专利名称：用于对位置测量装置中的漂移进行补偿的方法
用于对位置测量装置中的漂移进行补偿的方法本发明涉及一种用于对包括陀螺仪的位置测量装置中的漂移进行补偿的方法。例如，在卫星天线对可移动物体，例如大船和其他漂浮或飞行船舶，或者陆地上的船舶等进行定位的过程中，已知的是用陀螺仪来指引卫星天线，即使在船舶相对于水平面和铅垂线移动时陀螺仪也一直指向所需卫星。包括陀螺仪的位置测量装置中的存在一个问题是陀螺仪通常会逐渐漂移。已知的是使用低通过滤加速计信号来补偿该陀螺仪漂移。瑞典专利号SE531778、美国专利号US6588117及弘S K (Hong, S K)的文章:“用于无人驾驶飞行器(UAV)的、基于模糊逻辑的闭环捷联航姿系统(Fuzzy logic basedclosed-loop strap down attitude system for unmanned aerial vehicle (UAV))，，麻吉玛的文章，关于技术和自动化的第五次国际会议(2005年10月)，网址:http://icta05.teithe.gr/index.php，都描述了用于对各种可移动船舶例如小船和飞机等进行该陀螺仪补偿的方法。所有这些方法都基于以下假设:船舶在操作时围绕固定的平衡位置转动或旋转，在该平衡位置船舶处于有效运转位置；从加速计输出的信号可以经过低通过滤，因此所述旋转产生的噪音被消除；以及所得的低通过滤信号因此可以用于对陀螺仪进行漂移补偿。以上所述的瑞典专利没有考虑到例如大船的不同类型的振动具有不同的典型频率，其中这些振动中的一部分的频率可能远远低于其他振动。然而，船舶的某些运动，其周期大于所述低通过滤的截止频率，将不会被低通过滤消除。例如，长周期的运动包括小船经历的海洋升沉、持续的加速度、减速度和转弯。以上美国专利和文章都涉及了这样的问题，即它们不能以令人满意的方式应付船舶的垂直平移运动。本发明解决了上述描述的问题。因此，本发明涉及一种用于对安装在船舶上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，所述船舶在操作过程中至少发生以船舶在操作时假定的平衡位置为中心的旋转运动和垂直平移运动，所述旋转运动围绕一个或多个轴进行，所述一个或多个轴在所述平衡位置时是水平的，其中船舶进一步包括至少一个用于测量船舶围绕轴的旋转的陀螺仪和一个用于测量船舶沿三个方向的加速度的三轴加速计，所述三个方向一起跨越三维空间，其中从陀螺仪输出的信号经过低通过滤，从而获得低通过滤陀螺仪信号，其中倾斜信号由加速计的测量值组成或由加速计的测量值计算得到，所述倾斜信号表示船舶围绕所述轴的旋转，其经过低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号，其中控制器用于对从陀螺仪输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值。本发明的特征在于:倾斜信号的低通过滤的截止频率经选择使得它大于垂直平移运动的至少一个典型振荡周期；总力矢量基于加速计(20)的三个测量值来计算，其中总力矢量表示船舶(I)的总加速度；以及倾斜信号基于所述总力矢量来计算。在下文中，将参照本发明的示例性实施例和附图对本发明进行详细描述，在附图中:
图1所示为涉及有船舶的坐标系；以及图2所示为描述根据本发明的方法的方框图。在图1中，所示坐标系涉及船舶I，例如大船。在图1中，Y轴从船舶起垂直指向上，Z轴处于船舶的纵轴上向前的方向，X轴垂直穿过船舶的纵轴。当船舶斜着滚动时，它围绕Z轴在旋转方向Θ上旋转。当船舶在纵向上俯仰时，它围绕X轴在旋转方向Φ上旋转。当船舶改变航向时，它围绕Y轴在旋转方向ψ上旋转。可以意识到，相同的坐标系可以用于其他类型的漂浮或飞行船舶，或者陆地上的船舶，例如，其他类型的小船、飞机、直升机、汽车等等，它们围绕平衡位置运动，在该平衡位置处船舶处于垂直位置。在操作过程中，船舶I发生旋转运动，该旋转运动以垂直平衡位置为中心，其中船舶在图1中示出。旋转运动围绕一个或多个轴进行，这些轴在平衡位置时是水平的，即文中实例中的滚动方向Θ和俯仰方向Φ。此外，在操作过程中，船舶I发生垂直平移运动，即在垂直方向Y上的运动。对于这样的运动，根据本发明的方法获得了令人满意的结果，当船舶在方向Ψ、X和Z上运动时，所述方法还可以实施，例如下文中描述)，用于获得令人满意的陀螺仪漂移补偿。图2所示为描述根据本发明的方法的方框图。陀螺仪50对船舶I在旋转方向Θ和Φ中至少一个方向上瞬时的相对旋转进行测量，优选的是在所有旋转方向Ψ、Θ和φ上，图2中所示为后一种情况。陀螺仪50优选地对同一个点的实测角进行测量，且优选在一个单元中包括三轴陀螺仪。陀螺仪50固定安装在船舶I上，其中该陀螺仪被布置成位置测量装置的一部分，优选地用于确定船舶I相对于位置已知的某物体，例如卫星的位置。本文中船舶I的位置表示其相对于该位置已知物体的角坐标，并且还可能是地理位置以及相对于该物体海平面以上的海拔。此外，船舶I包括固定安装的三轴加速计20，用于测量船舶I沿着三个方向的加速度。优选的是这些方向是正交的，且优选的是它们平行于轴χ、γ和Z。然而，只要三个方向不在同一平面内，根据本发明的方法就`适用，因为这样它们一起跨越三维空间。优选的是加速计20经布置以测量单个点在不同方向上的加速度。合适的陀螺仪的实例为KVH工业公司以商标名KVH DSP-3000出售的陀螺仪。合适的加速计的一项实例为瑞士日内瓦的意法半导体公司在市场上出售的加速计。该加速计用适于当前应用的频率进行采样，优选在5次每秒与50次每秒之间。构成陀螺仪50的输出信号的瞬时测定的角度Ψ、Θ和φ中的每一者在各自的低通过滤步骤51、52、53中进行低通过滤，因此可针对每个角度值获得低通过滤陀螺仪信号。由加速计20瞬时测定的值被发送到计算�？�23，该计算�？楦菰ざǖ某９婧鼺，基于加速计20测定的值来计算倾斜角。可以意识到，在加速计20将已经计算的倾斜信号作为输出值进行递送时，类似的方法是适用的，因此从加速计20输出的信号可以分成各部分，这些部分随后可以用于进一步的方法步骤中。在下文中，所描述的加速计在每个轴向上对单独的输出信号进行递送。所述倾斜信号经布置以表示船舶I围绕上述水平滚动轴Θ和俯仰轴φ中至少一者的旋转，并且所述预定的函数F由矩阵变换和几何计算构成，所述矩阵变换和几何计算接收加速计20的输出值作为输入参数。所计算的倾斜信号随后在各个低通过滤步骤24、25中进行低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号。
此外，各个控制器54、55、56经布置以对来自陀螺仪50的、关于每个角度值Ψ、Θ和Φ的各个输出信号中的至少一者进行补偿，所述角度值由陀螺仪50测量得到，优选是对所有这些输出信号进行补偿，使得陀螺仪50的漂移被消除且旋转值变得正确可靠。控制器54、55、56可以实施为分立的部件或在同一个控制器中由不同的功能器件组成实现。所述补偿是基于两个低通过滤信号之间的差值，所述低通过滤信号一方面来自陀螺仪50，另一方面来自加速计20。如上所述，船舶I的旋转运动同时由加速计20和陀螺仪50来测量。如在上述瑞典专利号SE531778中更详细描述，陀螺仪适于测量小的相对角变化，但是遇到陀螺仪随时间漂移的问题，这将会使绝对角度的测量不可靠。另一方面，加速计适于在静态条件下测量绝对角度，但在另一方面不太适于测量动态条件下的变化，并且对于会干扰绝对角度变化测量的平移加速度非常敏感。因此，各个控制器54、55、56可首先接收来自加速计20的低通过滤信号作为输入值，其次接收来自陀螺仪50的经低通过滤，漂移补偿(见下文)的信号，这两个信号表示围绕同一轴的旋转。基于这两个信号，控制器54、55、56随后计算补偿信号，所述补偿信号在各个添加�？�57、58、59中被添加到各个陀螺仪轴的瞬时值中。因此，添加�？�57、58、59的各个输出值构成各个低通过滤器51、52、53的输入参数和最终经漂移补偿的陀螺仪值Ψ、Θ和φ。由于船舶I在方向Θ和φ上的旋转运动以所述平衡位置为中心，因此来自加速计20的关于这些旋转的低通过滤倾斜值构成了一个非常准确的值，这些值用于表示有关船舶的平衡位置相对于加速计20安装方向的倾斜。对于陀螺仪50也是如此。因而，这两个信号之间的负差大致上构成合适的补偿信号，该补偿信号可以用于连续地校准陀螺仪50的瞬时信号。然而，优选的是各个控制器54、55、56实施合适校准的PID类型的控制算法，例如ro类型的算法。优选的是加速计信号的低通过滤和陀螺仪信号的低通过滤都具有相同的截止频率，从而针对不同典型频率的船舶I的运动均获得好的结果。对于船舶I围绕上述平衡位置振荡的运动而言，只要围绕平衡位置的振荡频率充分大于上述加速计信号的低通过滤的截止频率，上述类型的补偿就会起作用。对于较低频率的运动而言，所述结果通常不令人满意，因为在这种情况下低通过滤加速计信号包括长周期噪声，该噪声会影响陀螺仪漂移补偿。如果所选择的倾斜信号的低通过滤的截止频率足够低以赶上同样低频的运动并与之持平，那么在另一方面陀螺仪补偿的减速度会太长，从而在许多应用中不能获得足够准确的结果，例如在水上、在海上或当船舶在不平坦的陆地上移动时。根据本发明，倾斜信号的低通过滤的截止频率因此经选择使得其大于垂直平移运动的至少一个典型周期。换句话说，所述截止频率经选择使得其大于具有最长周期的运动的频率，所述具有最长周期的运动对于垂直平移运动而言是典型的。该截止频率的选择同时提供足够快的响应时间，因为较长周期的垂直平移运动可以根据下文所描述的内容得到补偿。根据尤其优选的实施例，所述截止频率进一步经选择使得其低于船舶I在不改变航向的直行方向上正常移动过程中围绕上述平衡位置的转动的典型周期。
低频干扰运动通常且尤其出现在海洋应用中，但也出现在空中和陆地上，它的一种类型为船舶I的垂直平移运动。对于低频干扰运动而言，在海上，其由相对较慢的海洋升沉构成；在空中，由海拔变化构成；在陆地上，由海平面以上的陆地海拔变化构成。根据本发明，模块23基于加速计20的三个测量值X、Y、Z计算总力矢量，其中总力矢量表示船舶I的总瞬时加速度，其包括重力加速度以及由船舶1的运动导致的任何额外施加的加速度。随后，�？�23基于所计算的总力矢量来计算倾斜信号，例如根据如下:
权利要求
1.一种用于对安装在船舶(1)上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，(50)其中船舶在操作过程中至少发生 旋转运动，该运动以船舶(1)在操作过程中假定的平衡位置为中心，其中旋转运动围绕一个或多个轴(X、Z)进行，所述一个或多个轴(X、Z)在所述平衡位置时是水平的，以及 垂直平移运动， 其中船舶(1)进一步包括用于对所述船舶(1)围绕轴(x、Y、z)的旋转进行测量的至少一个陀螺仪(50)和用于测量所述船舶(1)沿着三个方向(X、Y、Ζ)的加速度的三轴加速计(20)，所述三个方向(X、Y、Ζ)—起跨越三维空间，其中从所述陀螺仪(50)输出的信号经过低通过滤，从而获得低通过滤陀螺仪信号，其中倾斜信号由所述加速计(20)的测量值组成或由所述加速计(20)的测量值计算得到，所述倾斜信号表示所述船舶(I)围绕所述轴(X、Υ、Ζ)的旋转，其经过低通过滤，从而获得低通过滤倾斜信号，其中控制器(51、52、53)用于对从所述陀螺仪(50)输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值，其特征在于以下项的组合: 首先，所述倾斜信号的所述低通过滤的截止频率经选择使得其大于所述垂直平移运动的至少一个典型的振荡频率且同时小于所述旋转运动的典型频率， 第二，总力矢量基于所述加速计(20)的所述三个测量值来计算，其中总力矢量表示所述船舶(I)的总加速度，以及 第三，所述倾斜信号基于所述总力矢量来计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述倾斜信号的值之前，所述加速计(20)的测量值连续地经调整使得其被补偿的量为所述船舶(I)的可能已知加速度，所述可能已知加速度是通过所述船舶(I)的操纵控制而瞬时获得的，所述补偿的方法是从所述加速计(20)的所述测量值中减去该已知加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述加速计(20)的所述测量值连续地经调整使得其被补偿的量为某一已知加速度，所述已知加速度的形式为船舶(I)移动方向(Z)上可能的线性加速度或减速度，且速度计(30、40)连续地对所述船舶(I)的速度进行测量，以及该加速度或减速度基于相同的速度进行计算且随后从所述加速计(20)的所述测量值中减去，所述测量值由此被调整。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述加速计(20)的所述测量方向(X、Y、Ζ)中的一个测量方向与船舶(I)的纵轴方向一致，以及所述加速计(20)的所述测量值被补偿的量为所述船舶(I)的速度变化所引起的所述已知加速度，补偿的方法是从所述加速计(20)在所述船舶(I)的所述纵轴方向上的所述已知测量值中减去所述测定的已知加速度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于所述加速计(20)的所述测量值连续地经调整使得其被补偿的量为某一已知加速度，所述已知加速度的形式为所述船舶(I)的偏航所引起的、垂直于所述船舶(I)移动方向(Z)的可能离心力，且速度计(30、40)连续地对所述船舶(I)的速度进行测量，且在偏航平面内所述船舶(I)的单位时间旋转被测量，以及所述已知加速度基于所述速度和单位时间旋转来计算并且随后从所述加速计(20)的所述测量值中减去，所述测量值由此被调整。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述加速计(20)的所述测量方向(Χ、Υ、Ζ)中的一个测量方向经布置在水平面内并且垂直于所述船舶(I)的移动方向(Ζ)，以及所述加速计(20)的所述测量值被补偿的量为作用于所述船舶(I)上的离心力所引起的所述已知加速度，补偿的方法是从所述加速计(20)在垂直于所述船舶(I)的所述纵轴方向(Z)上的所述测量值中减去所述测定的已知离心力。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述单位时间旋转基于所述陀螺仪(50)的所述测量值来计算。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于所述船舶(I)的速度基于所述船舶(I)上的现有测速器(40)、GPS接收器(30)等仪器的测量值来连续地计算。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪(50)经布置以测量所述船舶(I)围绕一个轴的旋转，所述轴平行于所述船舶的所述纵轴方向(Z)，且所述陀螺仪(50)的漂移是使用所述低通过滤倾斜信号来补偿的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪(50)经布置以测量所述船舶(I)围绕一个轴的旋转，所述轴垂直于所述船舶(I)的移动方向(Z)且当所述船舶(I)处于所述平衡位置时还垂直于铅垂线，且所述陀螺仪(50)的漂移是使用所述低通过滤倾斜信号来补偿的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于陀螺仪(50)经布置以测量所述船舶(I)围绕一个轴(Y)的旋转，当所述船舶(I)处于所述平衡位置时所述轴(Y)平行于所述铅垂线，且所述陀螺仪(50)的漂移是使用来自所述船舶(I)上现有罗盘(10)的低通过滤倾斜信号来补偿的。
12.根据前 述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所有的低通过滤都具有相同的截止频率。
全文摘要
一种用于对安装在船舶(1)上的位置测量装置的漂移进行补偿的方法，所述船舶在操作过程中至少发生围绕水平轴(X、Z)的旋转运动和垂直平移运动，所述水平轴以一个平衡位置为中心，所述船舶包括用于对所述船舶围绕轴(X、Y、Z)的旋转进行测量的一个陀螺仪(50)和用于对所述船舶沿着三个方向的加速度进行测量的三轴加速计(20)，其中从所述陀螺仪输出的信号经过低通过滤，其中倾斜信号基于所述加速计的测量值来计算并且经过低通过滤，其中控制器(51、52、53)用于对从所述陀螺仪输出的关于陀螺仪漂移的信号进行补偿，所述补偿基于两个低通过滤信号之间的差值。本发明的特征在于所述倾斜信号的所述低通过滤的截止频率经选择使得它大于所述平移运动的典型振荡频率但小于所述旋转运动的典型振荡频率，且总力矢量基于所述加速计的三个测量值来计算并且表示所述船舶的总加速度，以及所述倾斜信号基于所述总力矢量来计算。
文档编号G01C21/16GK103109159SQ201180037067
公开日2013年5月15日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年7月29日
发明者斯文-阿克·埃里克森 申请人:C2Sat通讯公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
