专利名称：确定车辆的单值航行方向的系统和方法
技术领域：
本发明涉及确定车辆的单值(unambiguous)航行方向(heading direction)的方法和系统。具体地讲，本发明涉及利用车辆的单值航行方向来确定车辆的前进/倒车状态。
背景技术：
知道车辆正在向前行驶还是正在倒车(前进/倒车状态)对于车辆的自动转向系统而言是必须的。例如，如果车辆正在向前行驶，则在车辆实际上正在倒车的情况下，转方向盘以使车辆向左拐会使车辆向右转。因此，正确的前进/倒车状态是安全且有效的自动转向系统的关键性输入。现有技术中有多个用于确定前进/倒车状态的系统。这些系统包括如US7451029中教导的车辆变速器传感器以及EP1787889的利用偏航角速度和转向位置改变的方向确定系统。车辆变速器传感器的缺点在于，当倒车齿轮已经啮合时，车辆可能瞬间仍在向前行驶。利用偏航角速度和转向位置改变依赖于偏航角速度和转向位置传感器的精度。一些现有技术的系统使用来自安装在车辆上的惯性测量单元(MU)和GNSS单元(例如，GPS接收器)这两者的信号来确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车。IMU提供车辆的頂U航向，GPS接收器提供车辆的运动方向。车辆的航向是车辆前端所指向的方向。如果车辆的MU航向和车辆的运动方向彼此相反，则车辆被确定为正在倒车。相反，如果车辆的頂U航向和车辆的运动方向在相同方向上，则车辆被确定为正在向前行驶。MU可能在启动时需要粗略对准，粗略对准的典型方法是将车辆最初的GPS运动方向取为车辆的航向。因此粗略对准时的頂U航向被取为启动时的GPS运动方向。车辆启动时首先的动作常常是将车辆倒出车库或车棚，导致粗略对准的IMU航向相对于车辆的真实航向近似偏移180°。可能存在致使IMU的粗略对准不正确的其它原因。通常,将启动之后任何给定时间处的未解(unresolved) IMU航向计算为通过由IMU的陀螺仪测量的自启动起的角改变调节的粗略对准IMU航向。通常，利用从未解IMU航向与GPS运动方向之间的差导出的误差项经由多历元递归地校正所计算的未解MU航向。误差项通常为常数“A”与航向对准误差的乘积。航向对准误差是未解IMU航向与GPS运动方向之间的差。当车辆从前进改变为倒车时，未解MU航向通常将保持相同，但是GPS运动方向将转动180°。因此，当车辆从前进改变为倒车时，航向对准误差将跳变180°。由于大的航向对准误差引起的大的误差项不利于车辆的真实航向的精确近似。避免航向对准误差跳变180°的一种已知解决方案是在计算航向对准误差之前检测车辆的前进/倒车状态。然后，如果车辆从前进改变为倒车状态，则可将确定航向对准误差时使用的GPS运动方向调节180°，从而避免航向对准误差跳变180°。例如，如果车辆正在向前行驶，则其未解IMU航向与GPS运动方向通常将仅相差几度，这两者之间的航向对准误差因此较小。当车辆开始倒车时，IMU航向和GPS运动方向现在基本上彼此相反，航向对准误差将接近180°。避免航向对准误差跳变180°的一种已知解决方案是在检测到车辆的倒车状态时且在计算航向对准误差之前将GPS运动方向调节180°。因此，即使车辆正在倒车，调节后的GPS运动方向和未解IMU航向仍保持彼此接近，航向对准误差仍保持相对小。这种解决方案完全依赖于在计算航向对准误差之前正确检测车辆的前进/倒车状态。正如讨论过的，并非总能可靠地检测前进/倒车状态。由于速度测量上的噪声量，在非常低的速度下检测GPS运动方向的改变变得困难，当速度降至大约O. 5km/h以下时，会给出错误的运动方向。对于距车辆旋转中心几米远安装有GPS天线的大型车辆，小的车辆旋转改变(由于崎岖的地面或者由于刹车并在悬架或轮胎上弹跳引起的车辆运动导致)在天线处也会体现为大的速度改变，但其并不指示车辆的实际速度。需要用于自动转向系统的鲁棒且精确的前进/倒车状态确定。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种确定车辆的单值航行方向的方法，所述方法包括以下步骤确定作为所述车辆的GNSS运动方向与所述车辆的未解IMU航向之间的差的航向对准误差；如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内；利用所述航向对准误差调节所述车辆的所述未解IMU航向；确定航向对准误差调节之后的所述未解MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反；以及如果所述未解MU航向基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则通过使航向对准误差调节之后的所述未解IMU航向偏移180度来计算单值航行方向。所述方法优选地包括以下步骤通过将所述单值航行方向与所述车辆的GNSS运动方向进行比较来确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。利用所述航向对准误差调节所述车辆的所述未解IMU航向的步骤优选地包括以下步骤利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的MU航向。所述单值航行方向优选地被计算为所述非单值误差校正的IMU航向；或者如果所述非单值误差校正的MU航向被确定为基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则将所述单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180度。调节所述未解IMU航向可包括以下步骤利用所述航向对准误差计算误差校正的GNSS运动方向。优选地，所述方法包括以下步骤如果所述单值航行方向基本上在与所述GNSS运动方向相反的方向上，则确定所述车辆正在倒车。确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反的步骤优选地包括以下步骤利用一个或更多个绝对航向测试或相对车辆运动测试来对所述车辆的真实航向进行近似。确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上在与所述车辆的前端的真实方向相反的方向上的步骤优选地还包括以下步骤将所述车辆的近似真实航向与所述非单值误差校正的MU航向进行比较。
在另一方面中，本发明涉及一种确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车的方法，该方法包括以下步骤从所述车辆的GNSS单元接收所述车辆的GNSS运动方向；从所述车辆的IMU接收所述车辆的未解IMU航向；确定作为所述GNSS运动方向和所述未解IMU航向之间的差的航向对准误差；如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内；利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的IMU航向；确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反；将单值航行方向计算为所述非单值误差校正的IMU航向；或者如果所述非单值误差校正的MU航向被确定为基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则将所述单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180度；以及将所述单值航行方向与所述车辆的所述GNSS运动方向进行比较，从而确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。优选地，所述方法包括以下步骤如果所述单值航行方向基本上在与所述GNSS运动方向相反的方向上，则确定所述车辆正在倒车。确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反的步骤优选地包括以下步骤利用一个或更多个绝对航向测试或相对车辆运动测试来对所述车辆的真实航向进行近似。确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上在与所述车辆的前端的真实方向相反的方向上的步骤优选地还包括以下步骤将所述车辆的近似真实航向与所述非单值误差校正的IMU航向进行比较。在另一方面中，本发明涉及一种对航向对准误差进行箝位的方法，该方法包括以下步骤确定作为车辆的GNSS运动方向与所述车辆的未解IMU航向之间的差的航向对准
误差;如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内。在另一方面中，本发明涉及一种用于确定车辆的单值航行方向的系统，该系统包括安装到所述车辆的GNSS单元，该GNSS单元能够操作以计算所述车辆的运动方向；安装到所述车辆的MU单元，该MU单元能够操作以计算所述车辆的未解MU航向；包括处理器的处理�？椋龃砥鞅槐喑涛范ㄗ魑狦NSS运动方向与所述未解IMU航向之间的差的航向对准误差；如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内；利用所述航向对准误差调节所述未解IMU航向；确定所述未解IMU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反；如果所述未解MU航向基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则通过使所述未解IMU航向偏移180度来计算单值航向。所述处理器优选地被编程为通过利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的IMU航向来调节所述未解IMU航向。 所述处理器优选地被编程为将所述单值航行方向计算为
所述非单值误差校正的IMU航向；或者如果所述非单值误差校正的MU航向被确定为基本上在与所述车辆的前端的真实方向相反的方向上，则将所述单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180 度。所述处理器优选地被编程为通过将所述单值航行方向与所述车辆的所述GNSS运动方向进行比较来确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。所述预定范围优选地在彡-90度和彡+90度之间。
仅通过示例，以下将参照附图更充分地描述本发明的优选实施方式，附图中图1是包括根据本发明的一个实施方式的系统的车辆的示意性俯视图；图2是确定图1的车辆的单值航行方向以及确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车的方法的总体流程图；图3是确定图1的车辆的单值航行方向以及确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车的方法的更详细的流程图；图4是对车辆的真实航向进行近似的方法的流程图，其用作图3所示的方法的输A ； 图5A是在车辆的IMU的粗略对准期间车辆的平面图，该车辆被示出为正在向南方向上倒车；图5B是正在向东方向上前进的图5A的车辆的平面图；图6A是在车辆的IMU的粗略对准期间车辆的平面图，该车辆被示出为正在向北方向上前进；图6B是正在向东方向上前进的图6A的车辆的平面图；图7A是在车辆的IMU的粗略对准期间车辆的平面图，该车辆被示出为正在向南方向上倒车；图7B是正在向西方向上倒车的图7A的车辆的平面图；以及图8是示出在图1的车辆的不同的前进和倒车条件下偏航角速度和横向加速度的符号(+或_)的改变的示意性布局图。
具体实施方式
图1示出车辆10，该车辆10包括用于确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车的前进/倒车状态检测系统12。为了确定前进/倒车状态，系统12确定车辆10的单值航行方向。系统12包括全球导航卫星系统(GNSS)单元14、IMU (惯性测量单元)单元16和处理�？�18。处理模块18与GNSS单元14和IMU单元16通信。GNSS单元14利用卫星信号来计算GNSS单元14的行驶速度和方向。GNSS单元14通常是利用GPS卫星来计算并输出行驶速度和方向的GPS接收器。GNSS单元14安装到车辆10上。因此，GNSS单元14的行驶方向被认为是车辆10的运动方向。GNSS运动方向对车辆是向前行驶还是倒车不敏感，因为其仅考虑GNSS天线本身的位置的相对改变。仅考虑GNSS运动方向无法显示由GNSS单元14提供的速度是由于车辆10的向前行驶还是倒车。车辆10的GNSS运动方向作为GNSS运动方向输入被发送给处理�？�18。IMU单元16包括多个传感器以用于确定车辆的姿态(包括车辆的未解IMU航向)。车辆的航向是车辆的前端指向的方向。所述传感器包括本领域熟知的陀螺仪和加速计。车辆10的真实航向由图1中的箭头22指示，并且是车辆的前端的真实方向。真实航向22沿着从车辆10的后部24到车辆10的前端处的前部26的纵轴。由IMU单元16进行近似的车辆10的航向作为未解IMU航向输入被发送给处理�？�18。IMU单元16总是估计真实航向22，而不管车辆10是正在向前行驶还是正在倒车。当车辆正在直线倒车时，GNSS运动方向和MU航向通常彼此相反大约180°。当车辆10启动时，IMU单元16需要车辆航向的粗略对准。粗略对准可以是车辆10的最初的GNSS运动方向，或者是由车辆10的指南针确定的车辆前端的方向。通常，计算通过由陀螺仪测量的角改变调节的粗略对准航向达给定次数，作为任何给定时间处的未解頂U航向。处理�？�18包括处理器20，软件程序在处理器20上运行以使处理器20执行逻辑步骤和计算。处理器20接收作为输入的GNSS运动方向和作为输入的未解MU航向。处理器20使用GNSS运动方向、未解IMU航向以及各种其它输入和逻辑来确定车辆10是正在向前行驶还是正在倒车。图2示出系统12确定图1的车辆的单值航行方向并确定车辆10是正在向前行驶还是正在倒车的基本流程图。该流程图中的步骤是由车辆10的处理�？�18的处理器20执行的步骤。在第一步骤100，确定航向对准误差。航向对准误差是车辆的GNSS运动方向与车辆的未解IMU航向之间的差。在第二步骤200，如果航向对准误差在预定范围之外，则将该航向对准误差调节180°以使其在所述预定范围内。如果航向对准误差在所述预定范围内，则不调节航向对准误差(或者可以称其被调节了 0° )。在第三步骤300，利用航向对准误差调节车辆10的未解IMU航向，以确定非单值(ambiguous)误差校正的IMU航向。在第四步骤400，确定非单值误差校正的IMU航向是基本上在车辆10的前端的真实方向上还是基本上与车辆10的前端的真实方向相反。在第五步骤500，如果非单值误差校正的IMU航向基本上与车辆10的前端的真实方向相反，则通过将非单值误差校正的MU航向偏移180度来计算单值航行方向。
在最后步骤600，通过将单值航行方向与车辆的GNSS运动方向进行比较来确定车辆10的前进/倒车状态。参照图3更详细地讨论并展开步骤100至600。图3示出确定车辆10的前进/倒车状态的方法的详细流程图。图2的总体步骤100至600在图2中由虚线框指示。在步骤100，执行航向对准误差计算110。处理器20计算航向对准误差，该航向对准误差为未解MU航向与GNSS运动方向之间的差。从MU单元16接收未解MU航向，从GNSS单元14接收GNSS运动方向。航向对准误差的计算表示为航向对准误差=未解IMU航向-GNSS运动方向。在步骤200，如果航向对准误差在介于彡-90°至<+90°之间的预定范围之外，则将该航向对准误差调节(如果需要的话)180°的半圆以使其在该预定范围内。调节航向对准误差使其在彡-90°至<+90°范围之内被称作箝位误差210。 箝位误差210逻辑上表示为如果误差>+90°，则误差=误差-180° ;如果误差〈-90°，则误差=误差+180°。该计算可迭代地进行，或者利用除法运算的余数来进行，因为这两种技术在数学上是等效的。箝位航向对准误差210迫使航向对准误差总是在介于彡-90°至<+90°之间的范围内。如果在箝位之前航向对准误差在-90°至<+90°之内，则不调节航向对准误差。重要的是，将误差箝位在介于彡-90°至<+90°之间的范围内，而不管车辆10是正在向前行驶还是在倒车，也不管车辆的前进/倒车状态的检测。在步骤300，通过利用航向对准误差(无论是否被调节)计算310非单值误差校正的頂U航向来解出未解MU航向。非单值误差校正的MU航向是通过误差项校正的从MU16接收到的未解IMU航向，即非单值误差校正的IMU航向=未解IMU航向-AX航向对准误差。在互补滤波器的情况下，A通常是小于O.1的常数，在卡尔曼滤波器的情况下，当滤波器收敛时A的值随时间改变。在本文献中为了清晰起见，将其视为常数。下一步骤400是确定非单值误差校正的IMU航向是基本上在车辆10的真实航向22的方向上还是基本上在与真实航向22相反的方向上。这涉及将非单值误差校正的IMU航向与车辆10的近似真实航向700进行相位比较410。近似真实航向700利用多次测试和传感器来计算，如参照图4所述。如果非单值误差校正的IMU航向在近似真实航向700的彡-90°至彡+90°内，则非单值误差校正的MU航向与车辆的近似真实航向700同相。如果非单值误差校正的頂U航向在近似真实航向700的彡-90°至彡+90°之外，则其异相。下一步骤500是计算单值航行方向。单值航行方向的计算依赖于是否发现非单值误差校正的頂U航向与车辆10的近似真实航向700同相。如果发现非单值误差校正的IMU航向与近似真实航向700同相，则非单值误差校正的頂U航向是单值航行方向。这通过在步骤510将0°与非单值误差校正的MU航向相加来表示。如果发现非单值误差校正的MU航向与近似真实航向700异相，则单值航行方向是非单值误差校正的頂U航向偏移180°。这通过在步骤520将180°与非单值误差校正的IMU航向相加来表示。最后，在步骤600将单值航行方向与车辆的GNSS运动方向进行比较，从而确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车。在步骤610比较单值航行方向和GNSS运动方向的相位。如果单值航行方向与车辆的GNSS运动方向同相，则车辆正在向前行驶620，否则其正在倒车 630。本发明的前进/倒车状态确定方法避免了航向对准误差的跳变，而不必依赖于在航向对准误差计算之前确定车辆前进/倒车状态以校正GNSS运动方向输入。与针对前进和倒车校正GNSS运动方向相反，这通过在步骤210箝位误差项来实现。本发明提出的确定前进/倒车状态的方法潜在地比已知方法更快速、更精确、更可靠。图4示出通过对车辆10的真实航向22进行近似来计算近似真实航向700的流程图50。可利用多个传感器和测试来按照多个方式计算近似真实航向700。当车辆10在运动中超过特定速度时，只有在能够100%时间可靠地知道前进/倒车状态的情况下，GNSS运动方向710才可用作近似真实航向700。由于这无法仅基于GNSS测量而得到保证，所以GNSS运动方向710总是被视为非单值量。确定车辆10的前进/倒车状态以对真实航向700进行近似的步骤包括对多次测试714 - 722进行加权。所述测试分别针对前进给出结果“1”，针对未知方向给出结果“0”，针对倒车给出结果“-1”。该集合将不一定由全部的传感器读数组成，因此被设计为容许略去由于发生故障的传感器、还未准备好的传感器或者(简单地)该系统还未安装的传感器引起的传感器测量值。线加速度测试714将速度的改变与集成加速计读数的改变进行比较，以确定车辆10是正在向前行驶还是正在倒车。UI测试716利用来自车辆10的驾驶员的输入来确定向前行驶或倒车。为驾驶员提供用户界面(UI)以指示车辆是正在向前行驶还是正在倒车。齿轮测试718以车辆10的FNR操纵杆的位置作为输入。FNR操纵杆可处于“前进”、“空挡”或“倒车”位置。如果FNR操纵杆处于“前进”位置，则齿轮测试718给出用于前进的结果“I”。如果FNR操纵杆处于“倒车”位置，则齿轮测试718给出用于倒车的结果“-1”。如果FNR操纵杆处于“空挡”位置，则齿轮测试718给出用于未知的结果“O”。轮转角测试720取得从变速箱、地面速度雷达或其它传感器测量的车辆10的速度以及来自转向子系统的转向角并进行比较，在假设车辆在向前方向上行驶的情况下，计算估计的偏航角速度。将此估计的偏航角速度与由车辆的速度陀螺仪测量的偏航角速度进行比较，并且如果两个量处于显著不同的方向上，则确定车辆正在倒车。离心测试722将MU16的偏航角速度的符号(+或_)与由MU16的加速计测量的横向加速度的符号(+或_)进行比较。如果偏航角速度和横向加速度的符号一致，则车辆10正在向前行驶。如果偏航角速度和横向加速度的符号不同，则车辆10正在倒车。图8示出依赖于向前行驶或倒车的符号改变。对于此相关测试，当车辆正在转弯时，偏航角速度和横向加速度必须高于预设阈值。对不同的测试714-722进行加权以确定车辆10的前进/倒车状态，并且如果车辆在倒车，则将GNSS运动方向适当地校正180°。应该注意的是，此步骤显著地在IMU中的任何航向对准误差计算之后进行，明确不反馈此经调节的GNSS运动方向来对未解MU航向进行误差校正。在特定情况下，从车辆中的数字指南针接收到的指南针方向724可用来对真实航向22进行近似。对于低车速尤其如此。车辆可包括具有两个GPS接收器的双GPS系统，所述GPS接收器各自具有天线。如本领域熟知的，处理�？�18可从两个接收器的输入为车辆10确定双GPS方向726。指南针方向724、双GPS方向726和GNSS运动方向(针对前进/倒车状态校正)均由处理�？�18选择性地使用，以确定近似真实航向700。处理�？�18可利用各种类型的算法将指南针方向724、双GPS方向726和GNSS运动方向进行组合，以获得近似真实航向700。下面的示例I至3描述使用本发明的方法的多种场景。 示例I (图 5A、图 5B)示例I是前进/倒车状态确定的情况，其中IMU粗略对准(在时间t=0)处于车辆10的真实航向22的+/-90°之外，在稍后的时间(时间=t+l)车辆10正在向前行驶。图5A示出粗略对准时车辆10的取向和运动方向，图5B示出稍后时车辆的取向和运动方向。在启动时(图5A)，示出车辆在向南方向(180° )上倒车。真实航向22=0° (北)，IMU粗略对准=180° (南)。这是将粗略对准取为最初GNSS运动方向信号并且启动车辆10之后首先的动作是将车辆10倒出车棚的示例。在稍后的时间(图5B，时间t+Ι)，车辆的真实航向22为90° (东)，车辆10正在向前行驶。未解頂U航向=(MU粗略对准[t=0]) + aMU陀螺仪偏航角速度[t+1])。因此对于在稍后的时间前端转动了+90° (由MU陀螺仪测量)的示例，未解MU航向(t+l)=180° +90° =270°。在所述稍后的时间前端的真实航向22实际上为90°。在图5的示例中，我们假设在稍后时间(t+Ι)的GNSS运动方向=90°。参照图3和图5B，在稍后时间(t+Ι)的航向对准误差计算110=未解MU航向-GNSS运动方向。航向对准误差=270° -90° =180°。航向对准误差在彡-90°至<+90°的预定范围之外。在步骤210，因此对航向对准误差进行箝位，从而航向对准误差=180° -180° =0°。按照步骤310的非单值误差校正的MU航向=未解MU航向-AX航向对准误差。非单值误差校正的頂U航向(t+1) =270° -0° =270°。利用参照图4描述的启发性算法，确定近似真实航向700例如为93°。非单值误差校正的頂U航向(270° )与近似真实航向700 (93° )之间的差为177°，其如在步骤410比较的，为异相。在非单值误差校正的IMU航向与近似真实航向700异相的情况下，单值航行方向为非单值误差校正的頂U航向偏移180°。单值航行方向=270° +180° =90°。在步骤610单值航行方向(90° )与GNSS运动方向(90° )之间的比较发现这两者同相，从而使得系统12将稍后时间(t+Ι)的前进/倒车状态正确地确定为向前行驶。示例2 (图 6A、图 6B)示例2与示例I类似，不同的是初始IMU粗略对准在车辆10的真实航向22的+/-90。内。
图6A示出粗略对准时车辆10的取向和运动方向，图6B示出稍后时车辆的取向和向。在启动时(图6A)，示出车辆在向北方向(0° )上前进。真实航向22=0° UDdMU粗略对准=2°。这是将粗略对准取为最初的GNSS运动方向信号并且启动之后车辆10首先的动作是向前运动的示例。在稍后的时间(图6B，时间=t+l)，车辆的真实航向22为90°，车辆10正在向前行驶。未解IMU航向=(IMU粗略对准[t=0]) + (IMU陀螺仪偏航角速度[t+Ι])。因此对于在稍后的时间前端转动了 +90° (由MU陀螺仪测量)的示例，未解MU航向(t+Ι) =2° +90° =92°。在所述稍后的时间前端的真实航向22为90°。假设GNSS单元14是精确的，在所述稍后时间的GNSS运动方向也为90°。参照图3和图6B，在稍后时间(t+Ι)的航向对准误差计算110=未解MU航向-GNSS运动方向。航向对准误差=92° -90° =2°。航向对准误差小于90°。在步骤210，无需对航向对准误差进行箝位，从而保持航向对准误差=2°。按照步骤310的非单值误差校正的IMU航向=未解MU航向-AX航向对准误差。非单值误差校正的頂U航向[t+Ι] = 92° -0.1X2° =91.8°。假设参照图4计算的近似真实航向700为93°。非单值误差校正的MU航向(91.8° )与近似真实航向700 (93° )之间的差为2.2°，因此这两者如在步骤410处比较的，为同相。在非单值误差校正的IMU航向与近似真实航向700同相的情况下，单值航行方向为非单值误差校正的頂U航向偏移0°。单值航行方向=91. 8° +0° =91.8°。在步骤610单值航行方向(91. 8° )与GNSS运动方向(90° )之间的相位比较发现这两者同相，从而使得系统12将前进/倒车状态正确地确定为向前行驶。示例3(图 7A、图 7B)示例3与示例I类似，不同的是在稍后时间(图7B，t+l)车辆10正在倒车。图7A示出粗略对准期间的车辆10取向，其与参照图5A示出并讨论的粗略对准相同。此情况的现实世界示例将是车辆以倒档启动，并整天处于该状态。在稍后的时间(图7B)，车辆的真实航向22为90° (东)，车辆10正在倒车。未解MU航向=(MU粗略对准[t=0])+ (MU陀螺仪偏航角速度[t+Ι])。对于在稍后时间前端转动了+90。(由IMU陀螺仪测量)的该示例，所述稍后时间处的未解IMU航向=180° +90。=270。。假设GNSS单元14是精确的，在所述稍后时间的GNSS运动方向=270°。参照图3和图7B，在稍后时间t+Ι的航向对准误差计算110=未解MU航向-GNSS运动方向。航向对准误差=270° -270° =0°。航向对准误差小于+90°，但是大于-90°，因此在所述预定范围内。在步骤210中，无需对航向对准误差进行箝位，从而航向对准误差保持为0°。按照步骤310的非单值误差校正的MU航向=MU航向-AX航向对准误差。非单值误差校正的頂U航向=270° -0=270°。假设参照图4计算的稍后时间t+Ι处的近似真实航向700为93°。非单值误差校正的頂U航向(270° )与近似真实航向700 (93° )之间的差为177°，因此这两者如在步骤410比较的，为异相。在非单值误差校正的MU航向与近似真实航向700异相的情况下，单值航行方向为非单值误差校正的頂U航向偏移180°。稍后时间t+Ι处的单值航行方向=270° +180° =90°。在步骤610单值航行方向(90° )与GNSS运动方向(270° )之间的比较发现这两者异相，从而使得系统12将稍后时间t+Ι处的前进/倒车状态确定为倒车。系统12的一个有益效果在于，在计算非单值误差校正的MU航向时使用的航向对准误差总是限于彡-90°至<+90°内，而不必确定车辆的瞬时前进/倒车状态。因此，误差项保持较�。鲈谏院蟛街枵攵郧敖�/倒车解出非单值误差校正的MU航向。代替检测瞬时前进/倒车以校正航向对准误差，本发明如上所述确定 近似真实航向以用于相位比较。这样的益处在于，系统对GNSS运动方向的快速改变不敏感，GNSS运动方向的快速改变通常发生于例如在运动中快速踩刹车，导致在车辆轮胎和悬架系统上向前和向后明显的摇摆/弹跳时。GNSS运动方向的这种快速改变在精确农业中是常见的。这预先反映在误差项中将是较大的值，进而会将MU航向的值拉离真实航向。该系统还对稀疏的传感器测量值具有高容差，从而使得系统能够适应传感器故障或丢失。为了描述的目的将以上对本发明的各种实施方式的描述提供给本领域普通技术人员。其并非旨在穷尽性的或者将本发明限于公开的单一实施方式。如上所述，对于本领域技术人员而言，通过上面的教导，本发明的许多另选的方式和变型将变得明显。因此，尽管具体讨论了一些可供选择的实施方式，但是其它实施方式将是明显的或者可由本领域普通技术人员相对容易地开发。因此，本发明旨在涵盖本文讨论的本发明的所有另选的形式、修改形式和变型以及落在上述发明的精神和范围内的其它实施方式。
权利要求
1.一种确定车辆的单值航行方向的方法，该方法包括以下步骤 确定作为所述车辆的全球导航卫星系统(GNSS)运动方向与所述车辆的未解惯性测量单元(MU)航向之间的差的航向对准误差； 如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内； 利用所述航向对准误差调节所述车辆的所述未解MU航向； 确定航向对准误差调节之后的所述未解頂U航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反；以及 如果所述未解MU航向基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则通过使航向对准误差调节之后的所述未解MU航向偏移180度来计算单值航行方向。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤通过将所述单值航行方向与所述车辆的所述GNSS运动方向进行比较来确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，利用所述航向对准误差调节所述车辆的所述未解IMU航向的步骤包括以下步骤利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的頂U航向。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单值航行方向被计算为 所述非单值误差校正的MU航向；或者 如果所述非单值误差校正的IMU航向被确定为基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则将所述单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述非单值误差校正的IMU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反的步骤优选地包括以下步骤利用一个或更多个绝对航向测试或相对车辆运动测试来对所述车辆的前端的真实方向进行近似。
6.根据权利要求5所述的方法，该方法包括以下步骤将所述车辆的前端的近似真实方向与所述非单值误差校正的IMU航向进行比较。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，该方法包括以下步骤如果所述单值航行方向基本上在与所述GNSS运动方向相反的方向上，则确定所述车辆正在倒车。
8.一种确定车辆是正在向前行驶还是正在倒车的方法，该方法包括以下步骤 从所述车辆的全球导航卫星系统(GNSS)单元接收所述车辆的GNSS运动方向； 从所述车辆的惯性测量单元(MU)接收所述车辆的未解IMU航向； 确定作为所述GNSS运动方向和所述未解IMU航向之间的差的航向对准误差； 如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内； 利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的MU航向； 确定所述非单值误差校正的MU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反； 将单值航行方向计算为 所述非单值误差校正的MU航向；或者 如果所述非单值误差校正的IMU航向被确定为基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则将单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180度；以及 将所述单值航行方向与所述车辆的所述GNSS运动方向进行比较，从而确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法包括以下步骤如果所述单值航行方向基本上在与所述GNSS运动方向相反的方向上，则确定所述车辆正在倒车。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，确定所述非单值误差校正的IMU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反的步骤包括以下步骤利用一个或更多个绝对航向测试或相对车辆运动测试来对所述车辆的前端的真实方向进行近似。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法包括以下步骤将所述车辆的前端的近似真实方向与所述非单值误差校正的頂U航向进行比较。
12.—种对航向对准误差进行箝位的方法，该方法包括以下步骤 确定作为车辆的GNSS运动方向与所述车辆的未解IMU航向之间的差的航向对准误差; 如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法包括以下步骤测试所述航向对准误差是否在介于彡-90度和< +90度之间的所述预定范围内。
14.一种用于确定车辆的单值航行方向的系统,该系统包括 安装到所述车辆的GNSS单元，该GNSS单元能够操作以计算所述车辆的运动方向； 安装到所述车辆的IMU单元，该IMU单元能够操作以计算所述车辆的未解IMU航向； 包括处理器的处理模块，所述处理器被编程为 确定作为GNSS运动方向与所述未解IMU航向之间的差的航向对准误差； 如果所述航向对准误差在预定范围之外，则将所述航向对准误差调节180度以使所述航向对准误差在所述预定范围内； 利用所述航向对准误差调节所述未解MU航向； 确定所述未解IMU航向是基本上在所述车辆的前端的真实方向上还是基本上与所述车辆的前端的真实方向相反； 如果所述未解MU航向基本上与所述车辆的前端的真实方向相反，则通过使所述未解IMU航向偏移180度来计算单值航向。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理器被编程为通过利用所述航向对准误差计算非单值误差校正的頂U航向，来调节所述未解MU航向。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器被编程为将所述单值航行方向计算为 所述非单值误差校正的MU航向；或者 如果所述非单值误差校正的IMU航向被确定为基本上在与所述车辆的前端的真实方向相反的方向上，则将所述单值航行方向计算为所述非单值误差校正的MU航向偏移180度。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述处理器被编程为通过将所述单值航行方向与所述车辆的 所述GNSS运动方向进行比较，来确定所述车辆是正在向前行驶还是正在倒车。
全文摘要
计算单值航行方向以确定车辆的前进/倒车状态。在步骤100，确定航向对准误差，该航向对准误差是车辆的GNSS运动方向与未解IMU航向之间的差。在步骤200，将航向对准误差调节180°以使其在预定范围内。在步骤300，利用航向对准误差调节车辆10的未解IMU航向，以确定非单值误差校正的IMU航向。步骤400确定非单值误差校正的IMU航向是否基本上在车辆的前端的真实方向上。在步骤500，如果非单值误差校正的IMU航向基本上与车辆的前端的真实方向相反，则通过使非单值误差校正的IMU航向偏移180度来计算单值航行方向。通过将单值航行方向与车辆的GNSS运动方向进行比较来确定前进/倒车状态。
文档编号G01S19/47GK103026260SQ201180036320
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月19日 优先权日2010年7月20日
发明者威廉·凯拉 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司
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