[发明专利]用于利用传感器融合来控制机器姿态的系统和方法

权利要求书

1.一种利用传感器融合来控制机器姿态的方法，包括：

利用至少一个处理器从安装在所述机器的不同部件上的多个惯性测量单元中的每一个接收信号的时间序列，所述信号指示所述多个惯性测量单元中一个或多个安装在其上的所述机器的所述部件中每一个的运动测量值的加速度和角速率；

利用所述至少一个处理器从至少一个非惯性测量单元传感器接收信号，所述信号指示以下中的至少一个：所述机器部件中至少一个的位置、速度或加速度，所述机器正在运行的施工现场的任何潜在障碍物或其他特征的位置、速度或加速度，或者操作员输入；

针对所述机器的单独部件上所述多个惯性测量单元中的每一个，利用所述至少一个处理器的单独卡尔曼滤波器模块融合从所述惯性测量单元接收的所述信号，对来自所述多个惯性测量单元中每一个的所述信号的融合包括：

合并来自所述惯性测量单元的加速度测量值以及运动测量值的角速率，以在一系列时间步的某时间步期间估计所述惯性测量单元安装在其上的所述机器的所述部件的输出联合角度；

基于来自先前时间步的所述输出联合角度的估计，在后续时间步中生成对所述部件的所述输出联合角度的先验估计；

将所述输出联合角度的所述先验估计与所述先验估计的准确度的估计和从所述惯性测量单元接收的当前测量值合并以产生所述输出联合角度的精确后验估计；

将所述机器的多个部件的所述输出联合角度的所述精确后验估计彼此相互、与来自所述至少一个非惯性测量单元传感器的信号以及参考机器参考框架进行融合，以参考所述机器参考框架确定所述机器的多个部件中每一个的当前输出联合角度的最佳估计；

利用所述机器的所述部件的当前输出联合角度的所述最佳估计以及表征所述机器的结构设计信息来求解运动学方程；

在所述一系列时间步的连续时间步下，通过所述运动学方程的解确定感兴趣的每个机器部件的位置、速度和加速度中至少一个的实时值；以及

在连续时间步中每个感兴趣机器部件的受控操作移动的实施中对位置和定向来应用所述确定的实时值，从而得到对以下改善的至少一个：机器行走、机器稳定性、基于对机器部件定位的生产率、基于对机器部件定位的可靠性，以及相比于应用所述确定的实时值之前的先前时间步中每个机器部件的操作移动而言所述机器操作的效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述机器的所述单独部件上所述多个惯性测量单元中每一个的所述单独卡尔曼滤波器模块执行对从与每个惯性测量单元相关联的陀螺仪接收的测量值的偏差的估计，并且补偿所述偏差。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述机器的摆动运动期间，通过感兴趣的每个机器部件的连续位置确定机器部件是否正在沿弧线移动，并且在将加速度测量值输入到卡尔曼滤波器模块之前，在从安装在所述机器部件上的惯性测量单元接收的所述加速度测量值中补偿正在沿弧线移动的所述机器部件的向心加速度。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于从惯性测量单元接收的实际测量值的准确度的估计，确定输出联合角度的后验估计的准确度。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：基于从每个惯性测量单元接收的连续实际测量值，相对于与每个连续后验估计相关联的权重，确定与机器部件的输出联合角度的每个连续先验估计相关联的权重，并分配代表所述与每个连续先验估计相关联的权重和所述与每个连续后验估计相关联的权重的相对权重的卡尔曼增益。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括通过从预订增益调度检索状态协方差矩阵和估计测量值协方差矩阵来分配所述卡尔曼增益，所述状态协方差矩阵表示机器部件的每个输出联合角度的所述先验估计中的预测可变性，所述估计测量值协方差矩阵表示从每个惯性测量单元接收的所述实际测量值中的预测可变性。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过针对每个机器部件的所述运动学方程的所述解，确定位于所述机器部件上的每个惯性测量单元相对于全局参考框架的定位和角度定向。