算裝置(利用電現(xiàn)象來操作和/或變換數(shù)據(jù))執(zhí)行的操作。那些計(jì)算機(jī)和電子裝置可采用各種易失性和/或非易失性存儲器，包括具有在其上儲存的可執(zhí)行程序(包括可由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種代碼或可執(zhí)行指令)的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，存儲器和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括所有形式和類型的存儲器和其它計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

以上討論僅僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。從這種討論以及從附圖和權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到，在不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中作出各種改變、修改和變體。