CN112254736A - 一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及*** - Google Patents

一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及*** Download PDF

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王已熏
易军
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Abstract

本发明公开了一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及***，该方法包括步骤：在车辆启动、行驶以及停车的过程中采集随时间变化的惯导数据，和随时间变化的里程计数据；根据随时间变化的惯导数据，进行速度更新，找出速度最大值对应的时间戳，作为第一时刻；根据随时间变化的里程计数据，找出速度最大值对应的时间戳，作为第二时刻；将第一时刻与第二时刻之差的绝对值作为时延误差，进行补偿。本发明通过计算惯导速度和里程计速度的最大速度点的时间戳，从而得出二者的时间延时，无需增加硬件资源，可在不增加成本的基础上有效的提高组合导航的精度。

Description

一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及***
技术领域
本发明涉及组合导航领域，尤其涉及一种惯导与自动驾驶车辆上的里程计之间的组合导航的时延误差的补偿方法及***。
背景技术
在自动驾驶车辆上，往往使用惯导与里程计组合来提供更高的导航精度，避免纯惯导误差随时间的增长。惯导与里程计的输出数据由车上的总控计算机采集，然后进行处理，未标定情况下两者存在一定时间延迟，会影响导航精度。
传统的对时延误差的补偿方法主要分为硬件补偿和算法补偿。硬件补偿是增加硬件模块，用脉冲来使两者同步，这种方法需要增加硬件资源，导致线路复杂，并且增加成本；算法补偿使用算法来进行同步，大大增加了计算量与算法复杂度，影响组合导航精度。
另外还有标定的方法，让车从静止启动，从总控计算机采集的数据中分别找到惯导速度和里程计速度不为零的起始点，并将两者的时间戳作差，所得的值即为时延。但里程计对速度不敏感，会出现车动了速度还是零的情况，导致计算误差。
因此需要提出一种经济的、不影响导航精度的时延误差补偿方法。
发明内容
本发明提供了一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及***，用以解决现有对时延误差的补偿方法成本高、导航精度低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，包括以下步骤：
在车辆启动、行驶以及停车的过程中采集随时间变化的惯导数据，和随时间变化的里程计数据；
根据随时间变化的惯导数据，进行速度更新，找出速度最大值对应的时间戳，作为第一时刻；
根据随时间变化的里程计数据，找出速度最大值对应的时间戳，作为第二时刻；
将第一时刻与第二时刻之差的绝对值作为时延误差，进行补偿。
优选地，根据随时间变化的惯导数据，进行速度更新，计算公式为：
Figure BDA0002683590270000011
其中，
Figure BDA0002683590270000012
和
Figure BDA0002683590270000013
分别为tm-1和tm时刻的惯导速度，
Figure BDA0002683590270000014
和
Figure BDA0002683590270000015
分别为时间段T＝tm-tm-1内导航系比力速度增量和有害加速度的速度增量。
优选地，
Figure BDA0002683590270000021
符合以下公式：
Figure BDA0002683590270000022
其中，
Figure BDA0002683590270000023
表示tm-1/2时刻地球自转引起的导航系旋转；
Figure BDA0002683590270000024
表示tm-1/2时刻惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；
Figure BDA0002683590270000025
表示tm-1/2时刻的惯导***的速度；
Figure BDA0002683590270000026
为tm-1/2时刻的重力加速度，且有tm-1/2＝(tm-1+tm)/2，用tm-1/2时刻的值近似替代tm时刻的值。
优选地，惯导***的相关参数随着时间更新，更新公式为：
Figure BDA0002683590270000027
其中，x可取
Figure BDA0002683590270000028
vn,gn四种变量，
Figure BDA0002683590270000029
为地球自转引起的导航系旋转；
Figure BDA00026835902700000210
为惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；vn为惯导***的速度；gn为重力加速度，下标tm-1/2，m-1，m-2分别表示时刻。
优选地，
Figure BDA00026835902700000211
的计算公式如下：
Figure BDA00026835902700000212
其中，
Figure BDA00026835902700000213
表示tm-1时刻惯导从导航系到本体系的姿态矩阵；
Figure BDA00026835902700000214
为tm-1/2时刻导航系相对于惯性系的旋转，
Figure BDA00026835902700000215
包含两部分：地球自转引起的导航系旋转，以及***在地球表面附近移动因地球表面弯曲引起的导航系旋转，即有
Figure BDA00026835902700000216
Figure BDA00026835902700000217
为因比力方向在空间旋转变化引起的速度的旋转误差补偿量；且，
Figure BDA00026835902700000218
其中，Δθm表示陀螺采样角增量；且，Δθm＝Δθm1+Δθm2 (6)
其中，Δθm1为前一次采样的角增量，Δθm2为后一次采样的角增量；
Figure BDA0002683590270000031
为划桨误差补偿量；且，
Figure BDA0002683590270000032
Δvm为加速度计采样比力速度增量；且，
Δvm＝Δvm1+Δvm2 (5)
其中，Δvm1前一次采样的速度增量，Δvm2为后一次采样的速度增量。
优选地，加速度计采样比力速度增量和陀螺采样角增量，通过以下步骤得到：
当陀螺仪和加速度计在[tm-1,tm]内均进行两次等间隔采样，采样时刻分别为tm-1/2和tm，且记T＝tm-tm-1和h＝T/2，则可得采样增量：
Figure BDA0002683590270000033
其中，
Figure BDA0002683590270000034
为陀螺仪输出的角速率；
Figure BDA0002683590270000035
为加速度计输出的比力，τ为时间变量。
本发明还提供一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及***，通过计算惯导速度和里程计速度的最大速度点的时间戳，从而得出时间延时，无需增加硬件资源，可在不增加成本的基础上有效的提高组合导航的精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，包括以下步骤：
S1、在车辆启动、行驶以及停车的过程中采集随时间变化的惯导数据，和随时间变化的里程计数据。实施时，为了获取准确的数据，通常需要进行准备步骤、跑车步骤以及测量步骤。准备步骤为：将惯导、里程计和总控计算机与车子固联，电源给其供电，保证总控机能采集到包含时间戳的惯导和里程计的数据；跑车步骤表示完成至少一个阶段：车辆启动、行驶并停车，在此过程中确保车辆有一定速度变化；测量步骤为待车子开启时开始采集惯导和里程计的数据，待数据采集完毕后，进入下一步骤以根据测量得到的里程计与惯导的数据的计算时延。
S2、根据随时间变化的惯导数据，进行速度更新，找出速度最大值对应的时间戳，作为第一时刻t1。实施时，可通过以下步骤进行：
根据随时间变化的惯导数据，进行速度更新，计算公式为：
Figure BDA0002683590270000041
其中，
Figure BDA0002683590270000042
和
Figure BDA0002683590270000043
分别为tm-1和tm时刻的惯导速度，
Figure BDA0002683590270000044
和
Figure BDA0002683590270000045
分别为时间段T＝tm-tm-1内导航系比力速度增量和有害加速度的速度增量。
对运载体而言，在短时间[tm-1,tm]内
Figure BDA0002683590270000046
引起的导航坐标系旋转和重力矢量变化都是很小的，因而一般认为
Figure BDA0002683590270000047
的被积函数是时间的缓慢量，可采用tm-1/2＝(tm-1+tm)/2时刻的值进行近似代替，故
Figure BDA0002683590270000048
符合以下公式：
Figure BDA0002683590270000049
其中，
Figure BDA00026835902700000410
表示tm-1/2时刻地球自转引起的导航系旋转；
Figure BDA00026835902700000411
表示tm-1/2时刻惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；
Figure BDA00026835902700000412
表示tm-1/2时刻的惯导***的速度；
Figure BDA00026835902700000413
为tm-1/2时刻的重力加速度。
tm时刻的导航速度和位置等参数是未知的，惯导***的相关参数随着时间更新，更新公式为：
Figure BDA00026835902700000414
其中，x可取
Figure BDA0002683590270000051
vn,gn四种变量；下标tm-1/2，m-1，m-2分别表示时刻，xm-1/2为tm时刻的导航位置；xm-1为tm-1时刻的导航位置；xm-2为tm-2时刻的导航位置；
Figure BDA0002683590270000052
为地球自转引起的导航系旋转；
Figure BDA0002683590270000053
为惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；vn为惯导***的速度；gn为重力加速度，且有tm-1/2＝(tm-1+tm)/2，用tm-1/2时刻的值近似替代tm时刻的值。
捷联惯导姿态矩阵和比力都有可能随时间快速变化，
Figure BDA0002683590270000054
的计算公式如下：
Figure BDA0002683590270000055
其中，
Figure BDA0002683590270000056
表示tm-1时刻惯导从导航系到本体系的姿态矩阵；
Figure BDA0002683590270000057
为tm-1/2时刻导航系相对于惯性系的旋转，
Figure BDA0002683590270000058
包含两部分：地球自转引起的导航系旋转，以及***在地球表面附近移动因地球表面弯曲引起的导航系旋转，即有
Figure BDA0002683590270000059
Δvm为加速度计采样比力速度增量；且，
Δvm＝Δvm1+Δvm2 (5)
其中，Δvm1前一次采样的速度增量，Δvm2为后一次采样的速度增量。
Δθm表示陀螺采样角增量；且，Δθm＝Δθm1+Δθm2 (6)
其中，Δθm1为前一次采样的角增量，Δθm2为后一次采样的角增量。若陀螺仪和加速度计在[tm-1,tm]内均进行两次等间隔采样，采样时刻分别为tm-1/2和tm，且记T＝tm-tm-1和h＝T/2，则可得采样增量：
Figure BDA00026835902700000510
其中，
Figure BDA00026835902700000511
为陀螺仪输出的角速率；
Figure BDA00026835902700000512
为加速度计输出的比力，τ为时间变量。
Figure BDA0002683590270000061
为因比力方向在空间旋转变化引起的速度的旋转误差补偿量；且，
Figure BDA0002683590270000062
Figure BDA0002683590270000063
为划桨误差补偿量；且，
Figure BDA0002683590270000064
S3、根据随时间变化的里程计数据，找出速度最大值对应的时间戳，作为第二时刻t2；
S4、将第一时刻与第二时刻之差的绝对值作为时延误差Δt＝|t1-t2|，对Δt进行补偿。
作为另一个实施方式，本发明还提供一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。
综上可知，本发明的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法及***，通过计算惯导速度和里程计速度的最大速度点的时间戳，从而得出时间延时，无需增加硬件资源，可在不增加成本的基础上有效的提高组合导航的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
在车辆启动、行驶以及停车的过程中采集随时间变化的惯导数据，和随时间变化的里程计数据；
根据所述随时间变化的惯导数据，进行速度更新，找出速度最大值对应的时间戳，作为第一时刻；
根据所述随时间变化的里程计数据，找出速度最大值对应的时间戳，作为第二时刻；
将所述第一时刻与第二时刻之差的绝对值作为时延误差，进行补偿。
2.根据权利要求1所述的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，所述根据所述随时间变化的惯导数据，进行速度更新，计算公式为：
Figure FDA0002683590260000011
其中，
Figure FDA0002683590260000012
和
Figure FDA0002683590260000013
分别为tm-1和tm时刻的惯导速度，
Figure FDA0002683590260000014
和
Figure FDA0002683590260000015
分别为时间段T＝tm-tm-1内导航系比力速度增量和有害加速度的速度增量。
3.根据权利要求2所述的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002683590260000016
符合以下公式：
Figure FDA0002683590260000017
其中，
Figure FDA0002683590260000018
表示tm-1/2时刻地球自转引起的导航系旋转；
Figure FDA0002683590260000019
表示tm-1/2时刻惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；
Figure FDA00026835902600000110
表示tm-1/2时刻的惯导***的速度；
Figure FDA00026835902600000111
为tm-1/2时刻的重力加速度，且有tm-1/2＝(tm-1+tm)/2，用tm-1/2时刻的值近似替代tm时刻的值。
4.根据权利要求3所述的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，所述惯导***的相关参数随着时间更新，更新公式为：
Figure FDA00026835902600000112
其中，x可取
Figure FDA00026835902600000113
vn,gn四种变量，
Figure FDA00026835902600000114
为地球自转引起的导航系旋转；
Figure FDA00026835902600000115
为惯导***在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转；vn为惯导***的速度；gn为重力加速度，下标tm-1/2，m-1，m-2分别表示时刻。
5.根据权利要求3所述的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002683590260000021
的计算公式如下：
Figure FDA0002683590260000022
其中，
Figure FDA0002683590260000023
表示tm-1时刻惯导从导航系到本体系的姿态矩阵；
Figure FDA0002683590260000024
为tm-1/2时刻导航系相对于惯性系的旋转，
Figure FDA0002683590260000025
包含两部分：地球自转引起的导航系旋转，以及***在地球表面附近移动因地球表面弯曲引起的导航系旋转，即有
Figure FDA0002683590260000026
Figure FDA0002683590260000027
为因比力方向在空间旋转变化引起的速度的旋转误差补偿量；且，
Figure FDA0002683590260000028
其中，Δθm表示陀螺采样角增量；且，Δθm＝Δθm1+Δθm2 (6)
其中，Δθm1为前一次采样的角增量，Δθm2为后一次采样的角增量；
Figure FDA0002683590260000029
为划桨误差补偿量；且，
Figure FDA00026835902600000210
Δvm为加速度计采样比力速度增量；且，
Δvm＝Δvm1+Δvm2 (5)
其中，Δvm1前一次采样的速度增量，Δvm2为后一次采样的速度增量。
6.根据权利要求5所述的惯导与里程计组合导航的时延误差的补偿方法，其特征在于，所述加速度计采样比力速度增量和陀螺采样角增量，通过以下步骤得到：
当陀螺仪和加速度计在[tm-1,tm]内均进行两次等间隔采样，采样时刻分别为tm-1/2和tm，且记T＝tm-tm-1和h＝T/2，则可得采样增量：
Figure FDA0002683590260000031
其中，
Figure FDA0002683590260000032
为陀螺仪输出的角速率；
Figure FDA0002683590260000033
为加速度计输出的比力，τ为时间变量。
7.一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至6中任一所述方法的步骤。
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