专利名称：信号处理模块、具有信号处理模块的导航设备、设置有导航设备的交通工具和提供导航数 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理模块。本发明还涉及设置有信号处理模块的导航设备。本发明还涉及设置有导航设备的交通工具。本发明还涉及提供导航数据的方法。
背景技术：
现今利用GPS导航装置可以比较精确地确定交通工具的位置。然而，在某些情况下，当GPS导航信号并不总是可能得到、例如在海平面以下的位置和在建筑物内时，需要备选的导航方法。一种这样的备选方法基于从惯性传感器获得的数据。惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。陀螺仪提供关于交通工具方位的信息，加速度计提供关于其加速度的信息。 如果已知交通工具的初始位置和速度，则通过从加速度计和陀螺仪获得的加速度和方位数据的数值积分可以估计出交通工具的瞬时速度和瞬时位置。一般地，加速度计具有系统误差，也表示为偏差，这导致位置表示中出现漂移，随时间呈指数变化。因此，这种基于惯性传感器的导航系统需要定期进行校准，从而测量和补偿传感器偏差。具有低成本的传感器，但没有偏差补偿，这样的导航方案在几分钟之内就变得无效。计算偏差和偏差补偿后的传感器信号的方法被称为指标法(indexing)。该方法包括在预定方位(例如加速度传感器的0°和180° )处测量加速度和计算来自测量结果总和的偏差。以这种方式所获得偏差的估计可以用于校正测量结果。这具有为了校准需要定期中断加速度测量的缺点。可选地，通过对测量结果做减法可以获得偏差补偿后的加速度信号。这具有如下缺点，即，在新的偏差补偿后加速度信号样本可用之前，必须等待直到传感器已经旋转过180度。US7212944描述了用于确定包括多个传感器的偏差的方法。不同的传感器按顺序旋转，同时其他传感器的输出用于随时间连续地进行惯性计算。当每个加速度传感器不时地旋转时，偏差结果达到平均数。尽管这允许加速度的连续测量，但是仍然需要加速度传感器的比较复杂的控制，以便按顺序旋转传感器中的一个，并且选择确定加速度信号的其他传感器。因此，需要更简单的设备和方法来确定偏差和/或提供加速度的偏差自由估计。

发明内容
根据发明的第一方面，提供了如权利要求1所要求的信号处理模块。根据发明的第二方面，提供了如权利要求2所要求的导航设备。根据发明的第三方面，提供了如权利要求12所要求的方法。而且，根据发明的第四方面，提供了如权利要求10所要求的交通工具。根据发明，提供了第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号，其分别包括第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本。矢量信号样本至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量。这些信号分量通过沿着彼此正交的轴的加速度的测量优选地获得，但是可选地，所述轴可以具有不同于90°的相对角度方位，例如在20°到60°的范围内。提供了旋转角度信号，表明获得第一序列样本和相应的第二序列样本所在的方位的差。从第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号生成至少一个差信号，通过对从旋转角度差信号得到的矩阵求逆来提供逆矩阵数据，接着从至少一个差信号和逆矩阵数据估计出偏差信号和/或偏差校正后的物体状态信号。在生成差信号之前，第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号可以受到进一步的操作。根据本发明的方法和设备，周期性地采样处于不同方位的加速度测量样本。考虑到获得了第一序列样本和相应的第二序列样本所在方位的差，可以周期性地获得所测量信号样本的偏差的贡献和偏差补偿信号的估计。应当注意的是，US7066004公开了具有用于提供静态和动态的偏差补偿的整体旋转装置的MEM惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪)。所描述的传感器包括设置在可旋转的MEM台上的MEM惯性传感元件。MEM致动器驱动至少两个预定可旋转位置之间的台的旋转。测量和比较在至少两个可旋转位置上的MEM惯性传感器的输出，这同时允许基于传感器的输出的惯性计算中的静态和动态偏差补偿。已知的传感器需要在静态模式下操作，以便能够估计偏差。在根据发明的第一方面的信号处理模块中，第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(Si，S2)分别包括第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本，第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量。矢量信号样本将具有可变方位的加速度传感器的测量结果表示为时间的函数，其中，第一序列中的样本具有相应的第二序列中的样本。该特征导致如下技术效果，即，在设备的正常运转期间内，估计和/或校正偏差。因此，分离静态模式是多余的。同样地，根据本发明的第三方面的方法的特征在于，提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号的步骤分别包括提供至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量的第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本，以及旋转角度信号，其表明获得第一序列样本和相应的第二序列样本所在的方位的差。在第一实施方式中，惯性传感器单元包括分别提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号的第一惯性传感器，以及造成第一第二惯性传感器和第二惯性传感器之间的相对旋转的第二惯性传感器。例如通过处于彼此不同的旋转速度的各致动器使每个惯性传感器独立地旋转，可以产生相对旋转。然而，优选地，当其他传感器具有固定的方位时，只有一个传感器旋转。在该实施方式中，设备具有包括积分装置和减法装置的差信号生成模块。差信号生成模块被配置为，至少确定第一加速度测量矢量信号的η阶被积函数和第二加速度测量矢量信号的η阶被积函数之间的差，以及第一加速度测量矢量信号的m 阶被积函数和第二加速度测量矢量信号的m阶被积函数之间的差，其中，m和η是大于等于0的彼此不同的整数。逆计算模块包括从旋转角度信号得到矩阵的积分装置。优选地，m和η值相差一，从而使积分数目最小化。优选地，m和η值分别是1和 2。这意味着，速度差和位置差是从传感器信号估计出的。在可选的实施方式中，加速度差和速度差是从传感器信号估计出的。然而，该实施方式对于施加给传感器的旋转的影响来说比较灵敏。因此，通过为m和η分别选择值1和2，可以获得更精确的偏差估计和偏差补偿后的加速度信号。假设更高阶的积分不会进一步明显地提高精确度。在该实施方式中，不使用第一惯性传感器和第二惯性传感器，可以使用更多的传感器。在那种情况下，可以更精确地确定偏差和/或偏差补偿后的加速度信号。旋转角度信号表明获得了第一序列样本和相应的第二序列样本所在方位的差，可以用各种方式得到旋转角度信号。例如，通过光学编码装置可以测量加速度传感器的相对方位。可选地，可以通过各角度传感器(例如具有积分装置或的陀螺仪罗盘)测量每个传感器的方位。可选地，对传感器施加相对旋转的致动器可以发出表明第一惯性传感器和第二惯性传感器之间的瞬时角度的信号。在根据本发明的导航设备的第二实施方式中，惯性传感器单元包括单个加速度传感器，用于产生单个加速度测量矢量信号。信号分离装置从单个加速度测量矢量信号得到第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号，例如通过交替地将单个加速度测量矢量信号指定为第一加速度测量矢量信号样本和第二加速度测量矢量信号样本。方位信号生成单元的旋转角度信号表明加速度传感器的方位。单个加速度传感器可以同致动器可控地旋转，但是另外可以同其上安装有传感器的交通工具的运动而被动地旋转，或是通过两者的组合实现旋转。旋转角度信号表明获得了第一序列样本和相应的第二序列样本所在方位的差，该旋转角度信号可以通过各种方式获得，例如通过机械地耦合到单个加速度传感器的具有积分装置的陀螺仪或罗盘。在该第二实施方式中，导航设备包括具有延迟装置的差信号生成模块，该延迟装置用于延迟第一加速度测量信号的样本以便与相应的第二加速度测量信号的样本同步。该导航设备还包括旋转补偿装置，用于补偿对第一加速度测量信号矢量的样本进行采样的时刻和对相应的第二加速度测量信号矢量的样本进行采样的时刻之间的加速度传感器的差。 补偿装置通过旋转角度信号来控制。第二实施方式的优势在于，只需要单个加速度传感器，不需要主动地旋转单个传感器。(例如，通过传感器所安装的交通工具所引起的)自然发生的旋转就足够了。可以使用通过传统的加速度传感器获得的信号。其优势在于，本发明可以应用于设置有这种传统的加速度传感器的交通工具，通过利用根据本发明的信号处理模块来处理加速度传感器信号。如果与加速度传感器被采样的带宽相比，瞬时旋转频率比较高，则该实施方式尤其适合。如果自然发生的旋转的平均旋转频率太低，则加速度传感器仍可以通过额外的致动器来主动旋转。该导航设备可以用作独立的设备，因为消防队员可以携带该设备以便在烟雾弥漫的建筑物内进行导航。本发明还涉及设置有根据本发明的导航设备的交通工具。交通工具是例如自行车、汽车、摩托车、火车、轮船、小船或飞机。优选地，交通工具包括通过导航设备控制的驱动机构和转向机构。交通工具可以包括(诸如GPS接收器或里程计的)进一步的导航装置，用于提供与交通工具的状态相关的信息，状态至少包括交通工具的位置、速度、加速度和方位中的一个。可以存在结合装置，其用于使导航设备的物体状态信号和通过进一步的导航装置提供的信号相结合。结合装置可以例如选择最可靠的信息用于导航。
应当注意的是，信号处理可以在硬件、软件、或两者的组合中实施。


将参考附图更详细地描述这些和其他方面。其中
图1示意性地示出了根据本发明的导航设备，
图2示意性地示出了各种变量之间的关系，
图3更详细地示出了根据本发明的导航设备的第--实施方式，
图4示出了第一实施方式的仿真结果，
图5更详细地示出了根据本发明的导航设备的第二二实施方式，
图6更详细地示出了根据本发明的导航设备的第三Ξ实施方式，
图7更详细地示出了根据本发明的导航设备的第四实施方式，
图8示出了与根据本发明的导航设备的第四实施方式相关的各种信号，
图9A示出了缺乏外部刺激情况下的仿真传感器信号，
图9B示出了仿真加速度，
图9C示出了仿真传感器偏差的估计结果，
图10更详细地示出了根据本发明的导航设备的第五实施方式，
图11更详细地示出了根据本发明的导航设备的第六实施方式，
图12示出了根据本发明的方法，
图13示出了根据本发明的设置有导航设备的交通工具。
具体实施例方式在以下的详细说明中陈述了许多具体细节，以便提供本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，没有详细描述公知方法、程序、部件，以免混淆本发明的方面。在下文中将参考所附附图充分说明本发明，在附图中示出了本发明的实施方式。 然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且该发明不应解释为限于这里陈述的实施方式。相反，提供这些实施方式以便该公开彻底而且完整，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，可以夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件或层被称为“在……上”、“连接到” “耦合到”另一元件或层时，其可以直接位于、连接到或耦合到另一元件或层上，或可以存在介于其间的元件或层。 与此相反，当元件被称为“直接在……上”、“直接连接到”、“直接耦合到”另一元件或层时， 则不存在介于其间的元件或层。贯穿全文类似的参考标号指的是类似元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联列出项的任意组合和所有组合。应当理解的是，尽管术语第一、第二、第三等在这里可以用于描述各种元件、部件、 和/或部分，但是这些元件、部件、和/或部分不应当由这些术语来限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、或部分与另一元件、部件、或部分区分开来。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件、部件、和/或部分可以被称为第二元件、部件、和/或部分。除非另外限定，这里使用的所有术语(包括技术的和科学的术语)具有与本发明所述领域技术中的人员的通常理解相同的意义。将还理解的是，诸如通常使用的词典中定义的那些的术语应当解释为具有与其在相关技术的环境中的意义一致的意义，以及除非这里明确地定义，将不会以理想化和过度正式的意义来解释这些术语。这里提及的所有公开、 专利申请、专利、其他参考，其全部内容结合于此作为参考。如果发生冲突，本申请文件(包括定义)将进行控制。此外，材料、方法、实例仅仅是说明性的，并不是为了限制。图1示意性地示出了导航设备1，包括(用于提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号S1、S2的)惯性传感器单元10和(这里嵌入惯性传感器单元，用于提供旋转角度信号L 0的)方位信号生成单元20。第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号S1、S2分别包括第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本SlpSZit5 矢量信号样本Si” S2,至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量，其中，矢量信号样本将具有可变方位的加速度传感器的测量结果表示为时间的函数。第一序列的样本Sli具有第二序列中相应样本S2it)旋转角度信号R“表明获得第一序列样本Sli和相应的第二序列样本S^所在方位的差分。图1中所示装置具有信号处理模块50，用于估计偏差信号bl、Μ和/或偏差校正后的物体状态信号ρ、ν、a。信号处理模块50包括(用于从第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号S1、S2生成至少一个差信号Δ的)差信号生成模块60和(具有用于通过对从旋转角度信号Ra e得到的矩阵进行求逆来提供逆矩阵数据的矩阵求逆装置71，以及用于从至少一个差信号和逆矩阵数据估计出偏差信号bl、l32和/或偏差校正后的物体状态信号的矩阵乘法装置7 逆计算模块70。信号处理模块可以包括滤波器装置(例如低通滤波器装置)以消除来自偏差信号和/或校正后的物体状态信号的输出信号中的噪声。在矩阵乘法装置之后，优选地应用滤波器装置，但是可选地，可以对矩阵乘法装置的输入信号(Δ,Μ—1)进行滤波。同样地，为此，可以对信号处理装置的输入信号(S1，S2，R“)进行滤波。图2示意性地示出了基本的惯性测量系统中出现的信号之间的关系。首先，对所测量的角速度石进行数值积分，产生主体的方位Θ。方位θ用于计算所谓的旋转矩阵 Rte (通常进行该积分以便其直接产生RJ。通过该矩阵，关于主体坐标系轴(用下标b表示)所测量的加速度矢量^，旋转至惯性坐标系。惯性加速度矢量疋(由下标e表示)现在都关于惯性坐标系进行两次数值积分，从而获得主体的速度R和位置A。在图3中更详细地示出了根据本发明的导航设备1的实施方式。在所示实施方式中，惯性传感器单元10包括第一惯性传感器和第二惯性传感器12、14，其分别提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号Si、S2。惯性传感器单元10还包括旋转装置16，其引起第一惯性传感器和第二惯性传感器12、14之间的相对旋转。假设两个惯性传感器耦合，即，都捷联至同一个主体，例如，设置在例如主体内部的导航设备。为了简化以下的数学推导，还假设惯性传感器中的一个固定于主体，另一个关于这个旋转。然而，可选地，两个惯性传感器都可以关于主体旋转，只要惯性传感器彼此相对旋转即可。还假设两个惯性传感器的尺寸比较小，并且彼此靠近放置，从而可以假设沿等价轨迹行进。因此，加速度计组总是都沿相同的轨迹行进，只是它们的方位不同。然而，这意味着速度也总是相同的。因此，以下的方程组是可应用的
权利要求
1.一种信号处理模块(50 ；150 ；250 ；350 ；450 ；550)，包括-差信号生成模块(60 ； 160 ；260 ；360 ；460 ；560)，用于从第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(S1、S2)生成至少一个差信号(Δ vp; Aav ；m(t))，以及-逆计算模块(70 ；170 ；270 ；370 ；470 ；570)，包括矩阵求逆装置(71 ；171 ；271 ；371 ； 471 ；571)，用于通过对从至少一个旋转角度信号得到的矩阵求逆来提供逆矩阵数据(M—1)， 以及-矩阵乘法装置(72 ；172 ；272 ；372 ；472 ；572)，用于从所述至少一个差信号和所述逆矩阵数据估计出偏差信号bl，b2)和/或偏差校正后的物体状态信号，其特征在于，所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(Si，S2) 分别包括第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本，所述矢量信号样本至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量，其中，所述矢量信号样本将具有可变方位的加速度传感器的测量结果表示为时间的函数，其中，所述第一序列中的样本具有相应的所述第二序列中的样本，其中，所述矩阵表明获得所述第一序列样本和相应的第二序列样本所在的方位的差。
2.一种导航设备，包括-根据权利要求1的信号处理模块(50 ；150 ；250 ；350 ；450 ；550)，-惯性传感器单元(10 ；110 ；210 ；310 ；410 ；510)，用于提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(S1、S2)以及-方位信号生成单元(20 ；120 ；220 ；320 ；420 ；520)，用于提供旋转角度信号(R, J。
3.根据权利要求2所述的导航设备，其中，所述惯性传感器单元(10;110;210)包括-第一惯性传感器和第二惯性传感器(12，14 ；112，114 ；212，214)，分别提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(Si，S2)，以及-旋转装置(16 ；116 ；216)，造成所述第一惯性传感器和所述第二惯性传感器之间的相对旋转，以及其中，所述差信号生成模块(60;160J60)包括积分装置(61a，61b，62a，62b ;161， 162 ；261a, 261b)和减法装置(63，64 ； 163，164 ；263)，所述差信号生成模块被配置为，至少确定所述第一加速度测量矢量信号的η阶被积函数和所述第二加速度测量矢量信号的η阶被积函数之间的差，以及所述第一加速度测量矢量信号的m阶被积函数和所述第二加速度测量矢量信号的m阶被积函数之间的差，其中，m和η是彼此不同的大于等于0的整数，以及其中，所述逆计算模块包括从旋转角度信号(R“)得到矩阵的矩阵积分装置(73a，7 ； 173 ；273a,273b)。
4.根据权利要求3所述的导航设备，其中，m=1且n = 2。
5.根据权利要求1所述的信号处理模块，还包括信号分离装置(380；480)，用于从单个加速度测量信号( 生成所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号 (S1，S2)，其中，所述差信号生成模块(360 ；460)包括延迟装置(362 ；462)，用于延迟所述第一加速度测量信号(Si)的样本，以便与相应的第二加速度测量信号(S》的样本同步，并且包括旋转补偿装置(364 ；464)，用于补偿对所述第一加速度测量信号矢量(Si)的样本进行采样的时刻和对相应的第二加速度测量信号矢量(S》的样本进行采样的时刻之间的加速度传感器(312 ；412)的方位差，所述补偿装置(364 ；464)通过旋转角度信号(R“)控制。
6.根据权利要求5所述的信号处理模块，其中，所述信号分离装置(380)是多路信号分离装置(384)，其通过交替地将所述单个加速度测量矢量信号( 指定为所述第一加速度测量矢量信号(Si)的样本和所述第二加速度测量矢量信号(S》的样本而得到所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(Si，S2)。
7.根据权利5所述的信号处理模块，其中，所述信号处理分离装置(480)通过将所述单个加速度测量矢量信号(S)同时指定为所述第一加速度测量矢量信号(Si)的样本和所述第二加速度测量矢量信号(S》的样本而指定所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(Si，S2)的样本。
8.一种导航设备，包括根据权利要求5、或7所述的信号处理模块，以及具有用于生成所述单个加速度测量矢量信号(S)的加速度传感器(312 ；412)的惯性传感器单元(310 ； 410)。
9.根据权利要求2所述的导航设备，其中，所述惯性传感器单元(510)包括用于生成单个加速度测量矢量信号( 加速度传感器(51 ，；以及用于从所述单个加速度测量信号 (S)生成所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(S1，S2)的信号分离装置(580)，所述第一加速度测量矢量信号(Si)关于所述第二加速度测量矢量信号(S2) 被延迟，其中，所述差信号生成模块(560)包括积分装置(561a，561b)和减法装置(563)，所述差信号生成模块被设置为，至少确定所述第一加速度测量矢量信号的η阶被积函数和所述第二加速度测量矢量信号的η阶被积函数之间的差，以及所述第一加速度测量矢量信号的 m阶被积函数和所述第二加速度测量矢量信号的m阶被积函数之间的差中的第一个(Aa ； Δ ν)和第二个(Δ ν ； Δ ρ)，其中，m和η是彼此不同的大于等于0的整数，以及其中，所述逆计算模块(570)包括从旋转角度信号(R“)得到矩阵的矩阵积分装置(573&，57北)。
10.一种交通工具0)，包括根据权利要求2、3、4、8或9中的一个所述的导航设备(1)， 所述交通工具包括通过所述导航设备控制的驱动机构和转向机构(4，5)。
11.根据权利要求10所述的交通工具O)，包括进一步的导航装置，用于提供与所述交通工具的状态相关的信息，所述状态包括所述交通工具的位置、速度、加速度和方位中的至少一个，以及包括结合装置，用于将所述导航设备的物体状态信号和通过所述进一步的导航装置提供的信息相结合。
12.一种提供导航数据的方法，包括如下步骤-提供旋转角度信号(ST2)，-提供第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(Si，S2) (ST3)，-从所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(Si，S2) (ST3)生成至少一个差信号(m(t))，-通过对从旋转角度信号得到的矩阵求逆而提供逆矩阵数据(ST4)以及-从所述至少一个差信号和所述逆矩阵数据估计出偏差信号(bl，M)和/或偏差校正后的物体状态信号(ST5)，其特征在于，提供所述第一加速度测量矢量信号和所述第二加速度测量矢量信号(Si， S2)的步骤分别包括提供第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本，所述第一序列矢量信号样本和所述第二序列矢量信号样本至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量(STl)，以及其中，所述旋转角度信号(R“)表明获得所述第一序列的样本和相应的第二序列的样本所在的方位的差。
全文摘要
一种信号处理模块(50)，包括；差信号生成模块(60)，用于从第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(S1，S2)生成至少一个差信号(Δ)，第一加速度测量矢量信号和第二加速度测量矢量信号(S1，S2)分别包括第一序列矢量信号样本和第二序列矢量信号样本，矢量信号样本至少包括第一线性无关加速度测量信号分量和第二线性无关加速度测量信号分量，其中，矢量信号样本将具有可变方位的加速度传感器的测量结果表示为时间的函数，其中，第一序列中的样本具有相应的第二序列中的样本。信号处理模块(50)还包括具有矩阵求逆装置(71)和矩阵乘法装置(72)的逆计算模块(70)，矩阵求逆装置(71)用于通过对从至少一个旋转角度信号得到的矩阵求逆来提供逆矩阵数据(M-1)，矩阵(M)表明获得了第一序列样本和相应的第二序列样本所在方位的差，并且矩阵乘法装置(72)用于从至少一个差信号和逆矩阵数据估计出偏差信号(b1，b2)和/或偏差校正后的物体状态信号。
文档编号G01C25/00GK102272554SQ200980153204
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者马塞尔·格雷戈里乌斯·安东尼乌斯·鲁伊泽纳 申请人:荷兰应用科学研究会(Tno)