一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法，包括步驟：在靜止?fàn)顟B(tài)下獲取載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角，對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換；通過載體的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置?？梢耘卸ㄝd體是否靜止，實現(xiàn)在衛(wèi)星信號不好的情況下連續(xù)導(dǎo)航。本發(fā)明還提供一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)。
【專利說明】一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車載導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們生活水平的日益提高，對連續(xù)的實時定位提出了較高的要求，但由于使用環(huán)境的復(fù)雜，單一的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，難以滿足車輛實時、連續(xù)定位需求。當(dāng)前，車載組合定位系統(tǒng)多使用GPS接收機和以陀螺儀、車速脈沖或加速度計組成的DR (DeadReckoning,航位推算)通過微處理器進(jìn)行系統(tǒng)集成,組成GPS/DR組合定位方案,但這些方案均具有一定的局限性。
[0003]其中，在環(huán)境惡劣的情況下，慣性導(dǎo)航將發(fā)揮重大的作用。慣性導(dǎo)航通常由相互正交的三軸加速度計和相互正交的三軸陀螺儀等慣性傳感器組成，短期內(nèi)可以提供高精度的三維位置、三維速度和三維姿態(tài)信息，其不受外界干擾，自主性好，目前已在車載、航空、航海等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。慣性傳感器通常安裝在載體上，為了讓慣性傳感器的測量數(shù)據(jù)直接反應(yīng)載體的線運動和角運動信息，其軸向需與載體的右向、前向和天向平行，因此對安裝方式和空間提出了較高的要求，同時需要人為地設(shè)置其軸向，操作繁瑣，限制了慣性導(dǎo)航的應(yīng)用。由于載體空間和人為操作等因素的影響，安裝時會存在一定的傾角，當(dāng)傾角不可忽略時，會影響慣性導(dǎo)航的精度。在判斷傳感器的軸向時，如果慣性傳感器的任意兩軸與重力加速度的夾角為45度 ,則理論上該兩軸方向的比力絕對值相等,而另一軸的比力為0，此種情況下的軸向可存在多種情況。
[0004]根據(jù)發(fā)明人的了解，現(xiàn)有技術(shù)在利用慣性導(dǎo)航的技術(shù)時，至少存在下列問題:
1.根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的水平合速度判定載體是否靜止，這對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性有一定的要求。當(dāng)衛(wèi)星信號弱或完全失鎖時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能準(zhǔn)確判定載體是否靜止，導(dǎo)致無法識別天向軸和前向軸，其應(yīng)用存在較大的局限性；
2.現(xiàn)有技術(shù)在運用時，要求慣性傳感器相互正交的任意兩軸分別與載體右向軸和前向軸平行。而在實際安裝時，由于載體空間和人為操作等因素，慣性傳感器的軸向與載體的右向軸和前向軸會存在一定的傾角，當(dāng)傾角不可忽視時，現(xiàn)有技術(shù)的適用性大大降低。
[0005]3.由于加速度計輸出的比力包括載體的運動加速度和重力加速度,在判定載體前向軸的過程中，未考慮去除重力加速度的影響，直接將加速度計比力輸出值對時間積分的結(jié)果作為速度值。當(dāng)載體傾斜或非水平安裝等因素導(dǎo)致重力加速度的分量不可忽略時，會出現(xiàn)誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述情況，本發(fā)明提出了一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法，該方法主要利用慣性傳感器的軸向信息；在經(jīng)過矩陣變化運算獲取轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值，通過結(jié)合載體自身的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置。應(yīng)用了慣性傳感器的特性，對各個軸向進(jìn)行適應(yīng)性地計算和調(diào)節(jié)。實現(xiàn)在衛(wèi)星信號不好的情況下連續(xù)無縫導(dǎo)航，具有較大的實際應(yīng)用價值。
[0007]—種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法，包括步驟:在靜止?fàn)顟B(tài)下獲取載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的#個直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角
?和沒，對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，獲取轉(zhuǎn)換后三軸對
應(yīng)比力值及角速度值；通過載體的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置；所述第一軸、第二軸與第三軸兩兩垂直。
[0008]本發(fā)明還提供了一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括:慣性傳感器信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，所述模塊依次連接；所述慣性傳感器信息采集模塊用于獲取在靜止?fàn)顟B(tài)下載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的#個 直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；所述數(shù)據(jù)處
理模塊用于根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角參
和,對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，獲取轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)
比力值及角速度值；通過載體的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置；所述第一軸、第二軸與第三軸兩兩垂直。
[0009]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用了慣性傳感器的特性，對各個軸向進(jìn)行適應(yīng)性地計算和調(diào)節(jié)?？梢詼?zhǔn)確判定載體是否靜止，并準(zhǔn)確識別天向軸和前向軸，實現(xiàn)在衛(wèi)星信號不好的情況下連續(xù)無縫導(dǎo)航，具有較大的實際應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法實施例的流程示意圖；
圖2是本發(fā)明的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法中的矩陣對應(yīng)軸向示意圖；
圖3是本發(fā)明的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法中的矩陣變換示意圖A ；
圖4是本發(fā)明的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法中的矩陣變換示意圖B ；
圖5是本發(fā)明的一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0011]以下結(jié)合其中的較佳實施方式對本發(fā)明方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。如圖1所示，慣性傳感器包括相互正交的三軸陀螺儀和相互正交的三軸加速度計。慣性傳感器的兩軸與載體的右向軸和前向軸分別存在傾角#和Θ。慣性傳感器的原始軸向為尤7又，正確識別軸向后與載體右向、前向存在傾角的軸向為尤7Λ，經(jīng)過補償傾角和后與載體右向、前向和天向一致的軸向為石Λ4。該方法采用的數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星導(dǎo)航速度信息、陀螺儀的角速度輸出和加速度計的比力輸出。載體靜止時，加速度計僅受重力作用，而載體從靜止到運動的短時間內(nèi)，載體前向有較大的運動加速度。基于以上特征可自動識別慣性傳感器的軸向。
[0012]圖2中示出了本發(fā)明一種車載組合導(dǎo)航方法實施例的流程示意圖。
[0013]如圖2所示，本實施例中的方法包括步驟:
SlOl:在靜止?fàn)顟B(tài)下獲取載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中的第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值。
[0014]其中第一軸的軸向判斷步驟為:將慣性傳感器三軸的比力/Β?、Λ分別與本地重力加速度貧比較=? = ||/3!?|-g|, Sjsy= \f}y\-g ’ Sfss = ||/J- g|。?、Sf5y和Sjss分別為
加速度計尤I75Zs軸比力的絕對值與本地重力加速度差距的絕對值。當(dāng)足4 <Sftkre^m時，則尤軸與；軸平行。若Λ為正，則尤與；軸方向相同；若厶為負(fù)，則尤與；軸方向相反。當(dāng)時，則I；軸與；軸平行。若/$為正，則I；與；軸方向相同；若4為負(fù)，則I；與；軸方向相反。當(dāng)5/? <5/_5&|?時，則乙軸與；軸平行。若厶為正，則乙與；軸方向相同；若/2為負(fù)，則乙與A軸方向相反。其中，巧#,—.為臨界閥值。同時，保存其它兩
軸的比力，該比力為重力加速度的分量/_，并不斷計算均值。理論上，在靜止時向上方向
的比力為g，向下方向的比力為-g，尤7石中；與向上的夾角比較小，該方向比力和g非常接近，而和η方向的比力很小，因此我們可觀察加速度計輸出中，尤軸哪個軸的比力和g比較接近來判斷。的取值比較小，尤I75Zs三個軸中有且僅有一個軸滿足以上條件。
[0015]作為更優(yōu)的實施方案，勻速直線運動情況下，載體線加速度為0，且由于是直線運動，載體角加速度為O (轉(zhuǎn)彎時會有向心加速度)，因此，該情況下加速度計的輸出是重力加速度的分量，與靜止情況下加速度計和陀螺儀的輸出一樣。因而，無論在靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)下，都可以判斷第一軸的軸向。
[0016]第二軸軸向的判定步驟為:獲取載體從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的#個直線行駛時刻中第二軸的加速度；判斷第二軸的加速度大于預(yù)設(shè)加速度閾值的次數(shù)是否超過預(yù)設(shè)次數(shù)；若是，載體為前向運動加速度；若否，載體為右向運動加速度。由于加速度的方向有正負(fù)之分，這里說的前向運動加速度為負(fù)的時候，前向運動加速度可以解釋為后向運動加速度；同理，右向運動加速度可以解釋為左向運動加速度。以下用例子進(jìn)行展開說明:
在載體由靜止到運動直線行駛的Λ/個時刻中，計算每個時刻第二軸的運動加速度:
λ=/-Zrw, /為第二軸的比力，/_為重力加速度在第二軸方向上的分量。由于在該過程中載體加速，在某幾個時刻會出現(xiàn)前向運動加速度比較大，而右向運動加速度一直比較小。因此，統(tǒng)計運動加速度a的絕對值大的個數(shù)#。當(dāng)μ>= Jyg-時，第二軸與
I；軸方向平行，若β為正，則第二軸與I；方向相同，若a為負(fù)，則第二軸與I；方向相反。當(dāng)時，第二軸與軸方向平行，若?力正,則第二軸與方向相同，若S為負(fù)，則該軸與方向相反。
[0017]若判定成功，獲取第二軸軸向。
【權(quán)利要求】
1.一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法，其特征在于，包括步驟:在靜止?fàn)顟B(tài)下獲取載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的#個直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角Φ和沒，對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，獲取轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值；通過載體的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置；所述第一軸、第二軸與第三軸兩兩垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸軸向的獲取方法，包括:獲取載體從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中第二軸的加速度；判斷所述第二軸的加速度大于預(yù)設(shè)加速度閾值的次數(shù)是否超過預(yù)設(shè)次數(shù)；若是，所述第二軸軸向為前向；若否，所述第二軸軸向為右向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸與所述載體的前向軸
的傾角
4.一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航方法，其特征在于，包括步驟:在勻速直線運動狀態(tài)下獲取載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從勻速直線運動狀態(tài)到變速運動狀態(tài)的#個直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角#和沒，對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，獲取轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值；通過載體的初始位置、初始速度、初始角速度以及所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值來計算所述載體當(dāng)前的位置、速度以及角速度；所述第一軸、第二軸與第三軸兩兩垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸軸向的獲取方法，包括:獲取載體從勻速直線運動狀態(tài)到變速運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中第二軸的加速度；判斷所述第二軸的加速度大于預(yù)設(shè)加速度閾值的次數(shù)是否超過預(yù)設(shè)次數(shù)；若是，所述第二軸軸向為前向；若否，所述第二軸軸向為右向。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸與所述載體的前向軸
的傾角
7.一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括:慣性傳感器信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，所述模塊依次連接；所述慣性傳感器信息采集模塊用于獲取在靜止?fàn)顟B(tài)下載體慣性傳感器三軸的比力方向與重力加速度g方向一致的第一軸軸向；獲取從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中所述第二軸軸向；根據(jù)所述第一軸軸向與所述第二軸軸向獲取第三軸軸向，并獲取所述慣性傳感器的三軸對應(yīng)比力值及角速度值；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)所述慣性傳感器的第二軸、第三軸與所述載體的前向軸、右向軸的傾角?和沒，對所述慣性傳感器三軸對應(yīng)比力值及角速度值進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，獲取轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值；通過載體的初始位置、所述轉(zhuǎn)換后三軸對應(yīng)比力值及角速度值計算所述載體的位置；所述第一軸、第二軸與第三軸兩兩垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸軸向的獲取方法，包括:獲取載體從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)的N個直線行駛時刻中第二軸的加速度；判斷所述第二軸的加速度大于預(yù)設(shè)加速度閾值的次數(shù)是否超過預(yù)設(shè)次數(shù)；若是，所述第二軸軸向為前向；若否，所述第二軸軸向為右向。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述第二軸與所述載體的前向軸的傾角
【文檔編號】G01C21/26GK103968848SQ201410211975
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】殷紅, 侯杰虎, 劉彪 申請人:東莞市泰斗微電子科技有限公司