CN102680996A - 定位装置以及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定位装置及定位方法，该定位装置具备：使用惯性传感器数据进行定位计算，以计算惯性导航定位结果，且对所述惯性导航定位结果附加时刻信息后将其存储在存储部中的单元；使用GPS定位数据计算GPS定位结果的单元；进行所述GPS定位结果、和具有与取得所述GPS定位数据的时刻相同的时刻信息并存储于所述存储部中的所述惯性导航定位结果之间的耦合处理的单元；以及基于通过所述耦合处理得到的位置误差、姿势误差、速度误差、以及所述惯性传感器的偏离误差的信息，校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果的单元。

Description

定位装置以及定位方法
技术领域
本发明涉及定位装置以及定位方法。
背景技术
在无论屋内外都能将GPS定位数据和惯性传感器数据进行融合以进行高精度的定位的情况下，由于GPS定位数据因传送时间以及定位计算时间的影响而导致相对于当前时刻产生延迟时间，因此需要进行GPS定位数据和惯性传感器数据的时刻同步。作为使GPS定位数据和惯性传感器数据的时刻同步的方法，公知有如下方法(例如，参照专利文献1)：将从GPS定位数据到达的时刻减去定位运算时间和传送时间后得到的时刻作为GPS基准时刻，并根据惯性传感器的检测结果，将最接近基准时刻的检测结果指定为要同步的检测数据，计算被指定的检测结果的检测时刻和GPS基准时刻的差分，将计算出的时间差分进行传播(propagation)，从而进行GPS定位数据和惯性传感器数据的时刻同步。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】：日本特开2009-222438号公报
在利用这样的专利文献1的定位方法中，为了将惯性传感器的定位结果和GPS定位结果同步，而对惯性传感器的检测时刻和GPS的基准时刻之间的差分ΔTp进行计算，通过外插法(也称为外插插补(externalinterpolation))，从而将时间差ΔTp乘以移动体的速度矢量，在周期i对被定位的移动体的位置求积，校正移动体的位置，并进行与传感器的检测结果的对应。
***补后的移动体的位置由以下的公式表示。
【数1】
Figure BDA0000141438720000021
在这样的同步方法中，在由于移动体的加速度而导致速度的大小没有被保持为固定、或由于旋转而导致速度的方向发生变化的情况下，通过外插法被校正后的移动体的位置可能与移动体在检测时刻的真正位置偏离很大。并且，存在如下的问题：由于速度、方位的外插插补困难，因此未能取得GPS定位结果和惯性传感器的检测结果的同步，从而不能正确地进行耦合(coupling)。
发明内容
本发明为了解决上述问题中的至少一部分而提出，其提供了能够作为以下的方式或者适用例而实现的定位装置以及定位方法。
[适用例1]本适用例涉及的移动体的定位装置具备：使用惯性传感器数据进行定位计算，以计算惯性导航定位结果，且对所述惯性导航定位结果附加时刻信息后将其存储在存储部中的单元；使用GPS定位数据计算GPS定位结果的单元；进行所述GPS定位结果、和具有与取得所述GPS定位数据的时刻相同的时刻信息并存储于所述存储部中的所述惯性导航定位结果之间的耦合处理的单元；以及基于通过所述耦合处理得到的位置误差、姿势误差、速度误差、以及所述惯性传感器的偏离误差的信息，校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果的单元。
根据本适用例，在与利用惯性传感器的定位计算同时，缓冲时钟的时刻信息、惯性传感器数据以及定位结果(加速度、角速度、位置、姿势、速度)。在得到GPS定位结果的时刻，将GPS定位结果的时刻信息和缓冲器中的惯性传感器的定位结果的时刻信息进行比较，进行具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果之间的耦合，从而实现时刻同步。并且，通过将耦合推断出的误差信息反馈至被缓冲的惯性传感器的定位结果，进行误差校正(错误校正)，从而能够减少被缓冲后的惯性传感器的积分结果的误差，而无需使用正确的误差信息再次积分传感器数据。此外，通过将耦合推断出的位置误差、姿势误差、速度误差、以及惯性传感器的偏离误差还反馈至惯性传感器的当前时刻的定位结果以进行误差校正，从而能够提供当前时刻的正确的定位信息。
[适用例2]在上述适用例涉及的定位装置中，优选所述耦合处理包括：对所述惯性导航定位结果以及所述GPS定位结果进行卡尔门(Karman)滤波处理。
卡尔门滤波是一种利用不时变化的外部观测量并基于建立的理论(established theory)来推断***的状态的方式，因此能够得出更高精度的定位结果。
[适用例3]在上述适用例涉及的定位装置中，优选校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果的单元的操作包括：预测所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差，并根据所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差校正所述惯性导航定位结果。
由于预测并校正取得GPS定位数据时刻以后的位置变动，因此能够得出更高精度的定位结果。
[适用例4]在上述适用例涉及的定位装置中，优选与使用所述GPS定位数据进行GPS定位相比，高频率地执行使用所述惯性传感器数据进行的定位计算。
由于与利用惯性传感器的定位计算相比，利用GPS的定位计算需要更长的时间，因此将利用传感器的定位补充到GPS定位的计算中，从而能够得出更高精度的定位结果。
[适用例5]在上述适用例涉及的定位装置中，优选所述惯性传感器数据是通过加速度传感器及陀螺传感器中的至少一个计测出的数据。
由于通过至少加速度传感器以及陀螺传感器中的任一个捕捉移动体的移动，因此能够得出更高精度的定位结果。
[适用例6]本适用例涉及的定位方法包括：使用惯性传感器数据进行定位计算，以计算惯性导航定位结果，且对所述惯性导航定位结果附加时刻信息后存储于存储部中的单元；使用GPS定位数据计算GPS定位结果的单元；将所述GPS定位结果、和存储在所述存储部中且具有与取得所述GPS定位数据的时刻相同的时刻信息的所述惯性导航定位结果进行耦合，推断位置误差、姿势误差、速度误差、和所述惯性传感器的偏离误差；以及基于所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差，校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果。
根据本适用例，缓冲惯性传感器数据、惯性传感器的定位结果和时刻信息，使GPS定位结果的时刻信息和惯性传感器数据的时刻信息同步。此外，能够将通过对同步后的惯性传感器的定位结果和GPS定位结果进行耦合而推断出的位置误差、姿势误差、速度误差和所述惯性传感器的偏离误差反馈至缓冲部，从而校正被缓冲后的惯性传感器的定位结果。因此，无需使用正确的误差信息再次积分过去的传感器数据就能够大幅度地减少计算负荷。此外，通过将耦合推断出的位置误差、姿势误差、速度误差、以及惯性传感器的偏离误差反馈至惯性传感器的当前时刻的定位结果并进行误差校正，从而能够为移动体提供当前时刻的正确的定位信息。
附图说明
图1是示出移动体控制装置的概要的结构框图。
图2是示出运算控制部的概要的框图。
图3是示出移动体定位方法的主要步骤的流程图。
图4是示出同步处理的方法的说明图。
图5示出了移动体定位的模拟结果的比较，图5(a)表示水平方向上的移动体的移动，图5(b)表示高度方向上的移动。
图6是示出推断出的惯性传感器的偏离误差，图6(a)表示利用缓冲法的3轴加速度偏离的推断值，图6(b)表示利用传播法的3轴加速度偏离的推断值。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(移动体定位装置)
图1是示出移动体控制装置的概要的结构框图。移动体控制装置1包括陀螺传感器20、加速度传感器30、GPS(Global Positioning System，全球定位***)定位部40、运算控制部10以及存储部50，该运算控制部10用于对从陀螺传感器20、加速度传感器30、以及GPS定位部40输入的定位数据进行运算处理，移动体控制装置1连接于移动体的输出部60。
陀螺传感器20配置于移动体，其使用例如利用水晶振动型传感器或MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电***)传感器，基于微小振动板由于旋转而受到的哥氏力来检测旋转角速度。在本实施方式中，为了检测绕各轴的旋转角速度而设置有多个陀螺传感器20，其用于输出表示绕轴的旋转角速度的数据。
加速度传感器30配置于移动体，其用于测定并输出移动体相对于至少一个方向的加速度。在本实施方式中，该加速度传感器30是水晶振动型传感器或MEMS传感器，其测定并输出移动体向各轴方向的移动加速度。
GPS定位部40接收来自GPS卫星的信号，并输出表示移动体的位置(维度、经度、高度)的定位数据。在本实施方式中使用的GPS定位部40是广泛使用的部件，因此在此省略详细说明。
运算控制部10构成为使用CPU(Central Processing Unit，中央处理器)等程序控制设备，其根据存储在存储部50中的程序而动作。在本实施方式中，该运算控制部10基于从陀螺传感器20、加速度传感器30、GPS定位部40输出的各数据，进行移动体的位置、速度、姿势、以及惯性传感器的偏离(bias)的各误差推断和误差校正，并输出给移动体的输出部60。将在后面对运算控制部10的具体结构和作用进行详细描述。
存储部50是RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)等存储元件，其用于保存由运算控制部10执行的程序。并且，该存储部50也作为运算控制部10的工作存储器进行动作。并且，也可以构成为存储部50内置于运算控制部10中。
输出部60由控制移动体的位置、速度、姿势的驱动装置、或者用于以所需的数据的形式显示的显示部等构成。
接着，对运算控制部10的结构进行说明。
图2是示出运算控制部的概要的框图。运算控制部10包括：偏离校正部11，用于对检测出的惯性传感器数据(加速度数据以及角速度数据)的偏离误差进行校正；定位运算部12，其作为用于使用惯性传感器数据来计算当前时刻的定位结果的单元；以及错误校正部15，用于对惯性传感器的定位结果的误差进行校正。对通过定位运算部12算出的定位结果附加表示算出的时刻的时刻信息。并且，还包括作为对GPS定位结果、GPS时刻信息、存储于缓冲部13的利用惯性传感器的定位结果和时刻信息进行同步处理的单元的同步部14。在进行了同步处理的数据中包括与惯性传感器数据的时刻信息同步的惯性传感器数据的定位信息和GPS数据的定位信息，并被输出给作为进行耦合处理的单元的扩展卡尔门滤波运算部19。
扩展卡尔门滤波运算部19使用同步处理后的惯性传感器数据的定位信息和GPS数据的定位信息进行耦合处理，并通过扩展卡尔门滤波器来推断定位结果(位置、姿势、速度)的误差、以及惯性传感器的偏离误差(加速度偏离误差和陀螺偏离误差)，从而反馈给偏离校正部11以及缓冲部13，且还输出给错误校正部15。
作为校正单元的错误校正部15使用通过扩展卡尔门滤波运算部19推断出的位置、姿势、速度的误差信息，将其作为惯性传感器在当前时刻的位置、姿势、速度进行校正，并输出给输出部60。
接着，对移动体定位方法进行说明。
(移动体定位方法)
图3是表示移动体定位方法的主要步骤的流程图。也参照图2进行说明。首先，通过惯性传感器检测加速度以及角速度(ST1)，利用定位运算部12进行检测时的当前时刻的定位计算(ST2)。此时，被附加时钟(clock)的时刻信息。接着，将检测出的惯性数据和算出的定位结果以及时刻信息在缓冲部13中缓冲(ST3)。
惯性数据是100Hz(每秒100次＝10ms间隔)的信号输入，其大致上实时进行检测。由于GPS数据是1Hz(每秒1次＝1000ms间隔)的信号输入，因此可以认为是相对于惯性数据的信号为间歇的输入信号。因此，时常检测GPS定位数据是否已被输入(ST4)，在未检测出(否)的情况下，重复进行从ST1至ST4的动作。在判断为存在GPS检测数据(是)的情况下，将在缓冲部13中被缓冲的惯性传感器的定位结果以及时刻信息、与基于GPS数据的GPS定位结果以及时刻信息进行比较，并利用同步部14进行同步处理(ST6)。同步处理的方法参照图4进行说明。
图4是示出同步处理的方法的说明图。图的上部示出惯性传感器数据的输入信号。虽然图示进行了简略，但是惯性传感器数据是100Hz的信号。GPS数据是1Hz的信号，从天线接收检测信号，通过天线→RF部16→基带(base band)部17的传送延迟、以及基带处理、定位运算的时间等，GPS定位结果比当前时刻延迟了500msec～1sec。因此，为了将具有延迟的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果同步并算出在当前时刻的定位结果，而进行惯性传感器的定位结果的缓冲处理。
在惯性传感器中，与惯性传感器的定位计算同时，将惯性传感器数据以及定位结果(加速度、角速度、位置、姿势、速度)和时钟的时刻信息进行缓冲。并且，在得到GPS定位结果的时刻(Nmsec、2Nmsec、或者3Nmsec)，将GPS定位结果的时刻信息(接收到卫星信号的时刻)、和被缓冲的惯性传感器的定位结果的时刻信息进行比较，将具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果输出至扩展卡尔门滤波运算部19。例如，当在Nmsec的时刻检测到GPS信号时，更新缓冲部内的数据(箭头标识)。接着，当在2Nmsec的时刻检测GPS信号时，在2Nmsec的时刻更新缓冲部内的数据。此时，先被缓冲的数据被消去。从Nmsec的更新到2Nmsec的更新的期间为预测期间。由于从在Nmsec的时刻输入GPS信号到2Nmsec为止的期间没有输入GPS信号，因此在该期间中，使用通过Nmsec的信号更新后的数据进行定位运算。
返回图3继续进行说明。
在同步处理(ST6)之后，将被同步的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果通过扩展卡尔门滤波运算部(EKF)19进行耦合处理(ST7)。在扩展卡尔门滤波运算部(EKF)19中，推断位置误差、姿势误差、速度误差、以及惯性传感器的偏离误差(陀螺偏离误差、加速度偏离误差)各误差，并重写(書き換える)存储于缓冲部13的惯性传感器的定位结果(ST8)。
并且，将通过扩展卡尔门滤波运算部19推断出的偏离误差还反馈至偏离校正部11，将位置误差、姿势误差、速度误差的信息还反馈至惯性传感器的当前时刻的定位结果，在错误校正部15进行位置误差、姿势误差、速度的误差校正(ST9)，并输出至移动体的显示部或者驱动装置，从而进行移动体的控制。
(模拟结果)
接着，对使用上述实施方式的移动体定位方法时的移动体定位结果和使用现有技术的移动体定位的比较结果进行说明。并且，将本实施方式的移动体定位方法作为缓冲法，并将利用现有技术的移动体定位方法作为传播法，与示出实际的移动体的移动状态的真实值进行比较。
图5是示出移动体定位的模拟结果的曲线图。图5(a)表示水平方向上的移动体的移动。横轴表示向东西方向的移动距离[m]，纵轴表示南北方向上的移动距离[m]。如真实值表示，图5(a)示出了移动体向东方的移动距离在330[m]左右后向北方转换方向，接着向北方的移动距离在350[m]左右再次向东方转换方向的例子。如图5(a)表示，从移动体从向东方的移动到向北方转换方向的时刻开始直至接着向东方转换方向为止的期间，相对于传播法，可以在缓冲法中得到更接近真实值的定位结果。由于缓冲法实现了GPS定位数据和惯性传感器数据之间的同步，因此与传播法相比，可知与真实值的误差较小。
图5(b)表示高度方向上的移动。横轴表示时间(时间(time)[sec])，纵轴表示高度[m]。如真实值表示，图5(b)示出了移动体在40[sec]期间移动到高度770[m]后继续水平移动的例子。如图5(b)所示，对于每个经过时间的高度变化，在传播法中，相对于任意的经过时间都得到高度变高的定位结果，在缓冲法中，可以得到与真实值大致一致的定位结果。
接着，对推断出的惯性传感器的偏离误差进行说明。
图6是示出惯性传感器的偏离误差的曲线图。具体来说，示出了使用扩展卡尔门滤波器对在当前时刻被同步的定位结果、时刻信息进行耦合处理而推断出的惯性传感器的偏离误差。作为惯性传感器，例示了使用3轴加速度传感器的情况，当设水平方向为X轴、Y轴，高度方向为Z轴时，各曲线表示X方向加速度(AccX)、Y方向加速度(AccY)、Z方向加速度(AccZ)的偏离误差。横轴为经过时间(时间[sec])，纵轴为偏离误差[m/s/s]。图6(a)是利用缓冲法的3轴加速度偏离的推断值，图6(b)是利用传播法的3轴加速度偏离的推断值。
增加后的加速度偏离在X轴、Y轴大致为0.04m/s/s，在Z轴大致为-0.04m/s/s。根据如图6(b)所示的结果可知，在传播法中，由于没有取得GPS定位数据和惯性传感器的定位数据的同步的影响，因此导致X轴方向的加速度偏离从170[sec]附近偏移量变大。该位置是移动体转换了方向的位置，其示出了通过进行方向转换，X轴方向的加速度偏离的推断误差变大。另一方面，在如图6(a)所示的缓冲法中，由于取得了GPS定位数据和惯性传感器的定位数据的同步，因此加速度偏离的推断误差也变小，从而能够进行正确的推断。
如上所述，根据缓冲法，能够在惯性传感器进行定位计算的同时，缓冲惯性数据以及定位结果，在得到GPS定位结果的时刻，将GPS定位结果的时刻信息和缓冲部13中的惯性传感器的定位结果的时刻信息进行比较，对具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果进行同步处理，从而能够正确地推断位置误差、速度误差、姿势误差、以及惯性传感器的偏离误差。
此外，通过将对具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果进行耦合处理而得到的误差信息还反馈至惯性传感器的当前时刻的定位结果，从而能够实时提供更加正确的定位信息。
并且，将对具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果进行耦合处理而得到的惯性传感器的偏离误差信息用于惯性传感器数据的偏离校正，从而能够得到更加正确的加速度数据、角速度数据，且能够使定位结果的精度提高。
此外，将对具有相同时刻信息的GPS定位结果和惯性传感器的定位结果进行耦合处理而得到的误差信息还反馈至已缓冲后的惯性传感器的定位结果，从而能够校正定位结果的误差。因此，在可以得到正确的误差信息的时刻，不需要再次积分过去的传感器数据，从而能够大幅度地减少计算负荷。
但是，作为惯性传感器，虽然能够小型化、轻量化、低成本，但是存在偏离误差以及随机偏差(random drift)较大的MEMS传感器。即使在使用这样的MEMS传感器的情况下，也能够根据缓冲法进行高精度的移动体的定位。
此外，在上述实施方式中，虽然已经对以GPS作为卫星定位***的情况为例进行了说明，但是当然也可以是WAAS(Wide Area AugmentationSystem，广域增强***)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System，准天顶卫星***)、GLONASS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星***)、GALILEO(伽利略)等其他卫星定位***。

Claims (6)

1.一种定位装置，具备：
使用惯性传感器数据进行定位计算，以计算惯性导航定位结果且对所述惯性导航定位结果附加时刻信息后将其存储在存储部中的单元；
使用GPS定位数据计算GPS定位结果的单元；
进行所述GPS定位结果、和具有与取得所述GPS定位数据的时刻相同的时刻信息并存储于所述存储部中的所述惯性导航定位结果之间的耦合处理的单元；以及
基于通过所述耦合处理得到的位置误差、姿势误差、速度误差、以及所述惯性传感器的偏离误差的信息，校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果的单元。
2.根据权利要求1所述的定位装置，其中，
所述耦合处理包括：对所述惯性导航定位结果以及所述GPS定位结果进行卡尔门滤波处理。
3.根据权利要求1所述的定位装置，其中，
校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果的单元的操作包括：预测所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差，并根据所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差校正所述惯性导航定位结果。
4.根据权利要求1所述的定位装置，其中，
与使用所述GPS定位数据进行GPS定位相比，更高频率地执行使用所述惯性传感器数据进行的定位计算。
5.根据权利要求1所述的定位装置，其中，
所述惯性传感器数据是通过加速度传感器及陀螺传感器中的至少一个计测出的数据。
6.一种定位方法，包括：
使用惯性传感器数据进行定位计算，以计算惯性导航定位结果，且对所述惯性导航定位结果附加时刻信息后存储于存储部中；
使用GPS定位数据计算GPS定位结果；
将所述GPS定位结果、和存储在所述存储部中且具有与取得所述GPS定位数据的时刻相同的时刻信息的所述惯性导航定位结果进行耦合，推断位置误差、姿势误差、速度误差、和所述惯性传感器的偏离误差；以及
基于所述位置误差、姿势误差、速度误差以及所述偏离误差，校正存储在所述存储部中的惯性导航定位结果。
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