用于識別慣性測量單元中的故障的方法技術

本發明專利技術涉及一種用于識別慣性測量單元(4、5、6)中的故障的方法，慣性測量單元在車輛中用于測量角速度(ω

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于識別慣性測量單元中的故障的方法


[0001]本專利技術涉及一種根據權利要求1的用于識別慣性測量單元中的故障的方法。

技術介紹

[0002]慣性測量單元(Inertial Measurement Units IMU)是用于測量載體在空間中的比力(specific force，加速度)和旋轉速度的加速計和陀螺儀組件。術語比力和符號f也已在德國導航文獻中創建為用于加速計信號的名稱(參見引文2)。對于陀螺儀信號，在下面使用符號ω。下面通過縮寫IMU代表術語“慣性測量單元”。慣性測量單元應用于車輛的方位、位置和速度的確定，特別是也應用于自動化駕駛。IMU的這種應用的示例可在引文(3)至(6)中找到，或者也可在US9,753,144B1(DE102017102269A1)中找到。
[0003]在圖1中示例性地示出慣性測量單元1根據現有技術應用于運動估計和導航。慣性測量單元1發送來自陀螺儀的旋轉速度信號和來自加速計的比力信號。在傳感器融合單元2中，通過由這些參量進行積分來計算運動參量、例如位置角α、速度v和/或位置P并且借助于另外的傳感器3、例如里程表、磁力計、氣壓高度計和/或GNSS接收器來校正運動參量。在現有技術中，卡爾曼濾波器被用于傳感器融合。
[0004]存在不同質量等級的慣性測量單元可供使用。質量和價格主要通過所使用的傳感器技術來確定。對于汽車中的批量應用，特別是考慮基于MEMS技術(微機電傳感器)的價格有利的傳感器。這種價格有利的IMU傳感器在其準確性方面受限于隨機的傳感器噪聲和系統誤差(諸如偏差、靈敏性誤差、非線性和定向誤差)。這些誤差是傳感器在正常運行中所具有的特性。系統誤差必須通過合適的方法來確定和補償，以便實現所計算的運動參量的高質量。用于補償方法的示例在專業文獻中亦或在DE102017102269A1中找到。IMU傳感器的隨機誤差和系統誤差可以由模型描述。因此，例如比力的由傳感器測得的值f
im
可以通過如下模型來描述
[0005][0006]其中，是在測量位置處的實際比力分量的矢量。參量b
fi
(t)描述恒定的偏差或隨時間可緩慢變化的偏差，參量s
fi
是傳感器的靈敏性誤差，參量v
i
表示傳感器噪聲并且矢量描述傳感器軸線在參考坐標系中的定向。這些模型參數可以通過估計方法來確定。
[0007]與隨機誤差和系統誤差不同，IMU傳感器也可能具有故障(英語：faults)。在這種情況下，傳感器失去物理測量參量與所輸出的傳感器信號之間的特定的(并且因此通過設計預先確定的)關系，使得出現不特定的測量特性。因此，所涉及的IMU傳感器變得不可用。
[0008]在傳感器中的未檢測到地在運動計算或導航中傳播的故障可能在那里導致有效信號中的顯著誤差或嚴重錯誤的值并且因此在安全相關的應用中構成安全風險。
[0009]對于安全關鍵的應用、例如自動駕駛，必須檢測到傳感器故障。然后必須從導航解決方案中消除所涉及的誤差，并且必須轉換到備份解決方案，以進一步確保系統的完整功能(容錯系統)。
[0010]這特別是涉及慣性測量單元的傳感器的故障。為此，根據本專利技術提出的解決方案在圖2中示出：
[0011]下面討論現有技術中的其它解決方案。
[0012]現有技術
[0013]在US9,568,321B2中描述了在無冗余的情況下檢測在單個IMU中的故障。在此，所述檢測以健康監控方框(Health Monitoring Block)形式集成到雙重冗余的導航系統(Inertial Navigation System INS)中。在健康監控方框中，對在運動估計中出現的估計誤差進行評估。這種解決方案的缺點在于，由于傳感器故障而出現的對導航系統的影響不允許直接推斷出傳感器元件有故障。此外，在INS中所使用的對IMU信號的積分導致長的誤差識別時間。此外，這種誤差識別基于附加傳感器、如GNSS、磁力計、氣壓計和里程計的使用。這些傳感器通常比IMU傳感器具有更高的易錯性和更低的集成度。這些附加傳感器的故障在所提出的組件中不能唯一明確地區分于IMU故障。總之可以得出如下結論，即，所描述的方法雖然能夠檢測故障，但不能識別有故障的傳感器。但這是容錯的系統特征的基本前提。
[0014]上述方法的缺點長期以來是已知的。例如在(3)的第17章節中可找到更詳細的解釋。在那里明確指出在安全性關鍵的INS應用中冗余硬件的必要性。
[0015]冗余的慣性測量單元IMU的使用在航空
是現有技術。在此，具有相同特性的大功率慣性測量單元被組合為冗余的傳感器配置。
[0016]在現有技術中，與此相關地例如已知一種航空數據慣性參考單元(ADIRU)，在該航空數據慣性參考單元中，六個加速計和六個旋轉速度傳感器以非正交的幾何結構的形式布置，該幾何結構以最小數量的傳感器實現最大冗余(參見引文1、2)。
[0017]因此，例如對于加速計的六個比力信號f1,
…
f6求解回歸方程，以得到比力的正交分量[f
x
,f
y
,f
z
]的合成矢量：
[0018][0019]其中，M是描述傳感器幾何結構的矩陣，并且v是傳感器噪聲的矢量。
[0020]監控和求平均可并行地進行，同時求解回歸方程。在該系統中，多達兩個加速計可能失效，而不會出現功能下降。出于功能安全的原因，必須有至少四個傳感器可供使用。
[0021]在US5,184,304A中提出另一種具有兩個INS的解決方案，所述兩個INS的相應慣性測量單元彼此相對旋轉60
°
。在該解決方案中，相互評估這兩個系統的輸出誤差統計，并且由此識別出有故障的傳感器。
[0022]對于航空而言具有資質的傳感器、特別是在非正交布置結構中的傳感器需要非常多的結構空間并且從封裝來看不太適合于安裝在汽車中。
[0023]在成本敏感得多的汽車應用中，使用這種冗余的、高質量的慣性傳感器在經濟上也是不可行的。
[0024]在US8,825,436B2中提出一種用于在多重冗余布置結構中應用MEMS傳感器。在此，這種多重布置僅用于降低測量噪聲和系統傳感器誤差(連續運行偏差和溫度相關的偏差)。
沒有考慮用于檢測和消除傳感器故障的策略。
[0025]在(6)中描述了一種用于汽車應用的具有三重冗余的慣性測量單元。但該慣性測量單元具有如下缺點，即，該慣性測量單元安裝在結構元件中并且因此在電壓供應問題和共因誤差方面不能充分得到保障。
[0026]從文獻(參見引文2)中同樣已知慣性測量單元或導航系統的主從布置結構。在此，基本思想是，在使用卡爾曼濾波器的情況下基于主系統的導航數據估計從系統的參數、例如定向角度、偏移量等。相應的過程被稱為傳遞對準(Transfer Alignment)。該方法通常用于包含低成本導航系統的武器系統中，而引導系統或開發者包含高質量導航系統。
[0027]在下面的文本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于識別慣性測量單元(4、5、6)中的故障的方法，所述慣性測量單元在車輛中用于測量角速度(ω
A
、ω
B
、ω
C
)和比力(f
A
、f
B
、f
C
)，其中，使用至少三個慣性測量單元(4、5、6)，所述至少三個慣性測量單元分別具有多個傳感器，所述多個傳感器包括加速計和陀螺傳感器，其特征在于，使用第一慣性測量單元(4)作為主慣性測量單元，使用第二慣性測量單元(5)和第三慣性測量單元(6)作為從慣性測量單元，所述第二慣性測量單元和所述第三慣性測量單元的性能能夠比所述第一慣性測量單元(4)的性能小，使用所述主慣性測量單元(4)的測量作為參考值，以便通過估計相對于所述主慣性測量單元(4)的誤差模型參數來補償各所述從慣性測量單元(5、6)的測量，以便基于分別對應的三個傳感器信號通過3取2比較來識別所述三個傳感器信號之一中的故障，將所述三個慣性測量單元(4、5、6)中的如下慣性測量單元檢測為有故障的，該慣性測量單元的傳感器信號與所述三個傳感器信號的中位數(M、D)的距離超過閾值，所述主慣性測量單元(4)的故障導致在考慮之前所計算的預補償的情況下轉換到仍能運轉的從慣性測量單元(5、6)之一的信號。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，借助卡爾曼濾波器或最小二乘法估計所述誤差模型參數。3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了估計所述誤差模型參數，使用包括各所述從慣性測量單元(5、6)的所有模型參數的誤差模型(13、14、23、24)，其中，在線估計關于所述主慣性測量單元(4)的至少在時間上可變的相對傳感器偏移...

【專利技術屬性】
技術研發人員：J，
申請(專利權)人：羅伯特博世有限公司，
類型：發明
國別省市：