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      使用提供距離信息的圖像采集裝置的重型設(shè)備導(dǎo)航和工作刃定位的系統(tǒng)和方法_3

      文檔序號(hào):9457336閱讀:來(lái)源:國(guó)知局
      收機(jī)正在移動(dòng),則INS卡爾曼濾波器不執(zhí)行更新(步驟535)。所傳播的協(xié)方差矩陣然后反映無(wú)GNSS位置可用。經(jīng)內(nèi)插的慣性位置在下一個(gè)一秒測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)被用作接收機(jī)位置(步驟540)。然而,如果接收機(jī)不動(dòng),則INS卡爾曼濾波器執(zhí)行零速度更新而不是位置更新(步驟540),并且再次將經(jīng)內(nèi)插的慣性位置用作接收機(jī)位置(步驟540)。
      [0046]如在下面所討論的,當(dāng)例如特定GNSS濾波器用來(lái)確定GNSS位置時(shí)卡爾曼濾波器過(guò)程可以對(duì)與特定觀測(cè)時(shí)間相關(guān)聯(lián)的特定觀測(cè)協(xié)方差信息進(jìn)行去加權(quán),而無(wú)論接收機(jī)是否不動(dòng)。去加權(quán)類(lèi)似地用來(lái)補(bǔ)償與時(shí)間相關(guān)的測(cè)量噪聲。
      [0047]在許多環(huán)境(例如,城市峽谷)中,接收機(jī)可能經(jīng)受?chē)?yán)重的多徑誤差。為了防止在這些環(huán)境中生成的GNSS位置經(jīng)由卡爾曼濾波器更新而中斷慣性系統(tǒng)參數(shù),INS子系統(tǒng)在信息用來(lái)更新卡爾曼濾波器之前對(duì)信息施加六西格瑪約束。
      [0048]機(jī)械化過(guò)程(步驟515)將在路線對(duì)準(zhǔn)期間確定的初始條件與IMU數(shù)據(jù)組合,以使INS子系統(tǒng)參數(shù)保持更新。此后,機(jī)械化過(guò)程使用與前一個(gè)測(cè)量間隔的結(jié)束邊界相關(guān)聯(lián)的條件,并且將INS子系統(tǒng)參數(shù),即,位置、速度和姿態(tài),從前一個(gè)測(cè)量間隔的結(jié)束邊界傳播到當(dāng)前測(cè)量間隔的結(jié)束邊界。
      [0049]機(jī)械化過(guò)程每10毫秒對(duì)INS子系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)用接收機(jī)動(dòng)態(tài)特性一次。慣性位置是在各個(gè)GNSS秒初期相對(duì)于GNSS位置而確定的。隨著GNSS位置在偶數(shù)GNSS秒處變得可用,卡爾曼濾波器過(guò)程將更新的誤差狀態(tài)提供給機(jī)械化過(guò)程,并且機(jī)械化過(guò)程在計(jì)算中使用該信息來(lái)在測(cè)量間隔期間傳播系統(tǒng)參數(shù)。經(jīng)更新的信息用來(lái)控制慣性系統(tǒng)誤差生長(zhǎng)。
      [0050]現(xiàn)在參照?qǐng)D6,GNSS/INS接收機(jī)的操作通過(guò)由具有軟件的MJ和NovAtel 0EM4雙頻GNSS接收機(jī)構(gòu)成的示例來(lái)描述,所述軟件已被修改為使得GNSS處理器能夠使用相應(yīng)的GNSS和INS濾波器來(lái)處理GNSS測(cè)量結(jié)果和慣性測(cè)量結(jié)果。0EM4能夠提供LI和L2范圍以及載波測(cè)量結(jié)果以及單點(diǎn)偽距差分和基于載波的差分GNSS定位。GNSS子系統(tǒng)因此包括三個(gè)GNSS濾波器,即,作為能夠在單點(diǎn)模式或差分模式下操作的偽距最小二乘方位置估計(jì)器的PSR位置濾波器640、偽距/載波PTK浮動(dòng)模糊濾波器615和基于載波的RTK固定模糊濾波器620。提供根據(jù)當(dāng)前本地載波測(cè)量結(jié)果、預(yù)測(cè)的基站測(cè)量結(jié)果和最佳可用模糊計(jì)算的低延遲位置的第四濾波器也是系統(tǒng)的一部分,但是對(duì)INS/GNSS集成不重要,所以這里僅被順便提到。相應(yīng)的濾波器具有不同的誤差特性,并且因此與不同的協(xié)方差矩陣相關(guān)聯(lián)。
      [0051]來(lái)自各個(gè)GNSS濾波器的位置和協(xié)方差信息被提供給最佳位置任務(wù)630,其基于最小協(xié)方差跟蹤來(lái)選擇最佳位置。該過(guò)程將所選擇的位置和關(guān)聯(lián)協(xié)方差信息以及濾波器類(lèi)型指示符提供給INS卡爾曼濾波器任務(wù)635。GNSS位置信息也被包括在被提供給用戶(hù)的導(dǎo)航信息中。
      [0052]如以上所討論的,當(dāng)系統(tǒng)不動(dòng)時(shí)和/或當(dāng)特定GNSS濾波器用來(lái)確定GNSS位置時(shí)卡爾曼濾波器任務(wù)635對(duì)由GNSS子系統(tǒng)提供的協(xié)方差矩陣的部分進(jìn)行去加權(quán)。具體地,當(dāng)接收機(jī)不動(dòng)并且在偽距(PSR)位置濾波器640中生成了 GNSS位置或者無(wú)論系統(tǒng)是否不動(dòng)并且在浮動(dòng)模糊濾波器615中生成了位置時(shí),爾曼濾波過(guò)程在十有八九的GNSS觀測(cè)時(shí)間對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行去加權(quán)。否則,卡爾曼濾波器過(guò)程將GNSS協(xié)方差矩陣直接用于更新。
      [0053]對(duì)于INS處理來(lái)自頂U(kuò)的測(cè)量結(jié)果被提供給向處理器330 (圖3)上的控制器(未示出)發(fā)送高優(yōu)先級(jí)中斷的IMU任務(wù),并且控制器通過(guò)讀取從屬于GNSS時(shí)間的計(jì)數(shù)器340的計(jì)數(shù)來(lái)響應(yīng)。計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確到I微秒,然而GNSS時(shí)間準(zhǔn)確到100納秒??刂破魇褂糜?jì)數(shù)來(lái)重建GNSS時(shí)間,并且IMU任務(wù)利用經(jīng)重建的GNSS時(shí)間給慣性測(cè)量結(jié)果加時(shí)間標(biāo)記?;谠摂?shù)據(jù)的慣性位置因此在微秒級(jí)與GNSS位置同步。
      [0054]如上面所討論的,機(jī)械化任務(wù)610處理頂U(kuò)數(shù)據(jù)以根據(jù)接收機(jī)動(dòng)態(tài)特性每10毫秒傳播慣性位置、姿態(tài)和速度。在I秒邊界處,慣性位置和速度與被內(nèi)插至一秒邊界的所述慣性位置和速度的關(guān)聯(lián)的協(xié)方差信息一起通過(guò)機(jī)械化過(guò)程被發(fā)送到INS卡爾曼濾波器635、信號(hào)重新采集任務(wù)625和GNSS RTK浮點(diǎn)模糊濾波器615。INS卡爾曼濾波器將除同時(shí)收集到的GNSS位置和協(xié)方差之外的這個(gè)信息用于更新。GNSS濾波器615使用該信息來(lái)執(zhí)行完整性檢查,或者酌情協(xié)助模糊解決操作,并且信號(hào)重新采集任務(wù)酌情使用該信息來(lái)協(xié)助信號(hào)重新米集任務(wù)。
      [0055]在測(cè)量間隔邊界處,卡爾曼濾波器任務(wù)635向機(jī)械化任務(wù)610如上所述的更新或者未更新的誤差狀態(tài)。針對(duì)該測(cè)量間隔,機(jī)械化任務(wù)將該誤差狀態(tài)信息包括在它的傳播計(jì)算中。如以上所討論的,機(jī)械化任務(wù)還將各種傳播的系統(tǒng)參數(shù)作為導(dǎo)航信息的一部分提供給用戶(hù)。
      [0056]在足夠數(shù)量的衛(wèi)星不可被接收機(jī)利用時(shí),接收機(jī)在導(dǎo)航信息中省略GNSS位置。同時(shí),GNSS子系統(tǒng)使用慣性位置、速度和協(xié)方差信息來(lái)重新采集衛(wèi)星信號(hào)。
      [0057]信號(hào)重新采集任務(wù)625需要如由接收機(jī)看見(jiàn)的給定衛(wèi)星信號(hào)的即時(shí)代碼和多普勒速率,以便使本地代碼生成器與衛(wèi)星信號(hào)中的代碼同步。為了確定即時(shí)代碼,信號(hào)重新采集任務(wù)結(jié)合接收機(jī)時(shí)鐘偏移和已知衛(wèi)星位置使用慣性位置來(lái)生成到衛(wèi)星的理論偽距。GNSS子系統(tǒng)然后基于該理論偽距將本地代碼生成器重新設(shè)定給適當(dāng)?shù)拇a芯片。
      [0058]為了確定理論多普勒速率,信號(hào)重新采集任務(wù)將慣性速度投影到衛(wèi)星視線向量上并且結(jié)合接收機(jī)時(shí)鐘偏移和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)使用結(jié)果得到的視線速度來(lái)計(jì)算衛(wèi)星的理論多普勒速率。該理論多普勒速率然后在GNSS子系統(tǒng)中用來(lái)為本地代碼生成器設(shè)定多普勒控制。
      [0059]GNSS子系統(tǒng)進(jìn)而針對(duì)各個(gè)可觀測(cè)衛(wèi)星來(lái)計(jì)算理論偽距和多普勒速率。假定慣性位置和速度接近于實(shí)際的接收機(jī)位置和速度,本地代碼生成器產(chǎn)生在相位上接近于所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中的對(duì)應(yīng)代碼的代碼。因此,各個(gè)衛(wèi)星一旦可用,GNSS子系統(tǒng)就能夠迅速地產(chǎn)生被用來(lái)確定GNSS位置的相關(guān)測(cè)量結(jié)果。
      [0060]GNSS子系統(tǒng)還必須解決周期模糊以便確定GNSS相對(duì)于固定位置接收機(jī)的位置。GNSS子系統(tǒng)首先估計(jì)與RTK浮動(dòng)模糊濾波器615相關(guān)聯(lián)的浮動(dòng)模糊。當(dāng)位置像由關(guān)聯(lián)協(xié)方差所表示的那樣準(zhǔn)確時(shí),GNSS子系統(tǒng)為RTK固定模糊濾波器620初始化搜索空間,并且固定模糊解決過(guò)程能夠開(kāi)始。
      [0061]在模糊估計(jì)過(guò)程期間,GNSS子系統(tǒng)使用慣性位置和關(guān)聯(lián)的協(xié)方差矩陣來(lái)設(shè)定浮動(dòng)模糊位置和協(xié)方差。浮動(dòng)模糊估計(jì)過(guò)程通常占用20或30秒來(lái)為整數(shù)模糊濾波器初始化搜索空間,但是信號(hào)一旦變得可用,慣性輔助就使得固定模糊濾波器的初始化能夠開(kāi)始,從而大大地縮短解決過(guò)程。
      [0062]如所討論的,GNSS/INS使用單獨(dú)的但是耦合的GNSS和INS濾波器。使用單獨(dú)的GNSS和INS濾波器限制濾波器的尺寸和復(fù)雜性。此外,GNSS位置的單獨(dú)計(jì)算和特定測(cè)量結(jié)果的去加權(quán)減小被用來(lái)更新INS卡爾曼濾波器的GNSS信息中的時(shí)間相關(guān)誤差的不利效果。因此,單獨(dú)的濾波器的使用提供優(yōu)于使用一個(gè)濾波器的數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。還在本申請(qǐng)要求優(yōu)先權(quán)的臨時(shí)申請(qǐng)中并且在T.Ford、J.Neumann、P.Fenton、M.Bobye和J.Hamilton的標(biāo)題為“0EM4Inertial:A Tightly Integrated Decentralized Inertial/GNSS Navigat1nSystem”的論文中討論了 GNSS/INS接收機(jī)的好處,所述論文是在2001年9月鹽湖城的衛(wèi)星導(dǎo)航研究所部門(mén)的第14屆國(guó)際技術(shù)會(huì)議上提出的,并且通過(guò)引用整體地并入本文。
      [0063]如以上所指出的,本文所包含的描述包括GNSS/INS系統(tǒng)的示例性實(shí)施方式。明確地注意,可以對(duì)能夠?yàn)橹匦驮O(shè)備車(chē)輛提供實(shí)時(shí)位置和導(dǎo)航信息的任何系統(tǒng)利用本發(fā)明的原理。因此,本文所包含的描述應(yīng)該被視為僅示例性的。
      [0064]視覺(jué)系統(tǒng)
      [0065]返回參照?qǐng)D3,根據(jù)本發(fā)明的例示性實(shí)施方式,視覺(jué)系統(tǒng)355被提供用于獲得一個(gè)或更多個(gè)目標(biāo)130的位置信息,進(jìn)而,獲得目標(biāo)駐留在上面的工作刃的位置信息。圖像采集裝置(諸如相機(jī)110)隨著目標(biāo)通過(guò)圖像采集裝置的固定視場(chǎng)120移動(dòng)而獲得目標(biāo)130的一個(gè)或更多個(gè)圖像。例示性地,相機(jī)110每秒獲得其固定視場(chǎng)的多個(gè)圖像。所捕獲的圖像包含視場(chǎng)中的各個(gè)像素的強(qiáng)度值以及距離值。如在下面進(jìn)一步描述的,圖像被輸送給執(zhí)行用于確定目標(biāo)在視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置的軟件(未示出)的視覺(jué)處理器345。例示性地,視覺(jué)處理器在操作上與時(shí)鐘335互連,使得所采集的圖像可以被加時(shí)間戳到還被用于GNSS和INS測(cè)量結(jié)果的公共時(shí)鐘。這使得視覺(jué)系統(tǒng)355能夠提供在與GNSS/INS系統(tǒng)同步的特定時(shí)間點(diǎn)的位置信息。在一個(gè)實(shí)施方式中,時(shí)鐘335作為GNSS系統(tǒng)、INS系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)為從屬裝置的主時(shí)鐘。
      [0066]隨著目標(biāo)130在操作上連接至處于已知位置中的工作刃105,通過(guò)確定目標(biāo)的位置,視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)識(shí)工作刃在視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的位置。因此,視覺(jué)系統(tǒng)基于目標(biāo)與工作刃的已知位置之間的預(yù)定義空間關(guān)系來(lái)確定工作刃的例如底部的位置。
      [0067]例示性地,圖像采集裝置110包括固定視場(chǎng)120,所述固定視場(chǎng)120包含目標(biāo)130可以在工作刃105的操作期間移
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