專利名稱：確定車輛的單值航行方向的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定車輛的單值(unambiguous)航行方向(heading direction)的方法和系統(tǒng)。具體地講，本發(fā)明涉及利用車輛的單值航行方向來確定車輛的前進/倒車狀態(tài)。
背景技術(shù)：
知道車輛正在向前行駛還是正在倒車(前進/倒車狀態(tài))對于車輛的自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言是必須的。例如，如果車輛正在向前行駛，則在車輛實際上正在倒車的情況下，轉(zhuǎn)方向盤以使車輛向左拐會使車輛向右轉(zhuǎn)。因此，正確的前進/倒車狀態(tài)是安全且有效的自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵性輸入?，F(xiàn)有技術(shù)中有多個用于確定前進/倒車狀態(tài)的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括如US7451029中教導(dǎo)的車輛變速器傳感器以及EP1787889的利用偏航角速度和轉(zhuǎn)向位置改變的方向確定系統(tǒng)。車輛變速器傳感器的缺點在于，當(dāng)?shù)管圐X輪已經(jīng)嚙合時，車輛可能瞬間仍在向前行駛。利用偏航角速度和轉(zhuǎn)向位置改變依賴于偏航角速度和轉(zhuǎn)向位置傳感器的精度。一些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)使用來自安裝在車輛上的慣性測量單元(MU)和GNSS單元(例如，GPS接收器)這兩者的信號來確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車。IMU提供車輛的頂U航向，GPS接收器提供車輛的運動方向。車輛的航向是車輛前端所指向的方向。如果車輛的MU航向和車輛的運動方向彼此相反，則車輛被確定為正在倒車。相反，如果車輛的頂U航向和車輛的運動方向在相同方向上，則車輛被確定為正在向前行駛。MU可能在啟動時需要粗略對準(zhǔn)，粗略對準(zhǔn)的典型方法是將車輛最初的GPS運動方向取為車輛的航向。因此粗略對準(zhǔn)時的頂U航向被取為啟動時的GPS運動方向。車輛啟動時首先的動作常常是將車輛倒出車庫或車棚，導(dǎo)致粗略對準(zhǔn)的IMU航向相對于車輛的真實航向近似偏移180°?？赡艽嬖谥率笽MU的粗略對準(zhǔn)不正確的其它原因。通常,將啟動之后任何給定時間處的未解(unresolved) IMU航向計算為通過由IMU的陀螺儀測量的自啟動起的角改變調(diào)節(jié)的粗略對準(zhǔn)IMU航向。通常，利用從未解IMU航向與GPS運動方向之間的差導(dǎo)出的誤差項經(jīng)由多歷元遞歸地校正所計算的未解MU航向。誤差項通常為常數(shù)“A”與航向?qū)?zhǔn)誤差的乘積。航向?qū)?zhǔn)誤差是未解IMU航向與GPS運動方向之間的差。當(dāng)車輛從前進改變?yōu)榈管嚂r，未解MU航向通常將保持相同，但是GPS運動方向?qū)⑥D(zhuǎn)動180°。因此，當(dāng)車輛從前進改變?yōu)榈管嚂r，航向?qū)?zhǔn)誤差將跳變180°。由于大的航向?qū)?zhǔn)誤差引起的大的誤差項不利于車輛的真實航向的精確近似。避免航向?qū)?zhǔn)誤差跳變180°的一種已知解決方案是在計算航向?qū)?zhǔn)誤差之前檢測車輛的前進/倒車狀態(tài)。然后，如果車輛從前進改變?yōu)榈管嚑顟B(tài)，則可將確定航向?qū)?zhǔn)誤差時使用的GPS運動方向調(diào)節(jié)180°，從而避免航向?qū)?zhǔn)誤差跳變180°。例如，如果車輛正在向前行駛，則其未解IMU航向與GPS運動方向通常將僅相差幾度，這兩者之間的航向?qū)?zhǔn)誤差因此較小。當(dāng)車輛開始倒車時，IMU航向和GPS運動方向現(xiàn)在基本上彼此相反，航向?qū)?zhǔn)誤差將接近180°。避免航向?qū)?zhǔn)誤差跳變180°的一種已知解決方案是在檢測到車輛的倒車狀態(tài)時且在計算航向?qū)?zhǔn)誤差之前將GPS運動方向調(diào)節(jié)180°。因此，即使車輛正在倒車，調(diào)節(jié)后的GPS運動方向和未解IMU航向仍保持彼此接近，航向?qū)?zhǔn)誤差仍保持相對小。這種解決方案完全依賴于在計算航向?qū)?zhǔn)誤差之前正確檢測車輛的前進/倒車狀態(tài)。正如討論過的，并非總能可靠地檢測前進/倒車狀態(tài)。由于速度測量上的噪聲量，在非常低的速度下檢測GPS運動方向的改變變得困難，當(dāng)速度降至大約O. 5km/h以下時，會給出錯誤的運動方向。對于距車輛旋轉(zhuǎn)中心幾米遠安裝有GPS天線的大型車輛，小的車輛旋轉(zhuǎn)改變(由于崎嶇的地面或者由于剎車并在懸架或輪胎上彈跳引起的車輛運動導(dǎo)致)在天線處也會體現(xiàn)為大的速度改變，但其并不指示車輛的實際速度。需要用于自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的魯棒且精確的前進/倒車狀態(tài)確定。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，本發(fā)明涉及一種確定車輛的單值航行方向的方法，所述方法包括以下步驟確定作為所述車輛的GNSS運動方向與所述車輛的未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差；如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)；利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述車輛的所述未解IMU航向；確定航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)之后的所述未解MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反；以及如果所述未解MU航向基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則通過使航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)之后的所述未解IMU航向偏移180度來計算單值航行方向。所述方法優(yōu)選地包括以下步驟通過將所述單值航行方向與所述車輛的GNSS運動方向進行比較來確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述車輛的所述未解IMU航向的步驟優(yōu)選地包括以下步驟利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的MU航向。所述單值航行方向優(yōu)選地被計算為所述非單值誤差校正的IMU航向；或者如果所述非單值誤差校正的MU航向被確定為基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則將所述單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180度。調(diào)節(jié)所述未解IMU航向可包括以下步驟利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算誤差校正的GNSS運動方向。優(yōu)選地，所述方法包括以下步驟如果所述單值航行方向基本上在與所述GNSS運動方向相反的方向上，則確定所述車輛正在倒車。確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反的步驟優(yōu)選地包括以下步驟利用一個或更多個絕對航向測試或相對車輛運動測試來對所述車輛的真實航向進行近似。確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上在與所述車輛的前端的真實方向相反的方向上的步驟優(yōu)選地還包括以下步驟將所述車輛的近似真實航向與所述非單值誤差校正的MU航向進行比較。
在另一方面中，本發(fā)明涉及一種確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車的方法，該方法包括以下步驟從所述車輛的GNSS單元接收所述車輛的GNSS運動方向；從所述車輛的IMU接收所述車輛的未解IMU航向；確定作為所述GNSS運動方向和所述未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差；如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)；利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的IMU航向；確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反；將單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的IMU航向；或者如果所述非單值誤差校正的MU航向被確定為基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則將所述單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180度；以及將所述單值航行方向與所述車輛的所述GNSS運動方向進行比較，從而確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。優(yōu)選地，所述方法包括以下步驟如果所述單值航行方向基本上在與所述GNSS運動方向相反的方向上，則確定所述車輛正在倒車。確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反的步驟優(yōu)選地包括以下步驟利用一個或更多個絕對航向測試或相對車輛運動測試來對所述車輛的真實航向進行近似。確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上在與所述車輛的前端的真實方向相反的方向上的步驟優(yōu)選地還包括以下步驟將所述車輛的近似真實航向與所述非單值誤差校正的IMU航向進行比較。在另一方面中，本發(fā)明涉及一種對航向?qū)?zhǔn)誤差進行箝位的方法，該方法包括以下步驟確定作為車輛的GNSS運動方向與所述車輛的未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)
誤差;如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)。在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于確定車輛的單值航行方向的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括安裝到所述車輛的GNSS單元，該GNSS單元能夠操作以計算所述車輛的運動方向；安裝到所述車輛的MU單元，該MU單元能夠操作以計算所述車輛的未解MU航向；包括處理器的處理模塊，所述處理器被編程為確定作為GNSS運動方向與所述未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差；如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)；利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述未解IMU航向；確定所述未解IMU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反；如果所述未解MU航向基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則通過使所述未解IMU航向偏移180度來計算單值航向。所述處理器優(yōu)選地被編程為通過利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的IMU航向來調(diào)節(jié)所述未解IMU航向。 所述處理器優(yōu)選地被編程為將所述單值航行方向計算為
所述非單值誤差校正的IMU航向；或者如果所述非單值誤差校正的MU航向被確定為基本上在與所述車輛的前端的真實方向相反的方向上，則將所述單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180 度。所述處理器優(yōu)選地被編程為通過將所述單值航行方向與所述車輛的所述GNSS運動方向進行比較來確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。所述預(yù)定范圍優(yōu)選地在彡-90度和彡+90度之間。


僅通過示例，以下將參照附圖更充分地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，附圖中圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的系統(tǒng)的車輛的示意性俯視圖；圖2是確定圖1的車輛的單值航行方向以及確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車的方法的總體流程圖；圖3是確定圖1的車輛的單值航行方向以及確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車的方法的更詳細的流程圖；圖4是對車輛的真實航向進行近似的方法的流程圖，其用作圖3所示的方法的輸A ； 圖5A是在車輛的IMU的粗略對準(zhǔn)期間車輛的平面圖，該車輛被示出為正在向南方向上倒車；圖5B是正在向東方向上前進的圖5A的車輛的平面圖；圖6A是在車輛的IMU的粗略對準(zhǔn)期間車輛的平面圖，該車輛被示出為正在向北方向上前進；圖6B是正在向東方向上前進的圖6A的車輛的平面圖；圖7A是在車輛的IMU的粗略對準(zhǔn)期間車輛的平面圖，該車輛被示出為正在向南方向上倒車；圖7B是正在向西方向上倒車的圖7A的車輛的平面圖；以及圖8是示出在圖1的車輛的不同的前進和倒車條件下偏航角速度和橫向加速度的符號(+或_)的改變的示意性布局圖。
具體實施方式
圖1示出車輛10，該車輛10包括用于確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車的前進/倒車狀態(tài)檢測系統(tǒng)12。為了確定前進/倒車狀態(tài)，系統(tǒng)12確定車輛10的單值航行方向。系統(tǒng)12包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)單元14、IMU (慣性測量單元)單元16和處理模塊18。處理模塊18與GNSS單元14和IMU單元16通信。GNSS單元14利用衛(wèi)星信號來計算GNSS單元14的行駛速度和方向。GNSS單元14通常是利用GPS衛(wèi)星來計算并輸出行駛速度和方向的GPS接收器。GNSS單元14安裝到車輛10上。因此，GNSS單元14的行駛方向被認(rèn)為是車輛10的運動方向。GNSS運動方向?qū)囕v是向前行駛還是倒車不敏感，因為其僅考慮GNSS天線本身的位置的相對改變。僅考慮GNSS運動方向無法顯示由GNSS單元14提供的速度是由于車輛10的向前行駛還是倒車。車輛10的GNSS運動方向作為GNSS運動方向輸入被發(fā)送給處理模塊18。IMU單元16包括多個傳感器以用于確定車輛的姿態(tài)(包括車輛的未解IMU航向)。車輛的航向是車輛的前端指向的方向。所述傳感器包括本領(lǐng)域熟知的陀螺儀和加速計。車輛10的真實航向由圖1中的箭頭22指示，并且是車輛的前端的真實方向。真實航向22沿著從車輛10的后部24到車輛10的前端處的前部26的縱軸。由IMU單元16進行近似的車輛10的航向作為未解IMU航向輸入被發(fā)送給處理模塊18。IMU單元16總是估計真實航向22，而不管車輛10是正在向前行駛還是正在倒車。當(dāng)車輛正在直線倒車時，GNSS運動方向和MU航向通常彼此相反大約180°。當(dāng)車輛10啟動時，IMU單元16需要車輛航向的粗略對準(zhǔn)。粗略對準(zhǔn)可以是車輛10的最初的GNSS運動方向，或者是由車輛10的指南針確定的車輛前端的方向。通常，計算通過由陀螺儀測量的角改變調(diào)節(jié)的粗略對準(zhǔn)航向達給定次數(shù)，作為任何給定時間處的未解頂U航向。處理模塊18包括處理器20，軟件程序在處理器20上運行以使處理器20執(zhí)行邏輯步驟和計算。處理器20接收作為輸入的GNSS運動方向和作為輸入的未解MU航向。處理器20使用GNSS運動方向、未解IMU航向以及各種其它輸入和邏輯來確定車輛10是正在向前行駛還是正在倒車。圖2示出系統(tǒng)12確定圖1的車輛的單值航行方向并確定車輛10是正在向前行駛還是正在倒車的基本流程圖。該流程圖中的步驟是由車輛10的處理模塊18的處理器20執(zhí)行的步驟。在第一步驟100，確定航向?qū)?zhǔn)誤差。航向?qū)?zhǔn)誤差是車輛的GNSS運動方向與車輛的未解IMU航向之間的差。在第二步驟200，如果航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將該航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180°以使其在所述預(yù)定范圍內(nèi)。如果航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)，則不調(diào)節(jié)航向?qū)?zhǔn)誤差(或者可以稱其被調(diào)節(jié)了 0° )。在第三步驟300，利用航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)車輛10的未解IMU航向，以確定非單值(ambiguous)誤差校正的IMU航向。在第四步驟400，確定非單值誤差校正的IMU航向是基本上在車輛10的前端的真實方向上還是基本上與車輛10的前端的真實方向相反。在第五步驟500，如果非單值誤差校正的IMU航向基本上與車輛10的前端的真實方向相反，則通過將非單值誤差校正的MU航向偏移180度來計算單值航行方向。
在最后步驟600，通過將單值航行方向與車輛的GNSS運動方向進行比較來確定車輛10的前進/倒車狀態(tài)。參照圖3更詳細地討論并展開步驟100至600。圖3示出確定車輛10的前進/倒車狀態(tài)的方法的詳細流程圖。圖2的總體步驟100至600在圖2中由虛線框指示。在步驟100，執(zhí)行航向?qū)?zhǔn)誤差計算110。處理器20計算航向?qū)?zhǔn)誤差，該航向?qū)?zhǔn)誤差為未解MU航向與GNSS運動方向之間的差。從MU單元16接收未解MU航向，從GNSS單元14接收GNSS運動方向。航向?qū)?zhǔn)誤差的計算表示為航向?qū)?zhǔn)誤差=未解IMU航向-GNSS運動方向。在步驟200，如果航向?qū)?zhǔn)誤差在介于彡-90°至<+90°之間的預(yù)定范圍之外，則將該航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)(如果需要的話)180°的半圓以使其在該預(yù)定范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)航向?qū)?zhǔn)誤差使其在彡-90°至<+90°范圍之內(nèi)被稱作箝位誤差210。 箝位誤差210邏輯上表示為如果誤差>+90°，則誤差=誤差-180° ;如果誤差〈-90°，則誤差=誤差+180°。該計算可迭代地進行，或者利用除法運算的余數(shù)來進行，因為這兩種技術(shù)在數(shù)學(xué)上是等效的。箝位航向?qū)?zhǔn)誤差210迫使航向?qū)?zhǔn)誤差總是在介于彡-90°至<+90°之間的范圍內(nèi)。如果在箝位之前航向?qū)?zhǔn)誤差在-90°至<+90°之內(nèi)，則不調(diào)節(jié)航向?qū)?zhǔn)誤差。重要的是，將誤差箝位在介于彡-90°至<+90°之間的范圍內(nèi)，而不管車輛10是正在向前行駛還是在倒車，也不管車輛的前進/倒車狀態(tài)的檢測。在步驟300，通過利用航向?qū)?zhǔn)誤差(無論是否被調(diào)節(jié))計算310非單值誤差校正的頂U航向來解出未解MU航向。非單值誤差校正的MU航向是通過誤差項校正的從MU16接收到的未解IMU航向，即非單值誤差校正的IMU航向=未解IMU航向-AX航向?qū)?zhǔn)誤差。在互補濾波器的情況下，A通常是小于O.1的常數(shù)，在卡爾曼濾波器的情況下，當(dāng)濾波器收斂時A的值隨時間改變。在本文獻中為了清晰起見，將其視為常數(shù)。下一步驟400是確定非單值誤差校正的IMU航向是基本上在車輛10的真實航向22的方向上還是基本上在與真實航向22相反的方向上。這涉及將非單值誤差校正的IMU航向與車輛10的近似真實航向700進行相位比較410。近似真實航向700利用多次測試和傳感器來計算，如參照圖4所述。如果非單值誤差校正的IMU航向在近似真實航向700的彡-90°至彡+90°內(nèi)，則非單值誤差校正的MU航向與車輛的近似真實航向700同相。如果非單值誤差校正的頂U航向在近似真實航向700的彡-90°至彡+90°之外，則其異相。下一步驟500是計算單值航行方向。單值航行方向的計算依賴于是否發(fā)現(xiàn)非單值誤差校正的頂U航向與車輛10的近似真實航向700同相。如果發(fā)現(xiàn)非單值誤差校正的IMU航向與近似真實航向700同相，則非單值誤差校正的頂U航向是單值航行方向。這通過在步驟510將0°與非單值誤差校正的MU航向相加來表示。如果發(fā)現(xiàn)非單值誤差校正的MU航向與近似真實航向700異相，則單值航行方向是非單值誤差校正的頂U航向偏移180°。這通過在步驟520將180°與非單值誤差校正的IMU航向相加來表示。最后，在步驟600將單值航行方向與車輛的GNSS運動方向進行比較，從而確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車。在步驟610比較單值航行方向和GNSS運動方向的相位。如果單值航行方向與車輛的GNSS運動方向同相，則車輛正在向前行駛620，否則其正在倒車 630。本發(fā)明的前進/倒車狀態(tài)確定方法避免了航向?qū)?zhǔn)誤差的跳變，而不必依賴于在航向?qū)?zhǔn)誤差計算之前確定車輛前進/倒車狀態(tài)以校正GNSS運動方向輸入。與針對前進和倒車校正GNSS運動方向相反，這通過在步驟210箝位誤差項來實現(xiàn)。本發(fā)明提出的確定前進/倒車狀態(tài)的方法潛在地比已知方法更快速、更精確、更可靠。圖4示出通過對車輛10的真實航向22進行近似來計算近似真實航向700的流程圖50?？衫枚鄠€傳感器和測試來按照多個方式計算近似真實航向700。當(dāng)車輛10在運動中超過特定速度時，只有在能夠100%時間可靠地知道前進/倒車狀態(tài)的情況下，GNSS運動方向710才可用作近似真實航向700。由于這無法僅基于GNSS測量而得到保證，所以GNSS運動方向710總是被視為非單值量。確定車輛10的前進/倒車狀態(tài)以對真實航向700進行近似的步驟包括對多次測試714 - 722進行加權(quán)。所述測試分別針對前進給出結(jié)果“1”，針對未知方向給出結(jié)果“0”，針對倒車給出結(jié)果“-1”。該集合將不一定由全部的傳感器讀數(shù)組成，因此被設(shè)計為容許略去由于發(fā)生故障的傳感器、還未準(zhǔn)備好的傳感器或者(簡單地)該系統(tǒng)還未安裝的傳感器引起的傳感器測量值。線加速度測試714將速度的改變與集成加速計讀數(shù)的改變進行比較，以確定車輛10是正在向前行駛還是正在倒車。UI測試716利用來自車輛10的駕駛員的輸入來確定向前行駛或倒車。為駕駛員提供用戶界面(UI)以指示車輛是正在向前行駛還是正在倒車。齒輪測試718以車輛10的FNR操縱桿的位置作為輸入。FNR操縱桿可處于“前進”、“空擋”或“倒車”位置。如果FNR操縱桿處于“前進”位置，則齒輪測試718給出用于前進的結(jié)果“I”。如果FNR操縱桿處于“倒車”位置，則齒輪測試718給出用于倒車的結(jié)果“-1”。如果FNR操縱桿處于“空擋”位置，則齒輪測試718給出用于未知的結(jié)果“O”。輪轉(zhuǎn)角測試720取得從變速箱、地面速度雷達或其它傳感器測量的車輛10的速度以及來自轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角并進行比較，在假設(shè)車輛在向前方向上行駛的情況下，計算估計的偏航角速度。將此估計的偏航角速度與由車輛的速度陀螺儀測量的偏航角速度進行比較，并且如果兩個量處于顯著不同的方向上，則確定車輛正在倒車。離心測試722將MU16的偏航角速度的符號(+或_)與由MU16的加速計測量的橫向加速度的符號(+或_)進行比較。如果偏航角速度和橫向加速度的符號一致，則車輛10正在向前行駛。如果偏航角速度和橫向加速度的符號不同，則車輛10正在倒車。圖8示出依賴于向前行駛或倒車的符號改變。對于此相關(guān)測試，當(dāng)車輛正在轉(zhuǎn)彎時，偏航角速度和橫向加速度必須高于預(yù)設(shè)閾值。對不同的測試714-722進行加權(quán)以確定車輛10的前進/倒車狀態(tài)，并且如果車輛在倒車，則將GNSS運動方向適當(dāng)?shù)匦Ｕ?80°。應(yīng)該注意的是，此步驟顯著地在IMU中的任何航向?qū)?zhǔn)誤差計算之后進行，明確不反饋此經(jīng)調(diào)節(jié)的GNSS運動方向來對未解MU航向進行誤差校正。在特定情況下，從車輛中的數(shù)字指南針接收到的指南針方向724可用來對真實航向22進行近似。對于低車速尤其如此。車輛可包括具有兩個GPS接收器的雙GPS系統(tǒng)，所述GPS接收器各自具有天線。如本領(lǐng)域熟知的，處理模塊18可從兩個接收器的輸入為車輛10確定雙GPS方向726。指南針方向724、雙GPS方向726和GNSS運動方向(針對前進/倒車狀態(tài)校正)均由處理模塊18選擇性地使用，以確定近似真實航向700。處理模塊18可利用各種類型的算法將指南針方向724、雙GPS方向726和GNSS運動方向進行組合，以獲得近似真實航向700。下面的示例I至3描述使用本發(fā)明的方法的多種場景。 示例I (圖 5A、圖 5B)示例I是前進/倒車狀態(tài)確定的情況，其中IMU粗略對準(zhǔn)(在時間t=0)處于車輛10的真實航向22的+/-90°之外，在稍后的時間(時間=t+l)車輛10正在向前行駛。圖5A示出粗略對準(zhǔn)時車輛10的取向和運動方向，圖5B示出稍后時車輛的取向和運動方向。在啟動時(圖5A)，示出車輛在向南方向(180° )上倒車。真實航向22=0° (北)，IMU粗略對準(zhǔn)=180° (南)。這是將粗略對準(zhǔn)取為最初GNSS運動方向信號并且啟動車輛10之后首先的動作是將車輛10倒出車棚的示例。在稍后的時間(圖5B，時間t+Ι)，車輛的真實航向22為90° (東)，車輛10正在向前行駛。未解頂U航向=(MU粗略對準(zhǔn)[t=0]) + aMU陀螺儀偏航角速度[t+1])。因此對于在稍后的時間前端轉(zhuǎn)動了+90° (由MU陀螺儀測量)的示例，未解MU航向(t+l)=180° +90° =270°。在所述稍后的時間前端的真實航向22實際上為90°。在圖5的示例中，我們假設(shè)在稍后時間(t+Ι)的GNSS運動方向=90°。參照圖3和圖5B，在稍后時間(t+Ι)的航向?qū)?zhǔn)誤差計算110=未解MU航向-GNSS運動方向。航向?qū)?zhǔn)誤差=270° -90° =180°。航向?qū)?zhǔn)誤差在彡-90°至<+90°的預(yù)定范圍之外。在步驟210，因此對航向?qū)?zhǔn)誤差進行箝位，從而航向?qū)?zhǔn)誤差=180° -180° =0°。按照步驟310的非單值誤差校正的MU航向=未解MU航向-AX航向?qū)?zhǔn)誤差。非單值誤差校正的頂U航向(t+1) =270° -0° =270°。利用參照圖4描述的啟發(fā)性算法，確定近似真實航向700例如為93°。非單值誤差校正的頂U航向(270° )與近似真實航向700 (93° )之間的差為177°，其如在步驟410比較的，為異相。在非單值誤差校正的IMU航向與近似真實航向700異相的情況下，單值航行方向為非單值誤差校正的頂U航向偏移180°。單值航行方向=270° +180° =90°。在步驟610單值航行方向(90° )與GNSS運動方向(90° )之間的比較發(fā)現(xiàn)這兩者同相，從而使得系統(tǒng)12將稍后時間(t+Ι)的前進/倒車狀態(tài)正確地確定為向前行駛。示例2 (圖 6A、圖 6B)示例2與示例I類似，不同的是初始IMU粗略對準(zhǔn)在車輛10的真實航向22的+/-90。內(nèi)。
圖6A示出粗略對準(zhǔn)時車輛10的取向和運動方向，圖6B示出稍后時車輛的取向和向。在啟動時(圖6A)，示出車輛在向北方向(0° )上前進。真實航向22=0° UDdMU粗略對準(zhǔn)=2°。這是將粗略對準(zhǔn)取為最初的GNSS運動方向信號并且啟動之后車輛10首先的動作是向前運動的示例。在稍后的時間(圖6B，時間=t+l)，車輛的真實航向22為90°，車輛10正在向前行駛。未解IMU航向=(IMU粗略對準(zhǔn)[t=0]) + (IMU陀螺儀偏航角速度[t+Ι])。因此對于在稍后的時間前端轉(zhuǎn)動了 +90° (由MU陀螺儀測量)的示例，未解MU航向(t+Ι) =2° +90° =92°。在所述稍后的時間前端的真實航向22為90°。假設(shè)GNSS單元14是精確的，在所述稍后時間的GNSS運動方向也為90°。參照圖3和圖6B，在稍后時間(t+Ι)的航向?qū)?zhǔn)誤差計算110=未解MU航向-GNSS運動方向。航向?qū)?zhǔn)誤差=92° -90° =2°。航向?qū)?zhǔn)誤差小于90°。在步驟210，無需對航向?qū)?zhǔn)誤差進行箝位，從而保持航向?qū)?zhǔn)誤差=2°。按照步驟310的非單值誤差校正的IMU航向=未解MU航向-AX航向?qū)?zhǔn)誤差。非單值誤差校正的頂U航向[t+Ι] = 92° -0.1X2° =91.8°。假設(shè)參照圖4計算的近似真實航向700為93°。非單值誤差校正的MU航向(91.8° )與近似真實航向700 (93° )之間的差為2.2°，因此這兩者如在步驟410處比較的，為同相。在非單值誤差校正的IMU航向與近似真實航向700同相的情況下，單值航行方向為非單值誤差校正的頂U航向偏移0°。單值航行方向=91. 8° +0° =91.8°。在步驟610單值航行方向(91. 8° )與GNSS運動方向(90° )之間的相位比較發(fā)現(xiàn)這兩者同相，從而使得系統(tǒng)12將前進/倒車狀態(tài)正確地確定為向前行駛。示例3(圖 7A、圖 7B)示例3與示例I類似，不同的是在稍后時間(圖7B，t+l)車輛10正在倒車。圖7A示出粗略對準(zhǔn)期間的車輛10取向，其與參照圖5A示出并討論的粗略對準(zhǔn)相同。此情況的現(xiàn)實世界示例將是車輛以倒檔啟動，并整天處于該狀態(tài)。在稍后的時間(圖7B)，車輛的真實航向22為90° (東)，車輛10正在倒車。未解MU航向=(MU粗略對準(zhǔn)[t=0])+ (MU陀螺儀偏航角速度[t+Ι])。對于在稍后時間前端轉(zhuǎn)動了+90。(由IMU陀螺儀測量)的該示例，所述稍后時間處的未解IMU航向=180° +90。=270。。假設(shè)GNSS單元14是精確的，在所述稍后時間的GNSS運動方向=270°。參照圖3和圖7B，在稍后時間t+Ι的航向?qū)?zhǔn)誤差計算110=未解MU航向-GNSS運動方向。航向?qū)?zhǔn)誤差=270° -270° =0°。航向?qū)?zhǔn)誤差小于+90°，但是大于-90°，因此在所述預(yù)定范圍內(nèi)。在步驟210中，無需對航向?qū)?zhǔn)誤差進行箝位，從而航向?qū)?zhǔn)誤差保持為0°。按照步驟310的非單值誤差校正的MU航向=MU航向-AX航向?qū)?zhǔn)誤差。非單值誤差校正的頂U航向=270° -0=270°。假設(shè)參照圖4計算的稍后時間t+Ι處的近似真實航向700為93°。非單值誤差校正的頂U航向(270° )與近似真實航向700 (93° )之間的差為177°，因此這兩者如在步驟410比較的，為異相。在非單值誤差校正的MU航向與近似真實航向700異相的情況下，單值航行方向為非單值誤差校正的頂U航向偏移180°。稍后時間t+Ι處的單值航行方向=270° +180° =90°。在步驟610單值航行方向(90° )與GNSS運動方向(270° )之間的比較發(fā)現(xiàn)這兩者異相，從而使得系統(tǒng)12將稍后時間t+Ι處的前進/倒車狀態(tài)確定為倒車。系統(tǒng)12的一個有益效果在于，在計算非單值誤差校正的MU航向時使用的航向?qū)?zhǔn)誤差總是限于彡-90°至<+90°內(nèi)，而不必確定車輛的瞬時前進/倒車狀態(tài)。因此，誤差項保持較小，僅在稍后步驟針對前進/倒車解出非單值誤差校正的MU航向。代替檢測瞬時前進/倒車以校正航向?qū)?zhǔn)誤差，本發(fā)明如上所述確定 近似真實航向以用于相位比較。這樣的益處在于，系統(tǒng)對GNSS運動方向的快速改變不敏感，GNSS運動方向的快速改變通常發(fā)生于例如在運動中快速踩剎車，導(dǎo)致在車輛輪胎和懸架系統(tǒng)上向前和向后明顯的搖擺/彈跳時。GNSS運動方向的這種快速改變在精確農(nóng)業(yè)中是常見的。這預(yù)先反映在誤差項中將是較大的值，進而會將MU航向的值拉離真實航向。該系統(tǒng)還對稀疏的傳感器測量值具有高容差，從而使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)傳感器故障或丟失。為了描述的目的將以上對本發(fā)明的各種實施方式的描述提供給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員。其并非旨在窮盡性的或者將本發(fā)明限于公開的單一實施方式。如上所述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，通過上面的教導(dǎo)，本發(fā)明的許多另選的方式和變型將變得明顯。因此，盡管具體討論了一些可供選擇的實施方式，但是其它實施方式將是明顯的或者可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員相對容易地開發(fā)。因此，本發(fā)明旨在涵蓋本文討論的本發(fā)明的所有另選的形式、修改形式和變型以及落在上述發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其它實施方式。
權(quán)利要求
1.一種確定車輛的單值航行方向的方法，該方法包括以下步驟 確定作為所述車輛的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)運動方向與所述車輛的未解慣性測量單元(MU)航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差； 如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)； 利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述車輛的所述未解MU航向； 確定航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)之后的所述未解頂U航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反；以及 如果所述未解MU航向基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則通過使航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)之后的所述未解MU航向偏移180度來計算單值航行方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括以下步驟通過將所述單值航行方向與所述車輛的所述GNSS運動方向進行比較來確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中，利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述車輛的所述未解IMU航向的步驟包括以下步驟利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的頂U航向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述單值航行方向被計算為 所述非單值誤差校正的MU航向；或者 如果所述非單值誤差校正的IMU航向被確定為基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則將所述單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，確定所述非單值誤差校正的IMU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反的步驟優(yōu)選地包括以下步驟利用一個或更多個絕對航向測試或相對車輛運動測試來對所述車輛的前端的真實方向進行近似。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，該方法包括以下步驟將所述車輛的前端的近似真實方向與所述非單值誤差校正的IMU航向進行比較。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，該方法包括以下步驟如果所述單值航行方向基本上在與所述GNSS運動方向相反的方向上，則確定所述車輛正在倒車。
8.一種確定車輛是正在向前行駛還是正在倒車的方法，該方法包括以下步驟 從所述車輛的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)單元接收所述車輛的GNSS運動方向； 從所述車輛的慣性測量單元(MU)接收所述車輛的未解IMU航向； 確定作為所述GNSS運動方向和所述未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差； 如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)； 利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的MU航向； 確定所述非單值誤差校正的MU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反； 將單值航行方向計算為 所述非單值誤差校正的MU航向；或者 如果所述非單值誤差校正的IMU航向被確定為基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則將單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180度；以及 將所述單值航行方向與所述車輛的所述GNSS運動方向進行比較，從而確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，該方法包括以下步驟如果所述單值航行方向基本上在與所述GNSS運動方向相反的方向上，則確定所述車輛正在倒車。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，其中，確定所述非單值誤差校正的IMU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反的步驟包括以下步驟利用一個或更多個絕對航向測試或相對車輛運動測試來對所述車輛的前端的真實方向進行近似。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法包括以下步驟將所述車輛的前端的近似真實方向與所述非單值誤差校正的頂U航向進行比較。
12.—種對航向?qū)?zhǔn)誤差進行箝位的方法，該方法包括以下步驟 確定作為車輛的GNSS運動方向與所述車輛的未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差; 如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法包括以下步驟測試所述航向?qū)?zhǔn)誤差是否在介于彡-90度和< +90度之間的所述預(yù)定范圍內(nèi)。
14.一種用于確定車輛的單值航行方向的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括 安裝到所述車輛的GNSS單元，該GNSS單元能夠操作以計算所述車輛的運動方向； 安裝到所述車輛的IMU單元，該IMU單元能夠操作以計算所述車輛的未解IMU航向； 包括處理器的處理模塊，所述處理器被編程為 確定作為GNSS運動方向與所述未解IMU航向之間的差的航向?qū)?zhǔn)誤差； 如果所述航向?qū)?zhǔn)誤差在預(yù)定范圍之外，則將所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180度以使所述航向?qū)?zhǔn)誤差在所述預(yù)定范圍內(nèi)； 利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)所述未解MU航向； 確定所述未解IMU航向是基本上在所述車輛的前端的真實方向上還是基本上與所述車輛的前端的真實方向相反； 如果所述未解MU航向基本上與所述車輛的前端的真實方向相反，則通過使所述未解IMU航向偏移180度來計算單值航向。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被編程為通過利用所述航向?qū)?zhǔn)誤差計算非單值誤差校正的頂U航向，來調(diào)節(jié)所述未解MU航向。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被編程為將所述單值航行方向計算為 所述非單值誤差校正的MU航向；或者 如果所述非單值誤差校正的IMU航向被確定為基本上在與所述車輛的前端的真實方向相反的方向上，則將所述單值航行方向計算為所述非單值誤差校正的MU航向偏移180度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被編程為通過將所述單值航行方向與所述車輛的 所述GNSS運動方向進行比較，來確定所述車輛是正在向前行駛還是正在倒車。
全文摘要
計算單值航行方向以確定車輛的前進/倒車狀態(tài)。在步驟100，確定航向?qū)?zhǔn)誤差，該航向?qū)?zhǔn)誤差是車輛的GNSS運動方向與未解IMU航向之間的差。在步驟200，將航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)180°以使其在預(yù)定范圍內(nèi)。在步驟300，利用航向?qū)?zhǔn)誤差調(diào)節(jié)車輛10的未解IMU航向，以確定非單值誤差校正的IMU航向。步驟400確定非單值誤差校正的IMU航向是否基本上在車輛的前端的真實方向上。在步驟500，如果非單值誤差校正的IMU航向基本上與車輛的前端的真實方向相反，則通過使非單值誤差校正的IMU航向偏移180度來計算單值航行方向。通過將單值航行方向與車輛的GNSS運動方向進行比較來確定前進/倒車狀態(tài)。
文檔編號G01S19/47GK103026260SQ201180036320
公開日2013年4月3日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者威廉·凱拉 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司