СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОЗНАЧНОГО КУРСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING UNAMBIGUOUS HEADING DIRECTION OF VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Группа изобретений относится к способу и системе определения однозначного курса транспортного средства. В частности, группа изобретений относится к определению состояния переднего или заднего хода транспортного средства путем использования однозначного курса транспортного средства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Знание того, движется ли транспортное средство вперед или назад (состояние переднего или заднего хода), необходимо для работы автоматических систем управления транспортных средств. Например, поворот колес, предназначенный изменить курс транспортного средства влево, если транспортное средство движется вперед, приведет к повороту транспортного средства вправо, если транспортное средство на самом деле движется задним ходом. Правильное состояние переднего или заднего хода, следовательно, является критически важными данными для безопасной и эффективной работы автоматической системы управления.
Существует несколько известных систем определения состояния переднего или заднего хода. В их число входят датчик трансмиссии транспортного средства, как описано в US 7451029, и система определения направления, описанная в EP 1787889, использующая скорость поворота относительно вертикальной оси и изменение положения рулевого управления. Применение датчика трансмиссии транспортного средства имеет тот недостаток, что транспортное средство может какое-то время еще двигаться вперед, когда задняя передача уже включена. Возможность использования скорости поворота относительно вертикальной оси и изменения положения рулевого управления зависит от точности датчиков скорости поворота относительно вертикальной оси и положения рулевого управления.
Некоторые известные системы используют сигналы как от блока инерциальных измерений (Inertial Measurement Unit - IMU), так и от глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS), например приемника GPS, установленного на транспортное средство, для определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства. Блок инерциальных измерений обеспечивает данные о курсе по блоку инерциальных измерений транспортного средства, а приемник GPS - направление движения для транспортного средства. Курс транспортного средства есть направление ориентации передней части транспортного средства. Если курс по блоку инерциальных измерений и направление движения транспортного средства противоположны друг другу, определяется, что транспортное средство движется задним ходом. Напротив, если курс по блоку инерциальных измерений и направление движения транспортного средства совпадают, определяется, что транспортное средство движется вперед.
Для блока инерциальных измерений может требоваться грубая выставка при пуске, и типичный способ грубой выставки - использование первого направления движения по GPS для транспортного средства как курса транспортного средства. Курс по блоку инерциальных измерений при грубой выставке таким образом принимается равным направлению движения по GPS при пуске. Первым действием транспортного средства при пуске часто бывает выезд транспортного средства задним ходом из гаража или ангара, что приводит к отличию грубой выставки блока инерциальных измерений приблизительно на 180° от истинного курса транспортного средства. Могут быть и другие причины, вследствие которых грубая выставка блока инерциальных измерений оказывается неверной.
Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений в любой момент времени после пуска в общем случае рассчитывается как начальный курс по блоку инерциальных измерений с поправкой на угловое смещение с момента пуска, измеренное по гироскопу блока инерциальных измерений. В рассчитанный неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений обычно вносится поправка рекурсивно в течение множественных периодов дискретизации с использованием величины поправки, определенной вычислением разницы между неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений и направлением движения по GPS. Поправка обычно является произведением константы "А" и величины погрешности выставки. Величина погрешности выставки равна разности неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений и направления движения по GPS. При переходе транспортного средства с переднего хода на задний неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений в общем случае остается без изменений, но направление движения по GPS резко меняется на 180°. Таким образом, при переходе транспортного средства с переднего хода на задний величина погрешности выставки резко изменится на 180°. Большие поправки, вызванные большими значениями величины погрешности выставки, препятствуют точной аппроксимации истинного курса транспортного средства.
Одно из известных решений, чтобы избежать скачка на 180° величины погрешности выставки - обнаружение состояния переднего или заднего хода транспортного средства перед вычислением величины погрешности выставки. Направление движения по GPS, используемое при определении величины погрешности выставки, может быть использовано с поправкой на 180°, если транспортное средство переходит с переднего на задний ход, что позволяет избежать скачка на 180° в величине погрешности выставки. Например, если транспортное средство движется вперед, его неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений и направление движения по GPS обычно различаются всего на несколько градусов, и величина погрешности выставки между ними невелика. Когда транспортное средство начинает двигаться задним ходом, курс по блоку инерциальных измерений и направление движения по GPS, приблизительно противоположны, и величина погрешности выставки близка к 180°. Известное решение, чтобы избежать скачка на 180° величины погрешности выставки - внести поправку в направление движения по GPS на 180° при обнаружении состояния заднего хода транспортного средства перед вычислением величины погрешности выставки. Направление движения по GPS с поправкой и неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений таким образом остаются близкими друг к другу даже в том случае, если транспортное средство движется задним ходом, и величина погрешности выставки остается относительно небольшой. Такое решение полностью зависит от правильного определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства перед расчетом величины погрешности выставки. Как указано выше, состояние переднего или заднего хода не всегда может быть надежно определено. Обнаружение изменений в направлении движения по GPS усложняется на самых малых скоростях из-за большого количества шума в измерении скорости, что может приводить к ошибочному определению направления движения при скорости ниже приблизительно 0,5 км/ч. Для крупных транспортных средств, на которых антенна GPS установлена в нескольких метрах от центра вращения транспортного средства, небольшое изменение во вращение транспортного средства (вследствие неровной местности или движений транспортного средства вследствие применения тормозов и раскачивания на подвеске или шинах) может проявляться как значительное изменение скорости в месте расположения антенны, которое не отражает действительной скорости транспортного средства.
Имеется необходимость в надежном и точном определении состояния переднего или заднего хода для использования в автоматических системах управления.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одной форме изобретение состоит в способе определения однозначного курса транспортного средства, содержащем:
определение величины погрешности выставки как разницы между направлением движения транспортного средства по GNSS и неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений транспортного средства;
внесение поправки в величину погрешности выставки на 180 градусов для удержания ее в предопределенном диапазоне, если несовпадение выходит за пределы предопределенного диапазона;
внесение поправки в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений транспортного средства с использованием величины погрешности выставки;
определение приблизительного совпадения неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений с поправкой на величину погрешности выставки с истинным направлением ориентации передней части транспортного средства или его приблизительной противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства;
вычисление однозначного курса путем изменения неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений с поправкой на величину погрешности выставки на 180 градусов, если неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений приблизительно противоположен истинному направлению ориентации передней части транспортного средства.
Способ предпочтительно содержит определение состояния переднего или заднего хода транспортного средства путем сравнения однозначного курса с направлением движения транспортного средства по GNSS.
Внесение поправки в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений транспортного средства с использованием величины погрешности выставки предпочтительно содержит вычисление неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с использованием величины погрешности выставки.
Однозначный курс предпочтительно рассчитывается как одно из следующих значений:
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений; или
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений, измененный на 180 градусов, если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений определен как приблизительно противоположный истинному направлению ориентации передней части транспортного средства.
Внесение поправки в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений может включать вычисление содержащего поправку направления движения по GNSS с использованием величины погрешности выставки.
Предпочтительно способ содержит констатацию состояния заднего хода транспортного средства в том случае, если однозначный курс приблизительно противоположен направлению движения по GNSS.
Определение приблизительного совпадения неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с истинным направлением ориентации передней части транспортного средства или его приблизительной противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства предпочтительно содержит аппроксимирование истинного курса транспортного средства с использованием одного или более измерений абсолютного курса или измерений относительного движения транспортного средства.
Определение приблизительного соответствия неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений истинному направлению ориентации передней части транспортного средства или его противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства предпочтительно далее содержит сравнение аппроксимированного истинного курса транспортного средства с неоднозначным содержащим поправку курсом по блоку инерциальных измерений.
В другой форме изобретение состоит в способе определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства, содержащем:
получение направление движения по GNSS для транспортного средства от блока GNSS транспортного средства;
получение неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений транспортного средства от блока инерциальных измерений транспортного средства;
определение величины погрешности выставки как разницы между направлением движения по GNSS и неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений;
внесение поправки в величину погрешности выставки на 180 градусов для удержания ее в предопределенном диапазоне, если несовпадение выходит за пределы предопределенного диапазона;
вычисление неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с использованием величины погрешности выставки;
определение приблизительного совпадения неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с истинным направлением ориентации передней части транспортного средства или приблизительной противоположнности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства;
вычисление однозначного курса как одно из следующих значений:
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений; или
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений, измененный на 180 градусов, если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений определен как приблизительно противоположный истинному направлению ориентации передней части транспортного средства; и
сравнение однозначного курса с направлением движения транспортного средства по GNSS, чтобы определить состояние переднего или заднего хода транспортного средства.
Предпочтительно способ включает констатацию состояния заднего хода транспортного средства в том случае, если однозначный курс приблизительно соответствует противоположному направлению по отношению к направлению движения по GNSS.
Определение приблизительного совпадения неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с истинным направлением ориентации передней части транспортного средства или его приблизительной противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства предпочтительно содержит аппроксимирование истинного курса транспортного средства с использованием одного или более измерений абсолютного курса или измерений относительного движения транспортного средства.
Определение приблизительного соответствия неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений истинному направлению ориентации передней части транспортного средства или его приблизительной противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства предпочтительно далее содержит сравнение аппроксимированного истинного курса транспортного средства с неоднозначным содержащим поправку курсом по блоку инерциальных измерений.
В еще одной форме изобретение состоит в способе ограничения величины погрешности выставки, содержащем:
определение величины погрешности выставки как разницы между направлением движения транспортного средства по GNSS и неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений транспортного средства;
внесение поправки в величину погрешности выставки на 180 градусов для удержания ее в предопределенном диапазоне, если ошибка выходит за пределы предопределенного диапазона.
В еще одной форме изобретение состоит в системе для использования в определении однозначного курса транспортного средства, содержащей:
блок GNSS, установленный на транспортное средство, применимый для расчета направления движения транспортного средства;
блок инерциальных измерений, установленный на транспортное средство, применимый для расчета неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений транспортного средства;
обрабатывающий модуль, содержащий процессор, запрограммированный для следующих операций:
определение величины погрешности выставки как разницы между направлением движения по GNSS и неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений;
внесение поправки в величину погрешности выставки на 180 градусов для удержания ее в предопределенном диапазоне, если ошибка выходит за пределы предопределенного диапазона; внесение поправки в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений с использованием величины погрешности выставки,
определение приблизительного совпадения неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений с поправкой на величину погрешности выставки с истинным направлением ориентации передней части транспортного средства или его приблизительной противоположности истинному направлению ориентации передней части транспортного средства; расчет однозначного курса путем изменения неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений на 180 градусов, если неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений приблизительно противоположен истинному направлению ориентации передней части транспортного средства. Процессор предпочтительно программируется на внесение поправки в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений путем вычисления неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с использованием величины погрешности выставки.
Процессор предпочтительно программируется на расчет однозначного курса как одной из следующих величин:
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений; или
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений, измененный на 180 градусов, если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений определен как приблизительно противоположное направление к истинному направлению ориентации передней части транспортного средства.
Процессор предпочтительно программируется, чтобы определить, движется ли транспортное средство передним или задним ходом, путем сравнения однозначного курса с направлением движения транспортного средства по GNSS.
Предопределенный диапазон предпочтительно составляет ≥ -90 градусов и ≤ +90 градусов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Исключительно в качестве примера, предпочтительные варианты осуществления изобретения будут далее описаны более полно с отсылкой к сопровождающим чертежам, где:
Фиг.1 представляет собой схематичный вид сверху транспортного средства, содержащий систему в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг.2 представляет собой общую блок-схему способа определения однозначного курса транспортного средства на Фиг.1 и определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства;
Фиг.3 представляет собой более подробную блок-схему способа определения однозначного курса транспортного средства на Фиг.1 и определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства;
Фиг.4 представляет собой блок-схему способа аппроксимации истинного курса транспортного средства, используемого как исходные данные для способа, проиллюстрированного на Фиг.3.
Фиг.5А представляет собой вид в плане транспортного средства во время грубой выставки блока инерциальных измерений транспортного средства, транспортное средство показано движущимся в южном направлении задним ходом;
Фиг.5В представляет собой вид в плане транспортного средства с Фиг.5А, движущегося вперед в восточном направлении;
Фиг.6А представляет собой вид в плане транспортного средства во время грубой выставки блока инерциальных измерений транспортного средства, транспортное средство показано движущимся вперед в северном направлении;
Фиг.6В представляет собой вид в плане транспортного средства с Фиг.6А, движущегося вперед в восточном направлении;
Фиг.7А представляет собой вид в плане транспортного средства во время грубой выставки блока инерциальных измерений транспортного средства, транспортное средство показано движущимся в южном направлении задним ходом;
Фиг.7В представляет собой вид в плане транспортного средства с Фиг.7А, движущегося задним ходом в западном направлении;
Фиг.8 представляет собой схему, показывающую изменение знака (+ или -) скорости поворота относительно вертикальной оси и боковое ускорение при различных условиях переднего и заднего хода транспортного средства на Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показано транспортное средство 10, включая систему обнаружения состояния переднего или заднего хода 12, предназначенную для определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства. Чтобы определить состояние переднего или заднего хода, система 12 определяет однозначный курс транспортного средства 10. Система 12 содержит блок глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS) 14, модуль инерциальных измерений (Inertial Measurement Unit) 16 и обрабатывающий модуль 18. Обрабатывающий модуль 18 поддерживает связь с блоком GNSS 14 и блоком инерциальных измерений 16.
Блок GNSS 14 использует спутниковые сигналы для расчета скорости и направления движения блока GNSS 14. Блок GNSS 14 обычно представляет собой приемник GPS, использующий спутники GPS для расчета и вывода скорости и направления движения. Блок GNSS 14 установлен на транспортное средство 10. Направление движения блока GNSS 14, следовательно, считается направлением движения транспортного средства 10. Направление движения по GNSS определяется независимо от состояния переднего или заднего хода транспортного средства, так как оно учитывает только относительные изменения положения самой антенны GNSS. Учет только направления движения по GNSS не раскрывает того, является ли скорость, определяемая блоком GNSS 14, скоростью движения транспортного средства 10 передним или задним ходом. Направление движения транспортного средства по GNSS 10 передается в обрабатывающий модуль 18 как входные данные направления движения по GNSS.
Блок инерциальных измерений 16 содержит несколько датчиков для определения ориентации транспортного средства, включая неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений транспортного средства. Курс транспортного средства определяется как ориентация передней части транспортного средства. В число датчиков, как известно, входят гироскопы и акселерометры. Истинный курс транспортного средства 10 указан стрелкой 22 на Фиг.1 и является истинным направлением ориентации передней части транспортного средства. Истинный курс 22 проходит вдоль продольной оси от задней части 24 транспортного средства 10 к передней части 26 транспортного средства 10. Курс транспортного средства 10, аппроксимированный блоком инерциальных измерений 16, передается в обрабатывающий модуль 18 как входные данные неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений. Блок инерциальных измерений 16 всегда оценивает истинный курс 22, независимо от того, движется ли транспортное средство 10 передним или задним ходом. Когда транспортное средство движется задним ходом по прямой линии, направление движения по GNSS и курс по блоку инерциальных измерений приблизительно на 180° противоположны друг другу.
Блок инерциальных измерений 16 нуждается в грубой выставке при пуске транспортного средства 10. Грубая выставка может производиться по первому направлению движения по GNSS транспортного средства 10 или по направлению ориентации передней части транспортного средства по компасу транспортного средства 10. Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений в любой момент времени в общем случае рассчитывается как курс грубой выставки с поправкой на угловое смещение, измеренное по гироскопу на соответствующий момент времени.
Обрабатывающий модуль 18 содержит процессор 20, на котором исполняется программное обеспечение, программирующее процессор 20 для исполнения логических шагов и расчетов. Процессор 20 получает в качестве входных данных направление движения по GNSS и неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений. Процессор 20 использует направление движения по GNSS, неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений и различные другие входные данные и алгоритмы, чтобы определить, движется ли транспортное средство 10 передним или задним ходом.
На Фиг.2 показана базовая блок-схема того, как система 2 определяет однозначный курс транспортного средства с Фиг.1 и определяет, движется ли транспортное средство 10 передним или задним ходом. Шаги на блок-схеме - шаги, исполняемые процессором 20 обрабатывающего модуля 18 транспортного средства 10.
На первом шаге 100 определяется величина погрешности выставки. Величина погрешности выставки есть разница между направлением движения транспортного средства по GNSS и неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений транспортного средства.
На втором шаге 200 в величину погрешности выставки вносится поправка на 180°, чтобы удержать ее в предопределенном диапазоне, если несовпадение курсов выходит за пределы предопределенного диапазона. Если величина погрешности выставки находится в пределах предопределенного диапазона, то поправка в величину погрешности выставки не вносится (либо вносится на величину поправки 0°).
На третьем шаге 300 в неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений транспортного средства 10 вносится поправка с использованием величины погрешности выставки, чтобы определить неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений.
На четвертом шаге 400 определяется, является ли неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений приблизительно истинным направлением ориентации передней части транспортного средства 10 или приблизительно противоположным истинному направлению ориентации передней части транспортного средства 10.
На пятом шаге 500 производится расчет однозначного курса путем изменения неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений на 180 градусов, если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений приблизительно противоположен истинному направлению ориентации передней части транспортного средства 0.
На последнем шаге 600 определяется состояние переднего или заднего хода транспортного средства 10 путем сравнения однозначного курса с направлением движения транспортного средства по GNSS.
Шаги с 100 по 600 описываются подробнее со ссылкой на Фиг.3.
На Фиг.3 показана подробная блок-схема способа определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства 10. Общие шаги с 100 по 600 с Фиг.2 указаны пунктирными прямоугольниками на Фиг.2.
На шаге 100 производится расчет величины погрешности выставки 110.
Процессор 20 рассчитывает величину погрешности выставки как разницу между неразрешенным курсом по блоку инерциальных измерений и направлением движения по GNSS. Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений получается от блока инерциальных измерений 16, а направление движения по GNSS - от блока GNSS 14. Расчет величины погрешности выставки производится по следующей формуле: Величина погрешности выставки = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - направление движения по GNSS.
На шаге 200 в величину погрешности выставки вносится поправка (при необходимости) на 180°, чтобы удержать ее в предопределенном диапазоне между ≥ -90° и ≤ +90°, если несовпадение выходит за пределы этого диапазона. Внесение поправки в величину погрешности выставки для удержания ее в диапазоне от ≥ -90° до ≤ +90° называется ограничением погрешности 210.
Ограничение погрешности 210 логически выражается как:
если несовпадение > +90°, то несовпадение = несовпадение - 180°;
если несовпадение < -90°, то несовпадение = несовпадение + 180°.
Этот расчет может быть выполнен либо итеративно, либо путем использования операции остатка от деления, поскольку оба метода математически эквивалентны.
Ограничение величины погрешности выставки 210 вынуждает величину погрешности выставки всегда находиться в пределах диапазона от ≥ -90° до ≤ +90°. Если до операции ограничения погрешности величина погрешности выставки находится в пределах от > -90° до ≤ +90°, то величина погрешности выставки не изменяется. Важно отметить, что несовпадение ограничивается диапазоном от ≥ -90° до ≤ +90° независимо от того, движется ли транспортное средство 10 передним или задним ходом и независимо от того, обнаружено ли состояние переднего или заднего хода транспортного средства.
На шаге 300 неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений разрешается путем вычисления 310 неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с использованием величины погрешности выставки (с поправкой или без). Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений есть неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений, полученный от блока инерциальных измерений 16, с поправкой на погрешность, т.е.:
неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - А* величина погрешности выставки. В случае дополнительного фильтра А обычно является константой менее 0,1, а в случае фильтра Кальмана значение А изменяется со временем по мере схождения фильтра. Для ясности изложения в данном документе она рассматривается как константа.
Следующий шаг 400 предназначен для того, чтобы определить приблизительное совпадение неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с истинным курсом 22 транспортного средства 10 или с направлением, противоположным истинному курсу 22. Этот шаг содержит фазу сравнения 410 неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений с аппроксимированным истинным курсом 700 транспортного средства 10. Аппроксимированный истинный курс 700 рассчитывается с применением нескольких тестов и датчиков, как описано для Фиг.4. Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений находится в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700 транспортного средства, если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений находится в диапазоне от ≥ -90° до ≤ +90° от аппроксимированного истинного курса 700. Если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений находится вне диапазона от ≥ -90° до ≤ +90° от аппроксимированного истинного курса 700, он находится не в фазе.
Следующий шаг 500 представляет собой вычисление однозначного курса. Расчет однозначного курса зависит от того, находится ли неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700 транспортного средства 10.
Если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений находится в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700, то однозначный курс равен неоднозначному содержащему поправку курсу по блоку инерциальных измерений есть. Это представлено прибавлением 0° к неоднозначному содержащему поправку курсу по блоку инерциальных измерений в шаге 510.
Если неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений не в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700, то однозначный курс есть неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений со смещением на 180°. Это представлено прибавлением 180° к неоднозначному содержащему поправку курсу по блоку инерциальных измерений в шаге 520.
Наконец, однозначный курс сравнивается с направлением движения транспортного средства по GNSS в шаге 600, с тем чтобы определить, движется ли транспортное средство передним или задним ходом. Фаза однозначного курса и направления движения по GNSS сравнивается на шаге 610. Если однозначный курс находится в фазе с направлением движения транспортного средства по GNSS, то транспортное средство движется вперед 620, в ином случае оно движется задним ходом 630.
Способ определения состояния переднего или заднего хода, предлагаемый в настоящем изобретении, избегает больших скачков в величине погрешности выставки и при этом не зависит от определения состояния переднего или заднего хода транспортного средства для коррекции входного значения направления движения по GNSS перед расчетом величины погрешности выставки.
Это достигается ограничением погрешности в шаге 210, в отличие от корректировки направления движения по GNSS для переднего и заднего хода. Предлагаемый способ определения состояния переднего или заднего хода потенциально быстрее, точнее и надежнее, чем известные способы.
На Фиг.4 показана блок-схема 50 того, как аппроксимированный истинный курс 700 рассчитывается путем аппроксимирования истинного курса 22 транспортного средства 10. Аппроксимированный истинный курс 700 может быть рассчитан несколькими способами с применением нескольких датчиков и тестов.
Когда транспортное средство 10 находится в движении со скоростью не ниже определенной величины, направление движения по GNSS 710 может быть использовано как аппроксимированный истинный курс 700, только если состояние переднего или заднего хода может быть надежно известно 100% времени. Поскольку это не может быть гарантировано на основе одних только измерений GNSS, направление движения по GNSS 710 всегда рассматривается как неоднозначное.
Определение состояние переднего или заднего хода транспортного средства 10 для аппроксимирования истинного курса 700 содержит определение средневзвешенного результата нескольких тестов 714-722. Каждый из тестов дает результат "1" для переднего, "0" для неизвестного направления и "-1" для заднего хода. Набор не всегда состоит из полного набора показаний датчиков, и, следовательно, в конструкцию внесен допуск на недостающие показания датчиков, вызванные неисправностью датчиков, неготовностью датчиков или тем, что датчики не установлены в системе.
Тест линейного ускорения 714 сравнивает изменение скорости с изменением показаний встроенного акселерометра, чтобы определить, движется ли транспортное средство 10 передним или задним ходом.
Тест пользовательского интерфейса 716 использует ввод водителя транспортного средства 10, чтобы определить состояние переднего или заднего хода. Предоставляется пользовательский интерфейс, позволяющий водителю указать, движется ли транспортное средство передним или задним ходом.
Тест передачи 718 имеет в качестве входных данных положение рычага коробки переключения передач транспортного средства 10. Рычаг коробки переключения передач может находиться в положение "Передний", "Нейтраль" или "Задний". Если рычаг коробки переключения передач находится в положении "Передний", тест передачи 718 дает результат "1" для переднего хода. Если рычаг коробки переключения передач находится в положении "Задний", тест передачи 718 дает результат "-1 " для заднего хода. Если рычаг коробки переключения передач находится в положении "Нейтраль", тест передачи 718 дает результат "0", что означает неизвестное направление.
Тест угла поворота колес 720 берет скорость транспортного средства 10, измеряемую в коробке передач, радаром скорости относительно грунта или другим датчиком, и угол поворота колес из подсистемы рулевого управления и рассчитывает скорость поворота относительно вертикальной оси исходя из допущения, что транспортное средство движется вперед. Эта расчетная скорость поворота относительно вертикальной оси сравнивается со скоростью поворота относительно вертикальной оси, измеренной по гироскопам транспортного средства, и если эти две величины имеют различные направления, транспортное средство определяется как движущееся задним ходом.
Центробежный тест 722 сравнивает знак (+ или -) скорости поворота относительно вертикальной оси блока инерциальных измерений 16 со знаком (+ или -) бокового ускорение, измеренного акселерометром блока инерциальных измерений 16. Если знаки скорости поворота относительно вертикальной оси и бокового ускорения совпадают, транспортное средство 10 движется вперед. Если знаки скорости поворота относительно вертикальной оси и бокового ускорения различаются, транспортное средство 10 движется задним ходом. На Фиг.8 показано изменение знака в зависимости от движения передним или задним ходом. Скорость поворота относительно вертикальной оси и боковое ускорение при повороте транспортного средства должны быть выше определенного порога, чтобы этот тест учитывался.
Различные тесты 714-722 взвешиваются, чтобы определить состояние переднего или заднего хода транспортного средства 10, и в направление движения по GNSS вносится соответствующая поправка на 180°, если транспортное средство движется задним ходом. Следует заметить, что этот шаг производится существенно позже любых расчетов величины погрешности выставки в блоке инерциальных измерений, и что это содержащее поправку направление движения по GNSS в частности не может использоваться в качестве обратной связи для коррекции погрешности неразрешенного курса по блоку инерциальных измерений.
При определенных обстоятельствах направление по компасу 724, полученное от цифрового компаса транспортного средства, может использоваться для аппроксимирования истинного курса 22. Это так, в частности, для случая низких скоростей транспортного средства.
Транспортное средство может включать двойную систему GPS с двумя приемниками GPS, у каждого из которых своя антенна. Обрабатывающий модуль 18 может определить направление по двойному GPS 726 для транспортного средства 10 по входным данным двух приемников, как это хорошо известно.
Направление по компасу 724, направление по двойному GPS 726 и направление движения по GNSS (с поправкой на состояние переднего или заднего хода) все селективно используются обрабатывающим модулем 18, чтобы определить аппроксимированный истинный курс 700. Обрабатывающий модуль 18 может сочетать направление по компасу 724, направление по двойному GPS 726 и направление движения по GNSS с применением различных алгоритмов для того, чтобы получить аппроксимированный истинный курс 700. Примеры с 1 по 3 ниже описывают несколько сценариев с использованием способа настоящего изобретения.
Пример 1 (Фиг.5А, 5В)
Пример 1 представляет собой случай определения состояния переднего или заднего хода, когда грубая выставка блока инерциальных измерений (в момент времени t=0) отличается более чем на +/- 90° от истинного курса 22 транспортного средства 10, и позднее транспортное средство 10 движется вперед (время = t+1). Ориентация и направление движения транспортного средства 10 при грубой выставке показаны на Фиг.5А, а ориентация и направление движения транспортного средства в более поздний момент времени показаны на Фиг.5В.
При пуске (Фиг.5А) транспортное средство показано движущимся в южном направлении (180°) задним ходом. Истинный курс 22=0° (Север), а грубая выставка блока инерциальных измерений = 180° (Юг). Это пример, когда грубая выставка произведена по первому направлению движения по GNSS, и первое действие после пуска транспортного средства 10 - выезд транспортного средства 10 со стоянки задним ходом.
В более поздний момент времени (Фиг.5В, время t+1), истинный курс 22 транспортного средства равно 90° (Восток), и транспортное средство 10 движется вперед. Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений = (грубая выставка блока инерциальных измерений [t=0]) + (поворот относительно вертикальной оси по блоку инерциальных измерений [t+1]). Таким образом, в примере, где в более поздний момент времени передняя часть транспортного средства повернута на +90° в соответствии с измерениями по гироскопу блока инерциальных измерений, неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений (t+1)=180°+90°=270°. Истинный курс 22 передней части в более поздний момент времени фактически равен 90°.
В примере на Фиг.5 мы исходим из того, что направление движения по GNSS в более поздний момент времени (t+1)=90°
На Фиг.3 и 5В расчет величины погрешности выставки 110 в более поздний момент времени (t+1) = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - направление движения по GNSS. Величина погрешности выставки = 270°-90°=180°.
Величина погрешности выставки находится вне предопределенного диапазона от ≥ -90° до ≤ +90°. На шаге 210 величина погрешности выставки, следовательно, ограничивается, так что величина погрешности выставки = 180°-180°=0°.
Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений в соответствии с шагом 310 = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - А* величина погрешности выставки. Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений (t+1)=270°-0°=270°.
С помощью эвристического алгоритма, описанного с отсылкой к Фиг.4, аппроксимированный истинный курс 700 определяется, например, как 93°. Разница между неоднозначным содержащим поправку курсом по блоку инерциальных измерений (270°) и аппроксимированным истинным курсом 700 (93°) составляет 77°, что не в фазе по результатам сравнения на шаге 10.
Когда неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений не в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700, однозначный курс представляет собой неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений со смещением на 180°. Неоднозначный курс = 270°+180°=90°.
Сравнение между однозначным направлением движения (90°) и направлением движения по GNSS (90°) на шаге 610 находит, что они находятся в фазе, что приводит к тому, что система 12 правильно определяет состояние переднего или заднего хода в более поздний момент времени (t+1) как движение вперед.
Пример 2 (Фиг.6А, 6В)
Пример 2 идентичен примеру 1 за исключением того, что начальная грубая выставка блока инерциальных измерений находится в пределах +/- 90° от истинного курса 22 транспортного средства 10.
Ориентация и направление движения транспортного средства 10 при грубой выставке показаны на Фиг.6А, а ориентация и направление движения транспортного средства в более поздний момент времени показаны на Фиг.6В.
При пуске (Фиг.6А) транспортное средство 10 показано движущимся вперед в северном направлении (0°). Истинный курс 22=0° (Север), а грубая выставка блока инерциальных измерений = 2°. Это пример, где грубая выставка произведена по первому направлению движения по GNSS, и первое движение транспортного средства после пуска - движение вперед.
В более поздний момент времени (Фиг.6В, время = t+1) истинный курс 22 транспортного средства составляет 90°, и транспортное средство 10 движется вперед. Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений = (грубая выставка блока инерциальных измерений [t=0]) + (поворот относительно вертикальной оси по блоку инерциальных измерений [t+1]). Таким образом, в примере, где в более поздний момент времени передняя часть повернута на +90° в соответствии с измерениями по гироскопу блока инерциальных измерений, неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений (t+1)=2°+90°=92°. Истинный курс 22 в более поздний момент времени фактически равен 90°. Если предположить, что блок GNSS 14 точен, направление движения по GNSS в более поздний момент времени также составляет 90°.
На Фиг.3 и 6В расчет величины погрешности выставки 110 в более поздний момент времени (t+1) = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - направление движения по GNSS. Величина погрешности выставки = 92°-90°=2°.
Величина погрешности выставки составляет менее 90°. В шаге 210 величина погрешности выставки не нуждается в ограничении, так что величина погрешности выставки остается = 2°.
Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений в соответствии с шагом 310 = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - А* величина погрешности выставки. Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений [t+1]=92°-0,1*2°=91,8°
Предположим, что аппроксимированный истинный курс 700 составляет 93°, как рассчитано на Фиг.4. Разница между неоднозначным содержащим поправку курсом по блоку инерциальных измерений (91,8°) и аппроксимированным истинным курсом 700 (93°) составляет 2,2°, так что они находятся в фазе по результатам сравнения в шаге 410.
Когда неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений находится в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700, однозначный курс представляет собой неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений со смещением на 0°. Неоднозначный курс = 91,8°+0°=91,8°.
Сравнение фаз между однозначным направлением движения (91,8°) и направлением движения по GNSS (90°) на шаге 610 находит что они находятся в фазе, что приводит к тому, что система 12 правильно определяет состояние переднего или заднего хода как движение вперед.
Пример 3 (Фиг.7А, 7В)
Пример 3 повторяет пример 1 за исключением того, что транспортное средство 10 в более поздний момент времени движется задним ходом (Фиг.7В, t+1). Ориентация транспортного средства 10 при грубой выставке показана на Фиг.7А, что повторяет грубую выставку, показанную и описанную применительно к Фиг.5А. Реальный пример этого - транспортное средство, запущенное на задней передаче и остающееся так весь день.
В более поздний момент времени (Фиг.7В) истинный курс 22 транспортного средства составляет 90° (Восток), и транспортное средство 10 движется задним ходом. Неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений = (грубая выставка блока инерциальных измерений [t=0]) + (поворот относительно вертикальной оси по блоку инерциальных измерений [t+1]). Для этого примера, где в более поздний момент времени передняя часть повернута на +90°, как измерено гироскопом блока инерциальных измерений, неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений в более поздний момент времени = 180°+90°=270°. Если предположить, что блок GNSS 14 точен, направление движения по GNSS в более поздний момент времени составляет 270°.
На Фиг.3 и 7В расчет величины погрешности выставки 110 в более поздний момент времени t+1 = неразрешенный курс по блоку инерциальных измерений - направление движения по GNSS. Величина погрешности выставки = 270°-270°=0°.
Величина погрешности выставки составляет менее +90°, но более -90°, то есть находится в пределах предопределенного диапазона. В шаге 210 величина погрешности выставки не нуждается в ограничении, так что величина погрешности выставки остается равной 0°.
Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений в соответствии с шагом 310 = курс по блоку инерциальных измерений - А* величина погрешности выставки. Неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений = 270°-0=270°.
Предположим, что аппроксимированный истинный курс 700 в более поздний момент времени t+1 составляет 93°, как рассчитано для Фиг.4. Разница между неоднозначным содержащим поправку курсом по блоку инерциальных измерений (270°) и аппроксимированным истинным курсом (93°) составляет 177°, так что эти две величины находятся не в фазе, как показывает сравнение в шаге 410.
Когда неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений не в фазе с аппроксимированным истинным курсом 700, однозначный курс представляет собой неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений со смещением на 180°. Неоднозначный курс в более поздний момент времени t+1=270°+180°=90°.
Сравнение между однозначным направлением движения (90°) и направлением движения по GNSS (270°) на шаге 610 находит, что эти две величины находятся не в фазе, что приводит к тому, что система 12 определяет состояние переднего или заднего хода в более поздний момент времени t+1 как движение задним ходом.
Одно из преимуществ системы 12 в том, что величина погрешности выставки, используемая в вычислении неоднозначного содержащего поправку курса по блоку инерциальных измерений, всегда ограничена диапазоном от ≥ -90° до ≤ +90°, без необходимости определять мгновенное состояние переднего или заднего хода транспортного средства. Погрешность, следовательно, остается небольшой, и неоднозначный содержащий поправку курс по блоку инерциальных измерений разрешается на движение передним или задним ходом только на более позднем шаге. Вместо мгновенного обнаружения переднего или заднего хода для коррекции величины погрешности выставки, настоящее изобретение определяет аппроксимированный истинный курс для сравнения фаз в соответствии с данным описанием. Это дает то преимущество, что система нечувствительна к быстрым изменениям направления движения по GNSS, как это обычно бывает, когда, например, транспортное средство резко применяет тормоза в движении, что вызывает существенное раскачивание транспортного средства вперед и назад на шинах и подвеске. Такое быстрое изменение направления движения по GNSS нередко встречается в прецизионном сельском хозяйстве. Ранее это вызывало большую величину несоответствия курсов, что уводило бы курс по блоку инерциальных измерений от истинного курса. Система также имеет высокую стойкость к недостатку показаний датчиков, что позволяет системе адаптироваться к неисправности или отсутствию датчиков.
Вышеприведенное описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения приведено для описания. Оно не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение одним описанным вариантом осуществления. Как упомянуто выше, многочисленные альтернативы и вариации настоящего изобретения очевидны из настоящего описания. Таким образом, в то время как некоторые варианты осуществления описаны конкретно, другие варианты осуществления будут очевидны или относительно легко могут быть разработаны. Таким образом, изобретение включает в себя все альтернативы, модификации и вариации настоящего изобретения, как описанные здесь, так и другие варианты осуществления, которые могут быть разработаны в духе и в пределах объема защиты описанного изобретения.