用于惯性测量单元（IMU）的自测试的系统和方法与流程

用于惯性测量单元(imu)的自测试的系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年8月19日提交的题为“system and method for self-test of inertial measurement unit(imu)(用于惯性测量单元(imu)的自测试的系统和方法)”的美国临时专利申请序列第63/067,392号的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
2.本发明总体上涉及自测试系统，并且尤其涉及位于交通工具上的惯性测量单元(imu)的自测试系统。


背景技术：

3.交通工具通常采用惯性测量单元，所述惯性测量单元包括用于确定交通工具的速度、取向和/或位置的一个或多个加速计和/或陀螺仪。imu数据可用于各种应用，包括用于自动驾驶交通工具。例如，imu数据可以用于提供交通工具的航位推算位置估计(例如，如果gps定位不可用或提供错误数据)。
4.通常，imu安全地安装在交通工具内，其中imu的取向外推至交通工具的取向。将期望提供一种检测故障imu的系统和方法——一种自测试能力。


技术实现要素：

5.根据一个方面，测试惯性测量单元(imu)的方法包括检测imu外部产生的机械刺激事件。所述方法还包括从imu接收imu数据，该imu数据包括关于机械刺激事件而收集的imu数据，并且基于响应于机械刺激事件而记录的imu数据来确定imu有效性。
6.根据另一个方面，测试惯性测量单元(imu)的主动方法包括发起机械刺激。所述方法还包括从imu接收imu数据，该imu数据包括在机械刺激期间所收集的imu数据，并且基于在机械刺激期间所收集的imu数据来确定imu有效性。
7.根据另一个方面，惯性测量单元(imu)自测试系统包括imu和控制电路。在一些实施例中，控制电路被配置为接收由imu收集的imu数据和指示机械刺激的来自imu外部的系统的输入。控制电路利用响应于机械刺激而收集的imu数据来确定imu有效性。
附图说明
8.图1是交通工具和相关联的xyz参考系以及横摇-俯仰-偏航(rpy)参考系的等距视图。
9.图2是根据一些实施例的imu自测试系统的框图。
10.图3是示出根据一些实施例的进行imu自测试的方法的流程图。
11.图4是示出根据一些实施例的进行被动imu自测试的方法的流程图。
12.图5是示出根据一些实施例的发起主动imu自测试的方法的流程图。
具体实施方式
13.根据一些方面，本公开内容提供了基于imu外部发生的刺激事件来对惯性测量单元(imu)进行自测试的系统和方法。imu自测试可用于验证imu的安装完整性和取向。在一些实施例中，无需附加的或新的硬件以产生刺激事件——相反，作为正常交通工具操作的一部分而发生的事件被用作刺激事件。例如，门的打开/关闭、发动机的启动等可以被用作刺激事件。在其他实施例中，刺激事件可由系统发起，诸如激活交通工具扬声器或主动悬架。
14.图1是交通工具100和相关联的xyz参考系以及横摇-俯仰-偏航(rpy)参考系的等距视图。在一些实施例中，imu 102安装于交通工具100上。在一些实施例中，imu 102是使用加速计、陀螺仪和/或磁强计的组合来测量和报告主体的特定力、角速率和/或身体的取向的电子设备。在一些实施例中，imu 102通过使用一个或多个加速计检测线性加速度且使用一个或多个陀螺仪检测旋转速率来工作。如图1中所示，沿纵轴、横轴和垂直轴(x、y和z)限定线性加速度。如图1中所示，沿着相同的三个轴限定旋转速率并且旋转速率称为横摇、俯仰和偏航(p、q和r)。在一些实施例中，imu 102可针对三个主轴(俯仰、横摇和偏航)中的每一个包括一个加速计、陀螺仪和磁强计。
15.在一些实施例中，imu 102刚性安装到交通工具，以使得imu 102所感测到的加速度和旋转力与交通工具100所经受的加速度和旋转力相对应。如果imu 102断开(即非刚性)固定至交通工具，则imu所收集到的imu数据将不对应于与交通工具100相关联的实际加速度/旋转力。在一些实施例中，imu 102的有效性检查测试交通工具100所经受的力是否与由imu 102测量到的力相对应。另外，imu的取向必须参考交通工具的取向。即，由imu 102解释为在正x方向上为纵向的力应与交通工具100上的在正x方向上的力相对应。在一些实施例中，有效性检查包括验证imu 102相对于交通工具的取向。
16.如下文更详细地描述，在一些实施例中，imu自测试是通过利用源自imu 102外部但可由imu 102测量的刺激事件(即机械扰动)来进行的，以用于验证imu数据的有效性。在一些实施例中，这包括了确定imu 102正确固定(即，安装完整性)和/或确定imu 102相对于交通工具正确地取向中的一个或两个。imu自测试系统所使用的刺激事件可包括由imu自测试系统发起的刺激(本文称为主动刺激)或在没有来自imu自测试系统的输入的情况下发生但仍由imu自测试系统使用的刺激(本文称为被动刺激)。例如，由imu自测试系统发起的主动刺激事件可包括经由一个或多个扬声器来生成音频信号，所述音频信号可由imu 102检测和/或激活交通工具的主动悬架系统，以创建可由imu 102检测的机械刺激。在未由imu自测试系统发起的情况下被使用的被动刺激事件的示例可包括门打开/关闭、发动机启动、行李箱打开/关闭或者导致可由imu 102检测到的机械扰动的其他事件。在一些实施例中，无论刺激事件是主动发起还是被动发起，刺激事件的起源都用于确定预期的imu响应。例如，乘客侧门打开/关闭时提供与驾驶侧门打开/关闭时的机械刺激(例如，在正y方向上的加速度)不同的机械刺激(例如，在负y方向上的加速度)，所述机械刺激中的每一个都造成不同的imu响应。在一些实施例中，刺激事件的起源可用于验证imu的取向。驾驶员侧门的打开/关闭导致imu信号与负y方向上的加速度相对应，这可指示imu的取向方面的错误(例如，向后安装)。以此方式，imu自测试可以用于验证imu安装完整性和imu取向中的一个或两个。
17.图2是根据一些实施例的imu自测试系统200的框图。在一些实施例中，imu自测试系统200包括imu 202和控制电路206。imu 202所收集的imu数据210被传达至控制电路206
以用于进行分析从而确定imu有效性。在一些实施例中，imu有效性包括imu安装完整性和imu取向完整性中的一个或两个，其中imu安装完整性指的是imu 202与交通工具的物理连接，并且imu取向完整性指的是imu 202相对于交通工具的取向。在一些实施例中，交通工具可包括单个imu或多个imu。
18.imu自测试依赖于由imu 202外部的系统生成的刺激事件208，本文称为外部刺激发生器204。在一些实施例中，外部刺激发生器204可包括门打开/关闭、发动机启动、扬声器、行李箱/舱口打开/关闭、主动悬架、或者能够产生可由imu 202检测的机械刺激事件208的交通工具的其他部件。在一些实施例中，外部刺激发生器204与控制电路206进行通信。在一些实施例中，这可包括从控制电路206接收事件发起请求212，事件发起请求212指示外部刺激发生器204发起刺激事件208(即，主动发起的imu自测试)，诸如发起扬声器输出或激活主动悬架。在其他实施例中，控制电路206可从外部刺激发生器204接收事件通知213，事件通知213给控制电路206通知刺激事件208的发生或即将发生。例如，在感测到驾驶员侧门被打开之后，可以向控制电路206传达关于门打开事件的事件通知213，并且可以进一步提供被打开的是驾驶员侧门的信息。在驾驶员侧门打开事件期间收集的imu数据210可以用于确定imu有效性。在一些实施例中，在感测到驾驶员侧门已经被打开之后，可向控制电路206传达关于即将发生门关闭事件的可能性的事件通知213。在一些实施例中，响应于标识驾驶员侧门打开事件的接收到的事件通知213，控制电路206向imu 202发起imu初始化/唤醒消息218，以在预期门关闭事件时开始收集imu数据。在一些实施例中，imu初始化/唤醒消息218指令imu 202开始收集imu数据。在一些实施例中，imu初始化/唤醒消息218用于配置imu 202以用于进行imu自测试。例如，在一些实施例中，imu 202可以由imu初始化/唤醒消息218配置为在自测试期间收集具有修改的响应增益或带宽(例如，增加的增益和/或增加的带宽)的imu数据。在一些实施例中，这可在确定imu 202的有效性过程中提供更准确的结果。在一些实施例中，外部刺激发生器204响应于传达至控制电路206的驾驶员侧门关闭事件而生成事件通知213。在一些实施例中，事件通知213可包括标识驾驶员侧门何时关闭的时间戳。作为响应，控制电路206分析在门关闭事件期间收集的imu数据以确定imu有效性。
19.在一些实施例中，外部唤醒机制216与控制电路206进行通信，提供输入220，输入220向控制电路206通知即将发生的刺激事件。例如，在一些实施例中，外部唤醒机制216是由用户用于从一距离处解锁交通工具的遥控钥匙。在一些实施例中，当处于范围内时，遥控钥匙由控制电路206自动检测。在其他实施例中，当用户使用遥控钥匙来解锁交通工具时，控制电路206从遥控钥匙接收输入220。在一些实施例中，从外部唤醒机制216(例如，遥控钥匙)接收的信号指示即将到来的刺激事件208(诸如门被打开/关闭或发动机起动)的高概率。在一些实施例中，响应于从外部唤醒机制216接收到的输入220，控制电路206生成提供给imu 202的imu初始化/唤醒消息218，以发起imu数据210的收集。如上所讨论的，在一些实施例中，imu初始化/唤醒消息218用于开始记录imu数据210。在其他实施例中，imu初始化/唤醒消息218用于初始化imu 202，其可包括修改与imu数据210的收集相关联的响应增益和/或带宽。
20.响应于在刺激事件期间从imu 202收集的imu数据210，控制电路206确定imu有效性并且生成imu有效性输出214。在一些实施例中，控制电路206仅基于所收集的imu数据210进行确定。在其他实施例中，控制电路206将所收集的imu数据210与其他输入进行组合以确
定imu有效性。在一些实施例中，对被产生的机械刺激的类型(例如，乘客门打开/关闭)和/或与刺激事件208相关联的定时(例如，标识乘客门何时被打开/关闭的时间戳)进行标识的从外部刺激事件发生器204接收到的事件通知213可与所收集的imu数据结合利用，以确定imu有效性。例如，标识刺激事件208是由乘客侧门被打开和/或关闭而生成的输入可与所收集的imu数据210结合利用，以确定imu有效性。如果控制电路206确定所收集的imu数据210反映了针对乘客侧门被打开和/或关闭的预期的响应，则控制电路206确认imu有效性——这可包括imu安装完整性和imu取向。如果控制电路206确定所收集的imu数据210未反映针对乘客侧门被打开和/或关闭的预期的响应(由于不正确安装和/或不正确取向)，则控制电路206生成指示检测到故障状态的imu有效性输出214。在一些实施例中，可经由显示器或错误警告来将imu有故障的指示传达至用户。在一些实施例中，也可利用imu数据将imu有故障的确定传达至下游系统。
21.在一些实施例中，确定所收集的imu数据210是否反映了针对刺激事件208的预期响应是基于所收集的imu数据210与表示预期的imu响应的参考imu数据之间的比较。在一些实施例中，控制电路206存储多个预期的imu响应简档，每个预期的imu响应简档对应于可能的刺激事件208。例如，一个预期的imu响应可对应于打开乘客侧门，而另一个可对应于关闭乘客侧门。即，imu自测试系统所使用的每个刺激事件208可对应于预期的imu响应。在一些实施例中，控制电路206接收标识刺激事件的输入，其中控制电路将所收集的imu数据与对应于所标识的刺激事件的预期的imu响应进行比较。在一些实施例中，控制电路206可以利用所标识的刺激事件208来更新或修改预期的imu响应。例如，控制电路206可以基于用户关门的典型方式来更新预期的imu响应。在一些实施例中，更新或修改预期的imu响应可利用神经网络(即，人工智能)来学习特定交通工具和/或特定用户(例如，用力关门的用户相比于和缓地关门的用户)的预期的imu响应。在一些实施例中，可从其他系统接收附加输入，所述附加输入可用于修改预期的imu响应简档。例如，控制电路206可以基于指示了乘客在交通工具内就座的从座椅占用检测传感器接收到的输入来修改预期的imu响应曲线(假设乘客的存在修改了预期的imu响应)。以该方式，控制电路206可以融合一个或多个传感器输入，以选择预期的imu响应简档。
22.图3是示出根据一些实施例的进行imu自测试的方法的流程图。在步骤302处，接收刺激事件的通知。在一些实施例中，几乎在产生刺激事件的同时生成且传达通知。例如，在一些实施例中，门传感器可以指示门已经被打开，并且可以发起与控制电路的关于刺激事件的通信。为了利用门打开事件，imu需要在知道刺激事件之前收集imu数据并且将所收集的imu数据传达给控制电路。在其他实施例中，关于即将发生的刺激事件提供所接收的通知。例如，门传感器可提供门已经被打开的通知。在此示例中，门打开事件不被用作刺激事件，但门已经被打开的指示被用作关于即将发生的门关闭事件的通知。在其他实施例中，从遥控钥匙接收到的输入可被用作即将发生的刺激事件(例如，门打开/关闭、发动机启动等)的通知。
23.在步骤304处，接收由imu在刺激事件期间收集到的imu数据。在一些实施例中，控制电路响应于在步骤302处接收到的即将发生的刺激事件的通知，将唤醒消息传达到imu。在其他实施例中，imu被配置为持续收集imu数据，因此不需要任何通知或唤醒消息。
24.在步骤306处，根据接收到的imu数据确定imu有效性。在一些实施例中，仅imu数据
就足以作出关于imu有效性的一些确定。例如，imu检测到刺激事件的事实可指示imu正常地工作——至少在某种程度上是如此。在一些实施例中，基于imu数据和关于刺激事件的信息的组合来确定imu有效性。例如，刺激事件的类型(例如，门打开、门关闭、发动机启动等)可以与接收到的imu数据结合利用，以确定imu有效性。即，门关闭事件(更具体地说，驾驶员侧门关闭事件)预计将生成特定的imu响应。可以通过将所收集的imu数据与预期的imu响应进行比较来确定imu有效性，其中预期的imu数据基于知道刺激事件。
25.图4是示出根据一些实施例的进行被动imu自测试的方法400的流程图。在步骤402处，控制电路监测用于指示即将到来的刺激事件的输入。在一些实施例中，这可包括接收来自外部系统(如遥控钥匙)的输入，所述输入指示门已被解锁且门打开/关闭事件可能即将发生。在其他实施例中，可利用其他输入，诸如交通工具放置在停车场或发动机关闭——再次指示至少一个门将被打开/关闭的可能性。在其他实施例中，各种其他输入可被用于检测即将到来的刺激事件。
26.在步骤404处，作出是否检测到即将发生的事件的确定。如果未检测到即将发生的事件，则方法在步骤402处继续，监测用于指示刺激事件的输入。如果已检测到即将发生的事件，则在步骤406处，将消息传达给正在收集imu数据的imu(假设默认模式是imu不连续地收集imu数据)。在一些实施例中，传达到imu的唤醒消息仅指令imu开始收集imu数据。在一些实施例中，传达到imu的唤醒消息还可用于为了imu自测试的目的而配置imu数据的收集。例如，在一些实施例中，为了进行imu自测试的目的，修改imu的响应增益和/或带宽。在一些实施例中，增加增益和/或带宽以提供更准确的imu数据或检测更细微的机械扰动。
27.在步骤408处，标识即将发生的刺激事件。在一些实施例中，对即将发生的刺激事件的标识可基于与在步骤402和404处用于标识即将发生的刺激的信息不同的附加信息。例如，在步骤402和404处，使用遥控钥匙解锁交通工具被检测为即将发生的刺激事件(即，门的打开/关闭)，但是随后可以提供关于哪个门被打开/关闭的更多信息。例如，在一些实施例中，尽管预期到门打开/关闭事件并且指令imu收集imu数据，但是在从门传感器接收到标识已被打开/关闭的门的反馈之前，将不会标识特定刺激事件。在步骤408处，基于所标识的刺激事件，可确定针对刺激事件的预期的imu响应。例如，门打开/关闭事件可由在横向y方向上存在预期的运动而在垂直z方向或纵向x方向上几乎不存在移动来表征。在一些实施例中，门打开/关闭事件可取决于特定的门打开/关闭，并且因此示出标识刺激事件和预期的imu响应的重要性。
28.在步骤410处，从imu接收所收集的imu数据，包括响应于刺激事件而收集的imu数据。在一些实施例中，接收到的指示刺激事件的精确定时的信息可用于缩小被分析以确定imu有效性的imu数据。例如，从具有指示门被关闭的时间的时间戳的门传感器接收的信号可用于选择与门关闭刺激事件相对应的imu数据。在该情况下，仅分析与接收到的时间戳(或时间戳周围的时间窗口)相对应的imu数据以确定imu有效性。
29.在步骤412处，基于接收到的imu输入和根据所标识的刺激事件而确定的预期的imu响应，来确定imu的imu安装完整性以及imu取向。在一些实施例中，将沿着纵轴、横轴和垂直轴的加速度的比较与沿着这些轴的预期的imu响应进行比较。同样，沿着这些轴测量的旋转(俯仰、偏航和横摇)的比较可与预期的旋转进行比较。基于比较，可验证imu安装完整性和/或imu取向中的一个或两个的有效性。在步骤414处，基于所确定的imu安装和/或取向
的有效性来生成imu有效性输出。
30.图5是示出根据一些实施例的发起主动imu自测试的主动方法500的流程图。在步骤502处，发起imu自测试。在一些实施例中，可以以限定的间隔(例如，每500英里、每三次汽车行程等)来执行自测试。在一些实施例中，imu自测试可由用户或机械师手动地发起。
31.在步骤504处，响应于imu自测试的发起，向imu发送唤醒消息，以确保imu处于唤醒状态并正在收集imu数据或准备收集imu数据。在一些实施例中，传达到imu的唤醒消息仅指令imu开始收集imu数据。在一些实施例中，传达到imu的唤醒消息还可用于为了imu自测试的目的而配置imu数据的收集。例如，在一些实施例中，为了进行imu自测试的目的，修改imu的响应增益和/或带宽。在一些实施例中，增加增益和/或带宽以提供更准确的imu数据或检测更细微的机械扰动。
32.在步骤506处，发起刺激事件。在一些实施例中，刺激事件由位于imu自身外部的交通工具上的系统来创建。例如，在一些实施例中，用于产生刺激事件的机制可为位于交通工具内的扬声器。在一些实施例中，选择扬声器(例如，右、左、前、后)并利用低频音频信号产生可由imu检测的刺激事件。在一些实施例中，用于产生刺激事件的机制可由主动悬架系统产生。在其他实施例中，可利用产生可由imu检测的机械扰动的其他装置。例如，交通工具可配备有能产生可以由imu检测的机械扰动的一个或多个电磁阀和/或传感器。
33.在步骤508处，从与刺激事件对应的imu接收imu数据。在步骤510处，基于接收到的imu数据确定imu有效性。在一些实施例中，imu有效性包括imu安装有效性和imu取向的确定。imu安装有效性确保imu牢固地安装于交通工具内。imu取向有效性确保imu安装于交通工具内的正确取向上。如上所讨论的，在一些实施例中，基于所收集的imu数据与预期的imu响应之间的比较来确定imu有效性。在该实施例中，由于刺激事件被主动发起(与利用诸如门被打开/关闭之类的刺激事件相反)，因此系统意识到刺激事件的标识和预期的imu响应。
34.在步骤512处，基于所确定的imu有效性来生成输出。在一些实施例中，向用户传达或显示输出。在一些实施例中，输出传达至下游系统以防止下游系统依赖错误的imu数据。
35.虽然已参照一个或多个示例性实施例对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员将理解，可作出各种变化并且可用等效物替代其中的要素而不背离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离本发明的本质范围。因此，本发明不限于所公开的一个或多个特定实施例，但是本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有实施例。可能实施例的讨论
36.以下是对本发明的可能实施例的非排他性描述。
37.根据一个方面，测试惯性测量单元(imu)的方法包括检测imu外部产生的机械刺激事件。所述方法还包括从imu接收imu数据，该imu数据包括关于机械刺激事件而收集的imu数据，并且基于响应于机械刺激事件而记录的imu数据确定imu有效性。
38.前述段落的方法可以可选地包括(附加地和/或替代地)以下特征、配置和/或附加部件中的任意一个或多个。
39.例如，在一些实施例中，检测机械刺激事件可包括标识事件类型。
40.在一些实施例中，可以基于所标识的事件类型来确定imu有效性。
41.在一些实施例中，确定imu有效性可包括将接收到的imu数据与基于标识的事件类
型确定的预期的imu数据进行比较。
42.在一些实施例中，刺激事件可包括驾驶员侧门打开/关闭、乘客侧门打开/关闭和发动机启动中的一个或多个。
43.在一些实施例中，检测机械刺激事件可包括检测即将发生的机械刺激事件。
44.在一些实施例中，所述方法还可包括响应于即将发生的机械刺激事件的检测而发起对imu的唤醒。
45.在一些实施例中，检测imu外部产生的机械刺激事件可包括被动检测机械刺激事件。
46.在一些实施例中，检测imu外部产生的机械刺激事件可包括主动发起机械刺激事件。
47.根据另一个方面，对惯性测量单元(imu)进行自测试的方法包括在imu外部发起机械刺激。所述方法还包括从imu接收imu数据，该imu数据包括在机械刺激期间所收集的imu数据，并且基于在机械刺激期间所收集的imu数据来确定imu有效性。
48.前述段落的方法可以可选地包括(附加地和/或替代地)以下特征、配置和/或附加部件中的任意一个或多个。
49.例如，在一个实施例中，机械刺激可包括发动机启动、悬架激活和扬声器激活中的一个或多个。
50.在一些实施例中，基于在机械刺激期间所收集的imu数据确定imu有效性可包括将所收集的imu数据与基于所发起的机械刺激的预期的imu响应进行比较。
51.在一些实施例中，所述方法还可包括发起对imu的唤醒呼叫以收集imu数据。
52.根据另一个方面，惯性测量单元(imu)自测试系统包括imu和控制电路。在一些实施例中，控制电路被配置为接收由imu收集的imu数据和指示机械刺激的来自imu外部的系统的输入。控制电路利用响应于机械刺激而收集的imu数据来确定imu有效性。
53.在前段落的系统可以可选地包括(附加地和/或替代地)以下特征、配置和/或附加部件中的任意一个或多个。
54.例如，来自imu外部的系统的输入可以用于检测即将发生的机械刺激。
55.在一些实施例中，控制电路可以响应于检测到的即将到来的机械刺激发起对imu的唤醒呼叫，以开始收集imu数据。
56.在一些实施例中，来自imu外部的系统的输入中的一个可以包括指示即将发生的门打开/关闭事件的遥控钥匙。
57.在一些实施例中，来自imu外部的系统的输入中的一个可以包括指示即将发生的发动机启动操作的发动机启动信号。
58.在一些实施例中，控制电路可以生成被提供给imu外部的系统的信号，以发起机械刺激。