[發明專利]用于利用傳感器融合來確定機器狀態的系統和方法

有效

• 申請號: 201810615314.0
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN109115213B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: A·M·納克科斯;R·A·施洛斯;R·馬丁內斯;C·L·戈曼
• 申請（專利權）人: 卡特彼勒公司
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 蘇娟

1.一種確定機器的實時狀態方法，包括：

利用至少一個處理器從安裝在所述機器的不同部件上的多個慣性測量單元中的每一個接收信號的時間序列，所述信號指示所述多個慣性測量單元中一個或多個安裝在其上的所述機器的所述部件中每一個的運動測量值的加速度和角速率；

針對所述機器的單獨部件上所述慣性測量單元中的每一個，利用所述至少一個處理器的單獨卡爾曼濾波器模塊融合從所述慣性測量單元接收的所述信號，對來自所述多個慣性測量單元中每一個的所述信號的融合包括：

合并來自所述慣性測量單元的加速度測量值以及運動測量值的角速率，以在一系列時間步的某時間步期間估計所述慣性測量單元安裝在其上的所述機器的所述部件的輸出聯合角度；

基于來自先前時間步的所述輸出聯合角度的估計，在后續時間步中生成對所述部件的所述輸出聯合角度的先驗估計；

將所述輸出聯合角度的所述先驗估計與所述先驗估計的準確度的估計和從所述慣性測量單元接收的當前測量值合并以產生所述輸出聯合角度的精確后驗估計；

將所述機器的多個部件的所述輸出聯合角度的所述精確后驗估計彼此相互并參考機器參考框架進行融合，以參考所述機器參考框架確定所述機器的所述多個部件中每一個的當前輸出聯合角度的最佳估計；

利用所述機器的所述部件的當前輸出聯合角度的所述最佳估計以及表征所述機器的結構設計信息來求解運動學方程；

在所述一系列時間步的連續時間步下，通過所述運動學方程的解確定感興趣的每個機器部件的位置、速度和加速度中至少一個的實時值；以及

在每個感興趣機器部件的受控操作移動的實施中應用所述確定的實時值。

2.根據權利要求1所述的方法，其中針對所述機器的所述單獨部件上所述多個慣性測量單元中每一個的所述單獨卡爾曼濾波器模塊執行對從與每個慣性測量單元相關聯的陀螺儀接收的測量值的偏差的估計，并且補償所述偏差。

3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括：在所述機器的擺動運動期間，通過感興趣的每個機器部件的連續位置確定機器部件是否正在沿弧線移動，并且在將加速度測量值輸入到卡爾曼濾波器模塊之前，在從安裝在所述機器部件上的慣性測量單元接收的所述加速度測量值中補償正在沿弧線移動的所述機器部件的向心加速度。

4.根據權利要求1所述的方法，進一步包括基于從慣性測量單元接收的實際測量值的準確度的估計，確定輸出聯合角度的后驗估計的準確度。

5.根據權利要求4所述的方法，進一步包括：基于從每個慣性測量單元接收的連續實際測量值，相對于與每個連續后驗估計相關聯的權重，確定與機器部件的輸出聯合角度的每個連續先驗估計相關聯的權重，并分配代表相對權重的卡爾曼增益。

6.根據權利要求5所述的方法，進一步包括通過從預訂增益調度檢索狀態協方差矩陣和估計測量值協方差矩陣來分配所述卡爾曼增益，所述狀態協方差矩陣表示機器部件的每個輸出聯合角度的所述先驗估計中的預測可變性，所述估計測量值協方差矩陣表示從每個慣性測量單元接收的所述實際測量值中的預測可變性。

7.根據權利要求1所述的方法，進一步包括通過針對每個機器部件的所述運動學方程的所述解，確定位于所述機器部件上的每個慣性測量單元相對于全局參考框架的定位和角度定向。

8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括對位于機器部件上的慣性測量單元確定的定位和角度定向來應用偏移，以求解所述機器部件上感興趣的另一點的定位或角度旋轉中的至少一個。

9.根據權利要求1所述的方法，進一步包括：

利用所述至少一個處理器從位于所述機器上的非慣性測量單元傳感器接收信號，來自所述非慣性測量單元傳感器的所述信號指示機器部件的位置、速度和加速度中的至少一個；以及

利用所述單獨卡爾曼濾波器模塊將從所述非慣性測量單元傳感器接收的所述信號與從安裝在機器部件上的慣性測量單元接收的信號進行融合，所述單獨卡爾曼濾波器模塊還被用來融合從所述慣性測量單元接收的所述信號。

10.一種用于確定機器的實時狀態系統，包括：

多個慣性測量單元，所述多個慣性測量單元安裝在所述機器的單獨部件上，所述慣性測量單元各自配置為生成信號的時間序列，所述信號指示所述慣性測量單元安裝在其上的所述機器的所述部件的運動測量值的加速度和角速率；以及

至少一個處理器，所述至少一個處理器與所述慣性測量單元中每一個進行通信，所述至少一個處理器中的每一個配置為：

利用所述至少一個處理器的單獨卡爾曼濾波器模塊融合從所述慣性測量單元接收的所述信號，對來自所述多個慣性測量單元中每一個的所述信號的融合包括：

合并來自所述慣性測量單元的加速度測量值以及運動測量值的角速率，以在一系列時間步的某時間步期間估計所述慣性測量單元安裝在其上的所述機器的所述部件的輸出聯合角度；

基于來自先前時間步的所述輸出聯合角度的估計，在后續時間步中生成對所述部件的所述輸出聯合角度的先驗估計；以及

將所述輸出聯合角度的所述先驗估計與所述先驗估計的準確度的估計和從所述慣性測量單元接收的當前測量值合并以產生所述輸出聯合角度的精確后驗估計；以及

將所述機器的多個部件的所述輸出聯合角度的所述精確后驗估計彼此相互并參考機器參考框架進行融合，以參考所述機器參考框架確定所述機器的所述多個部件中每一個的當前輸出聯合角度的最佳估計；

利用所述機器的所述部件的當前輸出聯合角度的所述最佳估計以及表征所述機器的結構設計信息來求解運動學方程；

在所述一系列時間步的連續時間步下，通過所述運動學方程的解確定感興趣的每個機器部件的位置、速度和加速度中至少一個的實時值；以及

在每個感興趣機器部件的受控操作移動的實施中應用所述確定的實時值。