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CN111052020A - 导航设备 - Google Patents

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CN111052020A
CN111052020A CN201880057792.2A CN201880057792A CN111052020A CN 111052020 A CN111052020 A CN 111052020A CN 201880057792 A CN201880057792 A CN 201880057792A CN 111052020 A CN111052020 A CN 111052020A
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CN
China
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movable object
sensor
matrix
axis
positioning
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CN201880057792.2A
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赖镇洲
陶永康
蒋一平
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SZ DJI Technology Co Ltd
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SZ DJI Technology Co Ltd
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Abstract

一种可移动物体(10)，包括：多个致动设备，被配置为移动该可移动物体(10)；处理器(54)，被配置为控制该致动设备和可移动物体(10)的移动；以及至少一个传感器(902)。该传感器(902)的坐标系实质上不与可移动物体(10)的坐标系对齐。该传感器(902)感测可移动物体(10)的状态，并且处理器(54)基于感测到的状态来控制推进设备(12)和可移动物体(10)的移动。

Description

导航设备
技术领域
本公开总体涉及导航设备，并且更具体地涉及具有一个或多个传感器的导航设备，该一个或多个传感器被定位用于改进的导航测量。
背景技术
可移动物体(例如，无人机(“UAV”)(有时被称为“无人飞行器”))包括各种尺寸和配置的无人驾驶飞行器，其能够由用户进行远程操作和/或被编程用于自动飞行。UAV可以被配置为承载搭载物(例如，货物、光学设备(例如，照相机、摄像机等)、传感设备或其他类型的搭载物)。有时可以结合使用传感设备收集的信息来控制UAV，例如以识别和跟随或“跟踪”目标(例如，人、载运工具、运动的物体等)。该传感设备可以是用于检测UAV的线性加速度和/或角加速度和速度的信息的惯性测量系统。
该惯性测量系统可以包括微惯性测量单元(MIMU)，其包括例如三轴微机电系统(MEMS)加速度传感器和/或MEMS陀螺仪，用于检测三维加速度信息和/或三维角速度。MIMU可以安装在UAV或UAV部件上，例如安装在与该UAV连接的载体上。该载体的姿势、速度和位置可以由导航解决方案基于检测到的惯性信息来获得。通常受与MIMU的尺寸、功耗和成本有关的要求的限制，UAV通常使用如下MIMU：该MIMU是具有相对差的测量准确度和低测量范围的三轴集成商用芯片。在UAV的飞行期间，通常会在平行于电机的旋转轴的垂直方向上出现大幅度的加速度振动，从而使常规加速度传感器的测量在垂直方向上超出其有效测量范围，从而使输出饱和。
为了改进用于UAV的惯性测量系统的可靠性，惯性测量系统通常被配置为包括冗余的MIMU，例如，主MIMU和副(备用)MIMU。在这些系统中，每个MIMU的正交感测轴相互平行。当检测到主MIMU的故障时，冗余的MIMU被用于提供导航信息。然而，该方法不能充分利用来自多个加速度/角速度传感器的冗余信息，不利于故障检测和隔离，并且其容错不高。
用于UAV上的惯性测量系统的另一种可能的方法是采用多个单轴加速度传感器/陀螺仪。然而，通过使用多个单轴传感器，分别安装的传感器不容易相互正交地定位，并且需要更复杂的机械安装结构。此外，使用多个单轴传感器的惯性测量系统需要繁琐的过程来根据每个传感器相对于载体的安装角度来校准每个传感器。
用于UAV的一些惯性测量系统通过包括具有较大测量范围的加速度传感器和/或用于降低由于飞行期间的振动加速度而导致的传感器的饱和的阻尼设计来解决上述问题。然而，这些系统增加了MIMU的成本和惯性测量系统的复杂性。
发明内容
本文公开的用于安装惯性测量单元(例如，MIMU)的方法和系统克服了常规系统的缺点。一方面，一种可移动物体包括：多个致动设备，被配置为移动该可移动物体；处理器，被配置为控制该致动设备和可移动物体的移动；以及至少一个传感器。该传感器的坐标系实质上不与可移动物体的坐标系对齐。该传感器感测可移动物体的状态，并且处理器基于感测到的状态来控制推进设备和可移动物体的移动。
另一方面，一种可移动物体包括：多个致动设备，被配置为移动可移动物体；处理器，被配置为控制致动设备和可移动物体的移动；以及至少一个传感器，其中，该至少一个传感器的定位提供改进的导航、改进的容错和特定方向上的改进的测量范围中的一项或多项。该至少一个传感器感测可移动物体的状态，并且处理器基于感测到的状态来控制推进设备和可移动物体的移动。
另一方面，一种可移动物体包括：多个致动设备，被配置为移动可移动物体；处理器，被配置为控制致动设备和可移动物体的移动；以及至少一个传感器，被安装在可调节平台上。该至少一个传感器感测可移动物体的状态，并且处理器基于感测到的状态来控制推进设备和可移动物体的移动。该处理器被配置为基于对至少一个传感器的一个或多个要求来使平台进行调整。
另一方面，提供了一种用于在可移动物体中定位至少一个传感器的方法，该方法包括：识别对至少一个传感器的一个或多个要求；基于该一个或多个要求来确定定位矩阵；以及基于定位矩阵定位该至少一个传感器。
附图说明
图1是与本公开的实施例一致的示例性可移动物体和遥控终端的图，该可移动物体包括载体和搭载物；
图2A和图2B是可以和与本公开一致的实施例一起使用的示例性控制终端的图；
图3是根据本公开的实施例的可以在可移动物体中使用的示例性控制器的框图；
图4A、图4B和图4C是示出根据本公开的实施例的传感器相对于载体的坐标系的示例性朝向的图；
图5A、图5B、图5C和图5D是示出根据本公开的实施例的示例性传感器相对于载体的坐标系的坐标系的图；
图6A、图6B和图6C是示出根据本公开的实施例的另一示例性传感器相对于载体的坐标系的坐标系的图；
图7示出根据本公开的实施例的两个传感器相对于载体的坐标系并相对于彼此的示例性配置；
图8A示出与本文公开的实施例一致的可以用于安装传感器的示例性方法；
图8B示出与本文公开的实施例一致的用于确定用于安装传感器的定位矩阵的过程；以及
图9示出与本文公开的实施例一致的安装有传感器的微惯性测量单元的示例性结构。
具体实施方式
以下详细描述参考附图。在附图和以下描述中尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。虽然本文描述了若干说明性实施例，但是修改、调整以及其他实施方式是可能的。例如，可以对附图中所示的部件做出替换、添加或修改，并且可以通过对所公开的方法进行步骤的替换、重新排序、移除或添加来修改本文所描述的说明性方法。因此，以下详细描述不限于所公开的实施例和示例。相反，适当的范围由所附权利要求限定。
本公开提供了具有以优化或最大化测量范围、精度和可靠性的方式集成的一个或多个传感器的导航设备或系统。根据所公开的实施例，导航设备可以包括一个或多个传感器，例如，两轴或三轴加速度计、陀螺仪、罗盘等。导航设备可以安装在可移动物体(例如，UAV)或载体上，包括但不限于云台、框架、支撑件或任何其他物理结构，以提供惯性测量，从而促进导航。导航设备可以包括单个MEMS芯片，一个或多个多轴传感器被集成到该单个MEMS芯片中。当导航设备包括多个传感器时，这些传感器可以位于单独的芯片上，这些单独的芯片被键合在一起，或者通过任何其他刚性结构被固定在一起。
在导航设备中，一个或多个多轴传感器可以相对于可移动物体或相对于彼此来定位，以改进测量范围、测量精度和容错，并减少对减振的需求(例如，阻尼)。
尽管在可移动物体(例如，UAV)的上下文中描述了以下示例性实施例，但是可以设想，其他实施方式也是可能的，并且可以在不使用UAV的情况下部署备选实施例。例如，本文公开的系统和方法可以使用例如移动或固定的物体上的各种振动或旋转系统来实现，或者被实现为与所公开的实施例一致的较大系统的一部分。
图1示出示例性可移动物体10，其可以被配置为在环境中移动或行进。可移动物体10可以是被配置为在适当的介质(例如，表面、空气、水、轨道、空间、地下等)之上或之内行进的任何适当的物体、设备、机构、系统或机器。例如，可移动物体10可以是UAV。尽管出于对该描述的示例性目的而在本文中将可移动物体10示出和描述为UAV，但是要理解，可以在与本公开一致的实施例中使用或备选地使用其他类型的可移动物体(例如，带轮物体、航海物体、机车物体、其他航空物体等)。如本文所使用的，术语UAV可以指代被配置为被自动地(例如，经由电子控制系统)和/或由场外人员手动地操作和/或控制的航空设备。
可移动物体10可以包括一个或多个致动设备(例如，推进设备12)，并且可以被配置为承载搭载物14。在一些实施例中，如图1所示，搭载物14可以通过载体16与可移动物体10连接或附接，该载体16可以允许搭载物14和可移动物体10之间的一个或多个相对移动度。在其他实施例中，搭载物14可以直接安装到可移动物体10而无需载体16。可移动物体10还可以包括与其他部件通信的感测系统18、通信系统20和控制器22。
可移动物体10可以包括定位在各个位置(例如，可移动物体10的顶部、侧部、前部、后部和/或底部)的一个或多个(例如，1、2、3、4、5、10、15、20个等)推进设备12。推进设备12可以是可操作以生成用于维持受控飞行的力的设备或系统。推进设备12可以共享电源，或可以各自单独地包括电源，或可操作地与电源连接，该电源例如是电机(例如，电动机、液压电机、气动电机等)、发动机(例如，内燃机、涡轮发动机等)、电池组等或其组合。每个推进设备12还可以包括一个或多个旋转部件24，该一个或多个旋转部件24与电源连接，并被配置为参与用于维持受控飞行的力的生成。例如，旋转部件24可以包括旋翼、螺旋桨、叶片、喷嘴等，其可以由轮轴、轴、轮、液压系统、气动系统或被配置为从电源传送电力的其他部件或系统来驱动。推进设备12和/或旋转部件24可以相对于彼此和/或相对于可移动物体10是可调整的(例如，可倾斜的)。备选地，推进设备12和旋转部件24可以相对于彼此和/或相对于可移动物体10具有固定朝向。在一些实施例中，每个推进设备12可以具有相同的类型。在一些实施例中，推进设备12可以具有多种不同的类型。在一些实施例中，所有推进设备12可以被一致地控制(例如，全部处于相同的速度和/或角度)。在其他实施例中，一个或多个推进设备可以相对于例如速度和/或角度被独立地控制。
推进设备12可以被配置为在一个或多个竖直和水平方向上推进可移动物体10，并允许可移动物体10绕一个或多个轴旋转。即，推进设备12可以被配置为提供用于创建和维持可移动物体10的平移和旋转移动的升力和/或推力。例如，推进设备12可以被配置为使可移动物体10能够实现并维持期望的高度，提供用于在所有方向上移动的推力、并且提供对可移动物体10的操纵。在一些实施例中，推进设备12可以使可移动物体10能够执行垂直起飞和着陆(即，在没有水平推力的情况下起飞和着陆)。在其他实施例中，可移动物体10可能需要恒定的最小水平推力以实现并维持飞行。推进设备12可以被配置为使可移动物体10能够沿多个轴和/或绕多个轴移动。
搭载物14可以包括一个或多个传感设备19。传感设备19可以包括用于采集或生成数据或信息的设备，该数据或信息例如是调查、跟踪和捕捉目标(例如，照片或视频拍摄的物体、风景、主题等)的图像或视频。传感设备19可以包括成像设备，该成像设备被配置为收集可以用于生成图像的数据。例如，成像设备可以包括照相机、摄像机、红外成像设备、紫外成像设备、x射线设备、超声成像设备、雷达设备等。传感设备19还可以包括或备选地包括用于捕捉音频数据的设备，例如，麦克风或超声检测器。传感设备19还可以包括或备选地包括用于捕捉视觉、音频和/或电磁信号的其他适合的传感器。成像设备能够通过调整焦距来对目标执行自动聚焦，从而以期望的图像质量对目标进行成像。传感设备19可以包括一个或多个距离测量设备，该一个或多个距离测量设备对从成像设备到目标的距离进行测量。距离测量设备可以实现激光雷达设备、超声设备和/或其组合。
载体16可以包括被配置为保持搭载物14和/或允许该搭载物14相对于可移动物体10进行调整(例如，旋转)的一个或多个设备。例如，载体16可以是云台(gimbal)。载体16可以被配置为允许搭载物14绕一个或多个轴旋转，如下所述。在一些实施例中，载体16可以被配置为允许绕每个轴旋转360°，以允许更好地控制搭载物14的视角。在其他实施例中，载体16可以将搭载物14绕其一个或多个轴旋转的范围限制为小于360°(例如，≤270°、≤210°、≤180°、≤120°、≤90°、≤45°、≤30°、≤15°等)。
载体16可以包括框架组件26、一个或多个致动器构件28以及一个或多个载体传感器30。框架组件26可以被配置为将搭载物14与可移动物体10耦接，并且在一些实施例中，允许搭载物14相对于可移动物体10移动。在一些实施例中，框架组件26可以包括相对于彼此可移动的一个或多个子框架或部件。致动构件28可以被配置为相对于彼此驱动框架组件的部件，以提供搭载物14相对于可移动物体10的平移和/或旋转运动。在其他实施例中，致动器构件28可以被配置为直接作用在搭载物14上，以使搭载物14相对于框架组件26和可移动物体10进行运动。致动器构件28可以是或者可以包括合适的致动器和/或力传递部件。例如，致动器构件28可以包括电动机，其被配置为结合轴、轮轴、轨道、带、链、齿轮和/或其他部件向框架组件26和/或搭载物14的部件提供线性或旋转运动。
载体传感器30可以包括被配置为测量、感测、检测或确定载体16和/或搭载物14的状态信息的设备。状态信息可以包括位置信息(例如，相对位置、朝向、高度、线性移位、角移位等)、速度信息(例如，线性速度、角速度等)、加速度信息(例如，线性加速度、角加速度等)和/或与载体16或搭载物14相对于可移动物体10的移动控制有关的其他信息。载体传感器30可以包括一种或多种类型的合适的传感器，例如，电位计、光学传感器、视觉传感器、磁传感器、运动或旋转传感器(例如，陀螺仪、加速度计、惯性传感器等)。载体传感器30可以与载体16的各种部件(例如，框架组件26或致动器构件28的部件)或可移动物体10相关联或与其附接。载体传感器30可以被配置为经由有线或无线连接(例如，RFID、蓝牙、Wi-Fi、无线电、蜂窝等)与控制器22传送数据和信息。由载体传感器30生成并向控制器22传送的数据和信息可以由控制器22用于进行进一步处理，例如，用于确定可移动物体10和/或目标的状态信息。
载体16可以经由一个或多个阻尼元件与可移动物体10耦接，该一个或多个阻尼元件被配置为降低或消除从可移动物体10到搭载物14的不期望的振动或其他力传递。阻尼元件可以是有源的、无源的或混合的(即，具有有源和无源特性)。阻尼元件可以由任何合适的材料或材料的组合形成，包括固体、液体和气体。可压缩或可变形材料(例如，橡胶、弹簧、胶体、泡沫)和/或其他材料可以用作阻尼元件。阻尼元件可以用于将搭载物14与可移动物体10隔离和/或耗散从可移动物体10到搭载物14的力传播。阻尼元件还可以包括被配置为提供阻尼效果的机构或设备，例如，活塞、弹簧、液压装置、气动装置、缓冲器、振动吸收器和/或其他设备或其组合。
感测系统18可以包括与可移动设备10的一个或多个部件或其他系统相关联的一个或多个传感器。例如，感测系统可以包括用于确定与可移动物体10和/或目标相关的位置信息、速度信息和加速度信息的传感器。在一些实施例中，感测系统还可以包括载体传感器30。感测系统18的部件可以被配置为生成可以用于确定与可移动物体10、其部件或其目标有关的附加信息的数据和信息(例如，由控制器22或另一设备处理)。感测系统18可以包括用于感测可移动物体10的移动的一个或多个方面的一个或多个传感器。例如，感测系统18可以包括如上所述与搭载物14相关联的传感设备和/或附加传感设备，例如，用于定位系统(例如，GPS、GLONASS、伽利略、北斗、GAGAN、RTK等)的定位传感器、运动传感器、惯性传感器(例如，IMU传感器、MIMU传感器等)、接近传感器、图像传感器等。感测系统18还可以包括用于如下操作的传感器或者被配置为进行如下操作：提供与周围环境有关的数据或信息，例如，天气信息(例如，温度、压力、湿度等)、照明条件(例如，光源频率)、空气成分或附近的障碍物(例如，物体、结构、人、其他载运工具等)。
通信系统20可以被配置为使数据、信息、命令和/或其他类型的信号能够在控制器22与外部实体之间传送。通信系统20可以包括被配置为发送和/或接收信号的一个或多个部件，例如，被配置为执行单向或双向通信的接收机、发射机或收发机。通信系统20的部件可以被配置为经由一个或多个通信网络(例如，无线电、蜂窝、蓝牙、Wi-Fi、RFID和/或可用于发送指示数据、信息、命令的信号和/或其他信号的其他类型的通信网络)与外部实体进行通信。例如，通信系统20可以被配置为实现设备(例如，控制终端(“终端”)32)之间的通信，这些设备用于在飞行期间提供用于控制可移动物体10的输入。
终端32可以被配置为接收输入，例如，来自用户的输入(即，用户输入)，并向控制器22传送指示该输入的信号。终端32可以被配置为接收输入并生成指示一种或多种类型的信息的对应信号，例如，用于移动或操纵可移动设备10(例如，经由推进设备12)、搭载物14和/或载体16的控制数据(例如，信号)。终端32还可以被配置为从可移动物体10接收数据和信息，例如，与以下项有关的操作数据：例如，位置数据、速度数据、加速度数据、传感数据以及与可移动物体10、其部件和/或其周围环境有关的其他数据和信息。终端32可以是具有被配置为控制飞行参数的物理杆、操纵杆、开关和/或按钮的远程控件，或者可以是或包括具有用于相同目的的虚拟控件的触摸屏设备(例如，智能手机或平板计算机)，并且可以采用智能手机或平板计算机或其组合上的应用。
在一些实施例中，终端32可以是智能眼镜。如本说明书中所使用的，智能眼镜可以包括任何可穿戴计算机眼镜或者能够向穿戴者所看到的图像或场景提供附加信息的其他可穿戴物品。智能眼镜可以包括光学头戴式显示器(OHMD)或具有透明的平视显示器(HUD)或增强现实(AR)覆盖的嵌入式无线眼镜，该透明的平视显示器或增强现实覆盖具有对投影的数字图像进行反射并允许用户通过它看见或者利用它更好地看见的能力。智能眼镜可以用作用于例如经由蜂窝技术或Wi-Fi从可移动物体10接收的图像、视频和其他数据或信息的前端显示器。在一些实施例中，智能眼镜还可以经由自然语言语音命令和/或使用智能眼镜上的触摸按钮来控制可移动物体10。
在图2A和图2B所示的示例中，终端32可以包括通信设备34，该通信设备34促进终端32与其他实体(例如，可移动物体10或另一终端32)之间的信息传送。通信设备34可以包括天线或被配置为发送或接收信号的其他设备。终端32还可以包括一个或多个输入设备36，该输入设备被配置为从用户接收输入，用于传送给可移动物体10。图2A示出具有输入设备36的终端32的一个示例性实施例，该输入设备36具有多个输入设备38、40、42和44，该多个输入设备被配置为接收指示可移动物体10或其部件的期望移动的用户输入。然而，要理解，终端的其他可能的实施例或布局是可能的，并且在本公开的范围内。
终端32可以包括输入设备，例如，输入杆38和40、按钮42、触发器44和/或用于从用户接收一个或多个输入的其他类型的输入设备。终端32的每个输入设备可以被配置为生成可向控制器22传送并且可由控制器22使用的输入信号，作为用于进行处理的输入。除了飞行控制输入之外，终端32还可以用于接收其他信息(例如，手动控制设置、自动控制设置、控制辅助设置等)的用户输入，其例如可以经由按钮42和/或触发器44来接收。要理解，终端32可以包括其他或附加输入设备，例如，按钮、开关、拨轮、操纵杆、触发器、触摸板、触摸屏、软键、鼠标、键盘、语音识别设备和/或其他类型的输入设备。
如图2B所示，终端32还可以包括显示设备46，该显示设备46被配置为向用户显示信息和/或从用户接收信息。例如，终端32可以被配置为从可移动物体10接收信号，该信号可以指示与可移动物体10的移动有关的信息或数据和/或使用可移动物体10(例如，结合搭载物14)捕捉的数据(例如，成像数据)。在一些实施例中，显示设备46可以是多功能显示设备，其被配置为在多功能屏幕48上显示信息并且经由该多功能屏幕48接收用户输入。例如，在一个实施例中，显示设备46可以被配置为经由多功能屏幕48接收一个或多个用户输入。在另一实施例中，多功能屏幕48可以构成用于接收用户输入的唯一输入设备。
在一些实施例中，终端32可以是或包括用于接收一个或多个用户输入的交互式图形界面。即，终端32可以提供图形用户界面(GUI)和/或包括输入设备36的一个或多个图形版本，用于接收用户输入。终端32和/或输入设备36的图形版本可在显示设备(例如，显示设备46)或多功能屏幕(例如，多功能屏幕48)上显示，并且包括诸如交互式图形特征(例如，图形按钮、文本框、下拉菜单、交互式图像等)之类的图形特征。例如，在一个实施例中，终端32可以包括输入杆38和40、按钮42和触发器44的图形表示，该图形表示可以被显示在多功能屏幕48上并被配置为经由多功能屏幕48接收用户输入。在一些实施例中，终端32可以被配置为经由图形输入设备(例如，输入设备36的图形版本)接收所有用户输入。终端32可以被配置为结合计算机应用(例如，“app”)生成输入设备36的图形版本，以在任何合适的电子设备(例如，蜂窝电话、平板计算机等)的显示设备或多功能屏幕上提供交互界面，以用于接收用户输入。
在一些实施例中，显示设备46可以是终端32的整体部件。即，显示设备46可以与终端32附接或固定到终端32。在其他实施例中，显示设备可以连接到终端32(以及从终端32断开连接)。即，终端32可以被配置为(例如，经由连接端口或无线通信链路)可电连接到显示设备46和/或可经由安装设备50(例如，通过钳、夹、扣、钩、粘或其他类型的安装设备)以其他方式连接到终端32。
在一些实施例中，终端32可以被配置为与可配置用于控制可移动物体10的移动和/或其他操作方面的电子设备进行通信。例如，显示设备46可以是电子设备的显示部件，该电子设备例如是蜂窝电话、平板计算机、个人数字助理、膝上型计算机或其他设备。以此方式，用户能够将其他电子设备的功能包含在控制可移动物体10的方面中，这可以允许使用更加灵活且更加适用的控制方案。例如，终端32可以被配置为与具有存储器和至少一个处理器的电子设备进行通信，并且可以用于经由与该电子设备相关联的输入设备(例如，多功能显示器、按钮、存储的app、基于网络的应用等)提供用户输入。终端32和电子设备之间的通信还可以被配置为允许接收软件更新包和/或其他信息并且然后将其传送给控制器22(例如，经由通信系统20)。
要注意，如果需要，可以使用其他控制规范，其将经由终端32接收的输入与可移动物体10的期望移动或实际移动相关。
如图3所示，控制器22可以包括一个或多个部件，例如，存储器52和至少一个处理器54。存储器52可以是或可以包括至少一个非暂时性计算机可读介质，并且可以包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储器单元。存储器52的非暂时性计算机可读介质可以是或可以包括任何类型的易失性或非易失性存储器设备，例如包括：软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器和磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪存设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)或者适于存储指令和/或数据的任何类型的介质或设备。存储器单元可以包括非暂时性计算机可读介质的永久和/或可移除部分(例如，可移除介质或外部存储设备，例如，SD卡、RAM等)。
来自感测系统18的信息和数据可以向存储器52的非暂时性计算机可读介质传送并被存储在其中。与存储器52相关联的计算机可读介质还可以被配置为存储可由处理器54执行的逻辑、代码和/或程序指令，以执行本文描述的方法的任何合适的实施例。例如，与存储器52相关联的计算机可读介质可以被配置为存储计算机可读指令，该计算机可读指令在由处理器54执行时，使该处理器执行包括一个或多个步骤的方法。由处理器基于存储在非暂时性计算机可读介质中的指令执行的方法可以涉及处理输入，例如，存储在存储器52的非暂时性计算机可读介质中的数据或信息的输入、从终端32接收的输入、从感测系统18接收的输入(例如，直接从感测系统接收或从存储器获取)、和/或经由通信系统20接收的其他输入。非暂时性计算机可读介质可以被配置为存储将由处理单元处理的来自感测模块的感测数据。在一些实施例中，非暂时计算机可读介质可以用于存储由处理单元产生的处理结果。
图1中的传感设备19可以由图3的示例性实施例中的成像系统19体现。在本公开的实施例中，成像系统19可以包括被配置为收集数据的成像设备，该数据可以用于生成图像，以用于调查、跟踪和捕捉目标(例如，照片或视频拍摄的物体、风景、主题等)的图像或视频。例如，成像设备可以包括照相机、摄像机、红外成像设备、紫外成像设备、x射线设备、超声成像设备、雷达设备等。在该示例性实施例中，成像设备可以被配置为生成目标的光学数据，以用于识别和跟踪该目标。例如，成像设备可以是光学设备，例如，相机或摄像机。成像设备可以被配置为生成指示目标的一个或多个特征的成像数据。成像系统19还可以被配置为经由有线或无线连接(例如，RFID、蓝牙、Wi-Fi、无线电、蜂窝等)与控制器22传送数据(例如，图像帧)和信息。由成像系统19生成并向控制器22传送的数据和信息可以由控制器22用于进行进一步处理。
处理器54可以包括一个或多个处理器，并且可以包含可编程处理器，例如，中央处理单元(CPU)。处理器54可以操作性地与存储器52耦接或与被配置为存储程序或指令的另一存储器设备耦接，该程序或指令可由处理器54执行以执行一个或多个方法步骤。要注意，本文描述的方法步骤可以存储在存储器52中，并且被配置为由处理器54执行以使处理器54执行该方法步骤。
在一些实施例中，处理器54可以包括和/或备选地操作性地与一个或多个控制模块耦接，例如，加速度模块56、角速度模块58和冗余模块60，这将在下文更详细地解释。加速度模块56、角速度模块58和冗余模块60可以通过在处理器54上执行的软件来实现，或者可以通过与处理器54分离的硬件和/或软件部件(图中未示出)来实现。
加速度模块56可以被配置为与感测系统18通信，并确定可移动物体10或可移动物体10的部件的加速度信息，以操纵该可移动物体10或该可移动物体10的部件。加速模块56还可以与载体传感器30通信，以确定载体16和/或搭载物14的状态，并向控制器22的其他部件提供该信息以控制或调整载体16和/或搭载物14。角速度模块58可以被配置为与感测系统18和/或载体传感器30通信，并确定可移动物体10或可移动物体10的部件(例如，载体16)的角速度信息，以操纵该可移动物体10或该可移动物体10的部件。
与所公开的实施例一致，作为导航设备或系统的一部分的感测系统18或载体传感器30可以包括一个或多个多轴传感器，以测量安装有该设备的系统(例如，可移动物体10或载体16)的加速度或角速度，其中，该一个或多个多轴传感器相对于可移动物体10或相对于彼此定位，以改进测量范围、测量精度和容错，并且减少对减振(例如，阻尼)的需求。每个多轴传感器可以包括：三轴加速度传感器、两轴加速度传感器、三轴角速度传感器(例如，陀螺仪)、两轴角速度传感器、包括三轴加速度传感器和三轴角速度传感器(例如，陀螺仪)的六轴传感器、或罗盘。多轴传感器可以是MEMS传感器。
一方面，导航设备可以包括安装在载体上(例如，安装在可移动物体10的物理结构上或可移动物体的载体16上)的多轴传感器，例如，三轴加速度计，其中，该传感器相对于该载体的定位满足某些要求，以改进测量质量，例如，测量范围或容错，如下详细说明的。沿加速度计的正交轴感测或测量加速度，并且加速度模块56可以被配置为通过以下操作来计算载体的坐标系的每个轴的方向上的实际(例如，瞬时)加速度：首先在传感器的坐标系中获得加速度测量，并且通过矩阵乘法或变换将这些测量的加速度转换到可移动物体或载体的坐标系中。
在飞行期间，载体的(或UAV的)坐标系中的垂直振动加速度通常远大于该载体的坐标系的其他两个方向上的加速度。与本公开一致的传感器的定位可以提供加速度测量，该加速度测量具有改进的测量范围并且减少了超出范围或输出饱和误差的机会，特别是在垂直方向上。
在图4A的示例性实施例中，多轴加速度传感器可以被安装在可移动物体(例如，UAV)上，或者可以被安装在该可移动物体上的载体上，使得传感器的坐标系与可移动物体或载体的坐标之间的关系满足相关要求。为了说明的目的，所公开的实施例中的每个参考UAV的坐标系，但是可以预期的是，所公开的实施例备选地可以参考载体的坐标系。另外，以下讨论使用笛卡尔坐标系，但是相同的原理也适用于使用北东地(NED)坐标系或任何其他坐标系的设备和系统。图4A示出将传感器定位成使得传感器的坐标系的xa轴与UAV的坐标系的xb轴对齐但传感器的坐标系的平面yaza相对于UAV的坐标系的平面ybzb成角度
Figure BDA0002401551350000141
的示例。由传感器在其自己的坐标系中测量的加速度根据以下公式(1)与UAV的坐标系中的加速度相对应：
Figure BDA0002401551350000142
其中，fxa，fya，fza分别是传感器的每个感测轴上的加速度，并且fxb，fyb，fzb分别是UAV的坐标系的每个坐标轴上的加速度。基于公式(1)，如果该示例性实施例中的三轴加速度传感器具有感测范围amax，则在UAV的坐标系的垂直方向(即，zb方向)上的最大加速度为
Figure BDA0002401551350000151
当
Figure BDA0002401551350000152
时，在UAV的坐标系的垂直zb方向上的最大加速度将为
Figure BDA0002401551350000153
从而在使用具有较小的感测范围amax的加速度传感器时，有效地增加了加速度在UAV的坐标系的垂直zb方向上的感测范围。
在一些实施例中，多轴加速度传感器可以安装在例如图4B所示的UAV的坐标系中的倾斜平面中，其中该传感器的ya轴与UAV的yb轴对齐，但是该传感器的xaza平面相对于UAV的坐标系的xbzb平面成角度θ。由传感器测量的加速度根据以下公式(2)与UAV的坐标系中的加速度相对应：
Figure BDA0002401551350000154
其中，fxa，fya，fza分别是传感器的每个感测轴上的加速度，并且fxb，fyb，fzb分别是UAV的坐标系的每个坐标轴上的加速度。基于公式(2)，如果三轴加速度传感器具有感测范围amax，则当θ＝45°时，在UAV的坐标系的竖直方向(即，zb方向)上的最大加速度为
Figure BDA0002401551350000155
从而通过使用具有较小的感测范围的加速度传感器，有效地增加了加速度在UAV的坐标系的垂直zb方向上的感测范围。
在又一些实施例中，多轴加速度传感器可以安装在如图4C所示的UAV的坐标系中的倾斜平面中，其中，该传感器的za轴与UAV的zb轴对齐，但是该传感器的xaya平面相对于UAV的坐标系的xbyb平面成角度ψ。由传感器测量的加速度根据以下公式(3)与UAV的坐标系中的加速度相对应：
Figure BDA0002401551350000156
其中，fxa，fya，fza分别是传感器的每个感测轴上的加速度，并且fxb，fyb，fzb分别是UAV的坐标系的每个坐标轴上的加速度。基于公式(3)，如果三轴加速度传感器具有感测范围amax，则当Ψ＝45°时，在UAV的坐标系的yb方向上的最大加速度为
Figure BDA0002401551350000161
从而通过使用具有较小的感测范围的加速度传感器，有效地增加了加速度在UAV的坐标系的yb方向上的感测范围。
在一些实施例中，导航设备可以包括例如图5A所示的在UAV的坐标系中定向的传感器。三轴集成加速度传感器或加速度计50可以经由与UAV固定地连接的结构52安装在该UAV上，例如在该UAV的载体16上的某一位置。传感器的正交感测轴(例如，xayaza)可以通过在UAV坐标系中旋转坐标轴(例如，xbybzb)最多三次来获得。例如，绕zb轴旋转角度ψ产生坐标系O-x1y1zb(O为原点)，如图5B所示。绕x1轴旋转角度θ产生坐标系O-x1yaz1，如图55C所示。绕ya轴旋转角度γ产生坐标系O-xayaza，如图5D所示。由具有坐标轴xayaza的加速度计测量的加速度根据以下公式(4)与UAV的坐标系中的加速度相对应：
Figure BDA0002401551350000162
在一些实施例中，可以基于特定的优化指示器在UAV上安装传感器，例如，以增加感测范围和/或避免由于在UAV的坐标系的垂直方向z上的振动加速度引起的传感器饱和。例如，可以安装传感器，使得可以通过以下方式获得其感测坐标系(O-xayaza)：将UAV的坐标系(o-xbybzb)绕zb旋转角度ψ到O-x1y1zb(图6A)，绕y1旋转角度γ到O-x2y1za(图6B)，以及绕za轴旋转角度θ到O-xayaza(图6C)。由该传感器测量的加速度通过以下公式(5)与UAV的坐标系中的加速度相对应：
Figure BDA0002401551350000163
因此，在UAV的坐标系的zb方向上的加速度可以被分解到传感器的坐标系中的三个感测轴中，从而有效地扩展了加速度在zb方向上的感测范围。例如，当ψ＝45°且γ＝54.74°时，在其上放置三轴传感器的倾斜平面相对于xy平面形成54.74°的角度，并且相应地，加速度在zb方向上的最大感测范围是
Figure BDA0002401551350000171
在一些实施例中，可以通过组合图4A-图4C、图5A-图5D和图6A-图6C中的一个或多个示例性配置来实现用于将传感器安装在例如可移动物体10的载体16上的各种配置。
为了进一步改进导航设备或系统的可靠性，还可以在惯性传感器水平上使用冗余。通常，在UAV上安装并定向主MIMU传感器和副MIMU传感器。如果主MIMU发生故障，则副MIMU仅用于导航。然而，这种常规方法不能很好地利用来自MIMU传感器的冗余信息，并且表现出差的容错和检测。
进一步到一些所公开的实施例，所公开的系统和方法提供了一种导航设备(在感测系统18或载体传感器30或两者中)，该导航设备具有被集成并安装在可移动物体(例如，UAV)上的两个或更多个传感器，并利用传感器的测量之间的冗余来改进该导航设备的可靠性。在这些示例性实施例中，冗余模块58可以被配置为与感测系统18和/或载体传感器30进行通信，并使用来自多个传感器的冗余信息来提供对可移动物体10或该可移动物体10的部件的更好控制。冗余模块58也可以是导航系统的一部分。
图7示出与本公开的实施例一致的导航设备(例如，感测系统18或载体传感器30)包括两个三轴加速度计的示例。UAV 10自己的坐标系是通过轴xb、yb、zb定义的。每个加速度计有其自己的坐标系。第一加速度计沿三个轴x0a、y0a、z0a感测加速度；第二加速度计沿三个轴x1a、y1a、z1a感测加速度。在图7所示的示例中，x0a、y0a、z0a轴是通过以下方式获得的：首先将UAV 10的坐标系绕z轴(最初为zb)旋转角度ψ0，然后绕y轴(y轴此时已经与yb偏移角度ψ0)旋转角度γ0，并且最后绕x轴(x轴此时已经从初始的xb轴经过了两次旋转)旋转角度θ0。同样，x1a、y1a、z1a轴是通过以下方式获得的：首先将UAV 10的坐标系绕z轴(最初为zb)旋转角度ψ1，然后绕y轴(y轴此时已经与yb偏移角度ψ1)旋转角度γ1，最后绕x轴(x轴此时已经从初始的xb轴经过了两次旋转)旋转角度θ1。
由每个加速度计测量的加速度都可以在该加速度计的坐标系中表示为(fxa，fya，fza)，并且在UAV 10的坐标系中表示为(fxb，fyb，fzb)。两者之间的关系可以表示为如下的矩阵乘法：
Figure BDA0002401551350000181
Figure BDA0002401551350000182
如果我们使用定位矩阵H0和H1来表示三个3x3矩阵的乘法：
Figure BDA0002401551350000183
以及
Figure BDA0002401551350000184
则
Figure BDA0002401551350000185
以及
Figure BDA0002401551350000186
其中，H0和H1都是3x3矩阵，并且它们表示两个加速度计的3-D朝向。该两个加速度计可以被组合成6x3的整体定位矩阵H的表示形式：
Figure BDA0002401551350000191
其中，H0＝[h1 h2 h3]T，并且H1＝[h4 h5 h6]T，上标运算符T指示矩阵的转置。
与本公开的实施例一致，整体定位矩阵H可以被确定为提供对传感器的一个或多个方面的改进，例如，特定方向上的感测范围、测量精度、容错等。因此，可以使用以下一个或多个要求来找到正确的定位矩阵H。
a)每个传感器的固有约束，例如，正交性。当使用设计有正交坐标轴的加速度计时，两个加速度计应分别具有三个正交轴，使得：
对于第一加速度计，hi Thj＝0，其中，i，j＝1，2，3，并且i≠j；以及
对于第一加速度计，hm Thn＝0，其中，m，n＝4，5，6，并且m≠n。
要注意，可以使用具有备选的非正交坐标轴的传感器，在这种情况下，正交性不是要求，并且该固有约束将反映传感器的非正交结构。
b)在特定方向上的优化的测量范围。例如，在UAV的坐标系中的垂直方向上的振动加速度通常最大。为最大化感测范围并避免在垂直方向上的过冲，可以通过以下方式来优化定位矩阵H：
Figure BDA0002401551350000192
其中，z＝[001]T选择将在哪个方向上改进感测范围。
c)优化的导航。当将两个或更多个传感器集成在一起以提供冗余信息时，导航在
Figure BDA0002401551350000193
时得到优化，其中，I3是3x3单位矩阵，并且对于两个3轴加速度计n＝6。Shim和Yang在Sensor 2010，10，6497-651中的题为“Optimal Configuration of RedundantInertial Sensors for Navigation and FDI Performance(用于导航和FDI性能的冗余惯性传感器的最佳配置)”的论文中，提供了在这种情况下导航优化的证明。该论文的全文以引用方式并入。
d)优化的信息冗余的利用以及改进的容错水平。当两个或多个传感器未正交放置时，它们的测量值将包括冗余信息。当
Figure BDA0002401551350000194
时，容错被最大化。
e)如果要求a)-d)不产生明确的定位矩阵H，则可以增加其他要求以缩小可能性。例如，如果在垂直方向上对测量范围的优化(要求b))没有产生某个定位矩阵，则可以提出进一步的要求。例如，UAV在前后方向上的加速度可以具有宽的范围，即使不如在垂直方向上的范围那样大。因此，可以确定H，以在前后方向(即，沿x轴)上最大化该范围：
Figure BDA0002401551350000201
其中，x＝[1 0 0]T，并且H∈E1-4假设满足要求a)-d)(E1-4参考该四个要求)。
要求a)-e)仅是示例性的、非限制性的、并且并非全部必需的。在一些实施例中，仅施加这些要求中的一些，例如，b)-e)。在其他实施例中，施加所有要求a)-e)。在其他实施例中，附加要求可以被施加和/或与要求a)-e)中的一些或全部相结合。
一旦定义了要求，就可以采用各种算法(例如，遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等)来找到最佳定位矩阵H。并且然后，定位矩阵H可以用于定位传感器。
图8A示出与本文公开的实施例一致的可以用于安装传感器的示例性方法800。在步骤802中，基于应用的需求来确定对传感器的要求。例如，可以选择上述要求a)-e)中的一些或全部，例如，正交性、特定方向上的优化的测量范围、改进的导航、对信息冗余的更好利用等。根据应用，还可以施加附加要求。在步骤804中，基于在步骤802中识别的要求来确定定位矩阵H。在步骤806中，定位矩阵H用于安装传感器。
图8B示出用于确定定位矩阵H(步骤804)的过程。例如，如果要求正交性(步骤804-1处的查询)，则对于每个传感器，定位矩阵H必须满足hi Thj＝0(步骤804-2)。如果需要在v方向上优化测量范围(步骤804-3处的查询)，其中，v根据需要可以是任何特定方向(例如，z或x方向)，则定位矩阵H必须满足
Figure BDA0002401551350000202
(步骤804-4)。为了获得更好的导航(步骤804-5处的查询)，定位矩阵H必须满足
Figure BDA0002401551350000203
其中，I是单位矩阵(步骤804-6)。为了更好地利用多个传感器上的冗余信息(在骤804-7处的查询)，定位矩阵必须满足
Figure BDA0002401551350000211
(步骤804-8)。然后，如果施加了其他要求(步骤804-9处的查询)，则可以执行对应的计算(步骤804-10)以确定定位矩阵H。
要注意，图8B中的步骤不需要以所示的特定方式来执行。对于特定的应用可以根据情况跳过一些步骤，并且可以根据需要改变或调整计算的顺序。
在所公开的实施例的一个方面，发现对于具有两个3轴加速度计的配置，最佳定位矩阵H为：
Figure BDA0002401551350000212
该定位矩阵将垂直方向上的感测范围提高到加速度计的感测范围的
Figure BDA0002401551350000213
倍，并将x轴方向上的感测范围提高到
Figure BDA0002401551350000214
倍。在该配置中，六个轴中的任意两个轴之间的角度不小于48.1897°，并且沿任何轴的测量到任何其他轴上的投影小于2/3，因此提供了最佳的容错。此外，这种配置提供的测量精度是具有单个传感器的MIMU的测量精度的两倍，因此实现了更好的导航。
一旦找到一个定位矩阵H，就可以容易地获得其他相关的等价矩阵。例如，对于任何传感器，交换其定位矩阵的两行(例如，H1中的h1和h2)并改变第三行的方向，产生具有与H相同的属性或质量的等价矩阵H′：
Figure BDA0002401551350000215
备选地，交换系统矩阵H中任何两个传感器的定位矩阵产生具有与H相同的质量或属性的另一个等价矩阵H″。
上述各种实施例使用加速度计作为示例。相同的原理适用于其他类型的传感器，例如，测量角速度的陀螺仪传感器，或者相同的原理适用于传感器(感测系统18和/或载体传感器30)包括加速度计和陀螺仪两者的情况。MEMS传感器还可以包括一个或多个罗盘。此外，以上讨论的实施例使用两个加速度计作为示例。相同的原理适用于导航设备包括集成在一起的两个以上的传感器的情况。
例如，与本公开一致的导航设备可以包括两个3轴MEMS陀螺仪。一方面，将陀螺仪中的一个水平放置并与UAV的坐标系对齐，并且将另一个陀螺仪倾斜放置。因此，第一个陀螺仪的定位矩阵为3x3单位矩阵：
Figure BDA0002401551350000221
可以基于以上概述的要求中的一些要求，特别是优化的导航和改进的容错水平，来确定总体定位矩阵，并且满足这些要求的一个示例性矩阵可以是：
Figure BDA0002401551350000222
因此，第二个陀螺仪的定位矩阵为
Figure BDA0002401551350000223
可以使用上述相同的方法来获得等价矩阵。一旦确定了定位矩阵，就可以将其用于配置两个MEMS陀螺仪。
同样，与本公开一致的导航设备可以包括多个罗盘。例如，在具有三个3轴MEMS罗盘的导航设备中，可以将一个罗盘水平放置并与UAV对齐，并且将另外两个倾斜放置。第一个罗盘的定位矩阵是3x3单位矩阵：
Figure BDA0002401551350000224
在以上概述的要求的情况下，优化的系统定位矩阵可以是：
Figure BDA0002401551350000231
或：
Figure BDA0002401551350000232
或：
Figure BDA0002401551350000233
同样，可以使用上述相同的方法来获得等价矩阵。一旦确定了定位矩阵，就可以将其用于配置MEMS罗盘。
在步骤806中，如上所述，定位矩阵H用于定位传感器。MEMS传感器的形状通常是矩形长方体形状，其具有非常低的侧面或可忽略的高度。因此，如图7所示，两个阴影矩形被示出以表示两个MEMS传感器，其中，每个传感器的z轴位于垂直于矩形平面的方向上。每个定位矩阵H0或H1的第三行表示z轴的方向，并且其他两行分别表示x轴和y轴。因此，矩阵的行定义了传感器的轴的方向，并且可以在制造期间直接用于配置传感器的朝向。
传感器可以被固定到支撑结构，该支撑结构本身被固定到可移动物体或载体。该支撑结构可以是刚性支撑结构，例如，根据定位矩阵H组装在一起的金属基板。图9提供了示例性MIMU结构900，其中，若干个传感器902被安装在倾斜表面904上。该结构为刚性形式，并且一旦组装了MIMU，传感器就不会相对于彼此移动。表面904的倾斜和其上的传感器902的朝向由定位矩阵H确定。由塑料或其他合适材料制成的壳体906固定并保护安装在表面904上的传感器。另外，MIMU结构900可以通过螺钉或其他合适的方式被封装在壳体908中。备选地，传感器也可以固定在可移动支撑结构上，该可移动支撑结构可以被调整到不同的位置以允许适应不同的环境或应用。该可移动结构可以例如包括可以由控制器(例如，处理器)控制的云台(或微型云台)。因此，安装在该云台上的传感器可以基于定位矩阵H的变化来改变其位置和朝向。可移动支撑结构提供适应不同应用、环境或条件的灵活性，使得不需要因环境的改变(这可能要求定位矩阵H改变)而重新组装其部件。
传感器可以被组装或集成到导航单元中，该导航单元随后可以被组装到平台(例如，云台)或载运工具(例如，UAV或汽车)中，以提供对该平台或载运工具的状态的测量。一方面，导航单元可以是固定的。即，传感器在单元中的相对定位不能相对于彼此变化。在这种情况下，在构造或组装导航设备之前执行步骤802和804，并且在构造或组装期间执行步骤806。例如，人类可以选择要求，并且单独的处理器或计算机可以使用与所选择的要求相关联的算法来求解定位矩阵。然后将该定位矩阵用于该单元的构造中，以定位传感器。
另一方面，导航单元可以是自适应的。换句话说，传感器的位置可以在构造之后被控制和调整。在这种情况下，可以基于人工输入或对环境的检测来选择要求，嵌入在导航单元中的处理器或嵌入在放置有导航单元的平台或载运工具中的处理器可以在每个操作期间或之前求解定位矩阵，并且传感器的支撑结构被控制以相应地调整传感器的位置。
代替单个导航单元，与本公开的实施例一致的导航设备或系统也可以是分布式的，即，导航设备的传感器散布在平台或载运工具中。如在单个导航单元中那样，可以在组装或构造平台或载运工具期间和/或在操作期间，在分布式导航设备或系统中执行传感器的定位。
所公开的系统和方法可以改进感测UAV的运动和状态的范围，而不需要具有较大的操作感测范围的传感器。另外，由于传感器在UAV和/或其载体上的倾斜设置，可以减少导航设备的减振设计。在导航设备包括倾斜地安装在UAV和/或其载体上的集成六轴MEMS传感器(例如，三轴加速度MEMS传感器和三轴MEMS陀螺仪)的示例实施例中，可以同时有效地增加UAV的加速度的感测范围和角速度的感测范围。
加速度模块56和角速度模块58(也作为导航设备或系统的部分)可以与传感器(感测系统18和/或载体传感器30)进行通信，以通过如上所述的矩阵变换来转换传感器在其自身的坐标系中感测到的角速度，从而计算在UAV的坐标系的每个轴的方向上的实际(例如，瞬时)加速度和角速度。在这些示例性实施例中，可以增加UAV的坐标系中的加速度和角速度的感测范围，并且可以减少或避免MEMS陀螺仪的过冲和饱和的常规问题。
以上讨论中的定位矩阵仅作为示例提供。可以实现不同的矩阵以获得相似的结果。并且可以设想的是，当特定的定位矩阵用于配置导航设备中的传感器时，所产生的配置可能不是该定位矩阵的精确实现，并且在容差或裕度内的误差不会影响设备或系统的有效性。
所公开的包括传感器的冗余配置的实施例还可以用于多个集成的两轴MEMS传感器和三轴MEMS传感器的任意组合。传感器配置可以包括MEMS传感器的平面安装或MEMS传感器的任何其他空间安装。不同的配置(例如，安装角度)可以沿UAV坐标系中的轴增加对应的加速度/角速度检测范围，同时还可以改进容错和对加速度/角速度惯性测量信息的冗余检测。
本公开的所公开的实施例提供了用于将一个或多个惯性测量单元安装在可移动物体(例如，UAV、UAV的部件或UAV的载体)上的示例性方法和系统，用于在不使用需要更大的操作测量范围的传感器的情况下有效地增加惯性测量范围。所公开的实施例还可以经由冗余配置进一步改进导航设备的可靠性。例如，将集成的三轴MEMS线性加速度传感器安装在UAV上，并且每个轴彼此正交，使得在UAV的垂直方向上具有较大幅度的振动加速度被分解到MEMS传感器的相应感测轴中。可以通过合成(例如，经由变换矩阵)MEMS传感器的每个感测轴的测量值来获得在UAV的垂直方向上的振动加速度。以这样的方式，可以通过具有相对较低的操作感测范围的传感器来测量具有高幅度的加速度，从而有效地扩展了系统的加速度感测范围。当使用集成的六轴MEMS传感器时，可以有效地增加UAV的线性加速度感测范围和角速度感测范围。进一步对于一些实施例，通过将传感器冗余地安装在UAV上，可以改进惯性测量系统的容错。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以对所公开的方法和系统做出各种修改和变化。通过思考对所公开的方法和系统的说明和实践，其他实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在将说明书和示例仅视为示例性的，其真实范围由所附权利要求及其等同物指示。

Claims (44)

1.一种可移动物体，包括：
多个致动设备，配置为移动所述可移动物体；
处理器，配置为控制所述致动设备和所述可移动物体的移动；以及
至少一个传感器，所述传感器的坐标系实质上不与所述可移动物体的坐标系对齐，
其中，所述传感器感测所述可移动物体的状态，并且所述处理器基于感测到的状态来控制推进设备和所述可移动物体的移动。
2.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括微机电系统MEMS传感器。
3.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括三轴加速度计。
4.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括三轴陀螺仪。
5.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括两轴加速度计。
6.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括六轴传感器，所述六轴传感器包括一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪。
7.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括罗盘。
8.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括三轴传感器，并且所述传感器的三个轴之一平行于所述可移动物体的坐标系的轴。
9.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括三轴传感器，并且所述传感器的三个轴均不平行于所述可移动物体的坐标系的任何轴。
10.根据权利要求1所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器被安装在所述可移动物体上，使得所述可移动物体的坐标系中的垂直方向上的感测范围大于沿所述传感器的坐标系的任何轴的感测范围。
11.一种可移动物体，包括：
多个致动设备，被配置为移动所述可移动物体；
处理器，被配置为控制所述致动设备和所述可移动物体的移动；以及
至少一个传感器，其中，所述至少一个传感器的定位提供改进的导航、改进的容错和特定方向上的改进的测量范围中的一项或多项，
其中，所述至少一个传感器感测所述可移动物体的状态，并且所述处理器基于感测到的状态来控制推进设备和所述可移动物体的移动。
12.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括微机电系统MEMS传感器。
13.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括两轴加速度计、三轴加速度计、三轴陀螺仪、或罗盘中的一个或多个。
14.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述可移动物体是无人机UAV。
15.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述特定方向是垂直方向。
16.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括安装在所述可移动物体上的刚性平台上的两个或更多个传感器。
17.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器是根据定位矩阵H来进行定位的，所述定位矩阵被确定以提供改进的导航、改进的容错和特定方向上的改进的测量范围中的一项或多项。
18.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述定位矩阵H可以被表示为
Figure FDA0002401551340000031
其中，h1，h2，...hn是向量，每个向量定义所述至少一个传感器的一个轴在所述可移动物体的坐标系中的方向。
19.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000032
以在v方向上提供改进的测量范围，其中，v可以是所述可移动物体的坐标系中的任何方向，例如竖直方向或水平方向，hi是所述定位矩阵H的第i行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
20.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000033
以提供改进的导航，其中，I是单位矩阵，n是两个或更多个传感器的轴的总数，并且上标运算符T指示矩阵的转置。
21.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000034
以提供改进的容错，其中，hi和hj分别是所述定位矩阵H的第i行和第j行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
22.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括两个三轴传感器，并且在误差容限内，所述定位矩阵H为：
Figure FDA0002401551340000035
或其等价矩阵；
或者
Figure FDA0002401551340000036
或其等价矩阵。
23.根据权利要求17所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括三个三轴传感器，并且在误差容限内，所述定位矩阵H为：
Figure FDA0002401551340000041
或其等价矩阵；
或者：
Figure FDA0002401551340000042
或其等价矩阵；
或者：
Figure FDA0002401551340000043
或其等价矩阵。
24.根据权利要求11所述的可移动物体，还包括用于承载搭载物的载体，其中，所述至少一个传感器安装在载体上。
25.根据权利要求11所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器安装在所述可移动物体上。
26.一种可移动物体，包括：
多个致动设备，被配置为移动所述可移动物体；
处理器，被配置为控制所述致动设备和所述可移动物体的移动；以及
至少一个传感器，被安装在可调平台上，
其中，所述至少一个传感器感测所述可移动物体的状态，并且所述处理器基于感测到的状态来控制推进设备和所述可移动物体的移动，并且
其中，所述处理器被配置为基于对所述至少一个传感器的一个或多个要求来对所述平台进行调整。
27.根据权利要求26所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括微机电系统MEMS传感器。
28.根据权利要求26所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括加速度计、陀螺仪和/或罗盘。
29.根据权利要求26所述的可移动物体，其中，所述至少一个传感器包括两轴或三轴传感器。
30.根据权利要求26所述的可移动物体，其中，所述一个或多个要求包括改进的导航、改进的容错和特定方向上的改进的测量范围中的一项或多项。
31.根据权利要求30所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为从所述可移动物体的用户接收对所述要求的说明。
32.根据权利要求26所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为基于所述一个或多个要求来确定定位矩阵H，并对所述平台进行调整，以符合所述定位矩阵H。
33.根据权利要求32所述的可移动物体，其中，所述定位矩阵H可以被表示为
Figure FDA0002401551340000051
其中，h1，h2，...hn是向量，每个向量定义所述至少一个传感器的轴在所述可移动物体的坐标系中的方向，并且其中，所述处理器被配置为对所述平台进行调整，以使安装在所述平台上的所述至少一个传感器与所述向量定义的方向对齐。
34.根据权利要求32所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为确定所述定位矩阵H，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000052
以在v方向上提供改进的测量范围，其中，v可以是所述可移动物体的坐标系中的任何方向，例如竖直方向或水平方向，hi是所述定位矩阵H的第i行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
35.根据权利要求32所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为确定所述定位矩阵H，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000061
以提供改进的导航，其中，I是单位矩阵，n是两个或更多个传感器的轴的总数，并且上标运算符T指示矩阵的转置。
36.根据权利要求32所述的可移动物体，其中，所述处理器被配置为确定所述定位矩阵H，所述定位矩阵H满足
Figure FDA0002401551340000062
以提供改进的容错，其中，hi和hj分别是所述定位矩阵H的第i行和第j行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
37.根据权利要求32所述的可移动物体，其中，所述平台包括两个或更多个单独可移动的结构，所述至少一个传感器包括两个或更多个分别安装在所述单独可移动的结构上的传感器，并且所述处理器被配置为对所述单独可移动的结构进行调整，以使所述传感器的定位符合所述定位矩阵H。
38.一种用于定位可移动物体中的至少一个传感器的方法，包括：
识别针对所述至少一个传感器的一个或多个要求；
基于所述一个或多个要求来确定定位矩阵；以及
基于所述定位矩阵来定位所述至少一个传感器。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述一个或多个要求包括改进的导航、改进的容错和特定方向上的改进的测量范围中的一项或多项。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，表示为H的定位矩阵可以被表示为
Figure FDA0002401551340000063
其中，h1，h2，...hn是向量，每个向量定义所述至少一个传感器的轴在所述可移动物体的坐标系中的方向。
41.根据权利要求38所述的方法，其中，识别所述一个或多个要求包括识别所述至少一个传感器的特定方向v上的改进的测量范围，并且确定所述定位矩阵包括找到满足
Figure FDA0002401551340000064
的定位矩阵H，其中，v可以是所述可移动物体的坐标系中的任何方向，例如竖直方向或水平方向，hi是所述定位矩阵H的第i行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
42.根据权利要求38所述的方法，其中，识别所述一个或多个要求包括识别所述至少一个传感器的改进的导航，并且确定所述定位矩阵包括找到满足
Figure FDA0002401551340000071
的定位矩阵H，其中，I是单位矩阵，n是两个或更多个传感器中的轴的总数，并且上标运算符T指示矩阵的转置。
43.根据权利要求38所述的方法，其中，识别所述一个或多个要求包括识别所述至少一个传感器的改进的容错，并且确定所述定位矩阵包括找到满足
Figure FDA0002401551340000072
的定位矩阵H，其中，hi和hj分别是所述定位矩阵片的第i行和第j行，并且上标运算符T指示矩阵或向量的转置。
44.根据权利要求38所述的方法，还包括：
识别所述可移动物体在其中移动的环境或应用的变化；
识别对所述至少一个传感器的一个或多个新要求；
基于所述新要求确定新的定位矩阵；以及
基于所述新的定位矩阵重新定位所述至少一个传感器。
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