[发明专利]低成本惯性导航系统

说明书

本公开涉及一种地下采矿车辆，该地下采矿车辆包括：三轴MEMS陀螺仪，其可绕旋转轴线旋转；以及陀螺仪接口，其计算：相对于与所述旋转轴不同的第一轴的第一旋转速率偏差；相对于与所述第一轴和所述旋转轴不同的第二轴的第二旋转速率偏差；通过使用所述第一旋转速率偏差和所述第二旋转速率偏差校正所述旋转测量数据基于地球旋转速率矢量计算绕所述旋转轴的旋转速率；并且基于所计算的绕所述旋转轴的旋转速率计算相对于所述旋转轴的第三旋转速率偏差。导航单元接收所述第一旋转速率偏差、所述第二旋转速率偏差和所述第三旋转速率偏差，并计算所述车辆的姿势。

相关申请的交叉引用

本申请要求澳大利亚临时申请2017901179和澳大利亚完整申请2017232241的优先权，这两者的内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及惯性导航系统和方法。

背景技术

导航是在移动车辆中进行的基本过程，并且广义上包括参考全球参考系确定车辆的当前位置和姿势，使得能够朝向目标位置或沿目标路径确定方向或路径。一些导航方法依赖于参考信息，例如恒星、地标或卫星(GNSS)。然而，在诸如地下采矿之类的某些应用中，这种参考信息并不总是可用的。因此，车辆的导航单元通常基于航位推测来导航。这涉及到确定车辆行驶的速度和方向，然后将相应的矢量添加到当前位置以预测新位置。

虽然能够相对准确地确定当前速度或加速度，但是通常难以确定北方向。加速度计足够准确，可以用来确定由于地球铅垂重力(或简称“重力矢量”)引起的加速度的局部矢量方向，该局部矢量方向是由于地球的重力和向心旋转引起的加速度的组合，并且等效于局部水平表面(或简称“局部水平面”)的表面法线。图1示出了地球100绕北轴101旋转，如箭头102所示。车辆103位于地球100上(不是按比例的)。图1示出了包括x轴106、y轴107和z轴108的车辆参考系105。假设车辆103是水平的，则z轴表示表面法线，这意味着车辆103姿势中唯一未知的是参考系105绕z轴的旋转。确定旋转或换句话说确定y轴107(或x轴106)的方向的过程被称为寻北。如果陀螺仪足够准确，可以检测到地球的旋转速率，那么陀螺仪可以用于寻北。基于地球的旋转速率的矢量(或简称为“旋转速率矢量”)以及局部测量的重力矢量，能够完全确定局部参考系105相对于地球参考系的取向。这允许将车辆转向到期望的方向(例如正北方或任何其他方向)。

Bojja等人在2016年6月8日的IEEE Sensors Journal(IEEE传感器期刊)中的“Compact North Finding System(紧凑型寻北系统)”公开了一种寻北系统，该寻北系统包括2轴MEMS加速度计和1轴光纤陀螺仪(FOG)速率传感器。FOG的优点在于它们具有良好的准确度，但它们的缺点是它们的光纤部件难以制造，这使得这些装置昂贵。

发明内容

本公开提供了一种使用三轴MEMS陀螺仪的寻北系统。该系统允许执行校正过程，该校正过程估计所有三个轴中的旋转速率偏差，并使用该旋转速率偏差来校正低成本MEMS陀螺仪中固有的不准确性。

MEMS代表微机电系统，通常是尺寸在20微米到1毫米之间的系统，并且包括电子部件和机械部件。在MEMS陀螺仪的情况下，存在机械部件(例如振动质量块)以及检测振动质量块的面外振动的电子部件。机械部件和电子部件通常被制造成一体的结构。例如，通过研磨或蚀刻在同一硅衬底上制造检重块(weight)，例如通过光刻在硅衬底上制造电子部件。

地下采矿车可以包括长壁采矿机(包括相关的轨道、顶棚支架、驱动器、输送机，平台装载机和破碎机)、连续采矿机、巷道掘进机、装载机、搬运机、人员运输工具、救援车、穿梭式矿车、灵活的装送列车、刨煤机或具有或不具有从矿井中移除材料的提取装置的任何其他机器设备。

地下采矿车辆包括：

三轴MEMS陀螺仪，其安装在旋转器上，所述旋转器构造成使所述三轴MEMS陀螺仪绕旋转轴旋转成多个不同取向；