專利名稱：一種用于地面車輛gps導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于當(dāng)GPS 信號(hào)較弱或無(wú)GPS信號(hào)時(shí)采用慣性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行車輛定位和速度估計(jì) 的一種方法，該方法能夠在GPS信號(hào)短時(shí)缺失的情況下保證導(dǎo)航軟件正 常穩(wěn)定工作。
背景技術(shù)：
車載導(dǎo)航是目前非常具有應(yīng)用前景的技術(shù)，它的廣泛應(yīng)用得益于美國(guó) 全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。GPS 系統(tǒng)通過(guò)分布在太空中的24顆衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算目標(biāo)的定位 信息，具有全球、全天候、精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。但由于衛(wèi)星信號(hào)直 線傳播的特點(diǎn)，GPS信號(hào)容易被高樓、大樹(shù)或者隧道所阻擋，造成在這些 位置無(wú)法接收到相應(yīng)的GPS信號(hào)，形成GPS信號(hào)的真空地帶。現(xiàn)有導(dǎo)航 軟件一般需要GPS信號(hào)的不間斷輸入才能正常工作，當(dāng)GPS信號(hào)太弱或 不存在時(shí)，造成導(dǎo)航軟件無(wú)法判斷車輛當(dāng)前的準(zhǔn)確位置，從而無(wú)法正常運(yùn) 行。
隨著目前MEMS (Micro Electro-Mechanical System)傳感器技術(shù)的不 斷發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器可以實(shí)時(shí)地獲取 移動(dòng)載體(汽車)運(yùn)行時(shí)的方向、加速度等，從而可以對(duì)移動(dòng)載體的慣性 量如姿態(tài)、位置等進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。因此，這些慣性參數(shù)可以被輔助應(yīng)用 于車載導(dǎo)航中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于GPS導(dǎo)航的 慣性補(bǔ)償方法，解決了現(xiàn)有導(dǎo)航軟件需要GPS信號(hào)不間斷輸入的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的GPS導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法，依賴于如下硬件裝置 —用于從GPS系統(tǒng)接收定位信號(hào)的GPS接收器； —用于測(cè)定車輛運(yùn)行過(guò)程中行駛方向的陀螺儀； 一用于測(cè)定車輛運(yùn)行過(guò)程中加速度的加速度計(jì)。 具體方法步驟是
(1) 在GPS接收器正常接收GPS信號(hào)時(shí)，直接得到車輛運(yùn)行的速度和
位置的信息作為導(dǎo)航信息的輸入；在GPS接收器無(wú)法正常接收到GPS信 號(hào)時(shí)，將最后正常接收到的車輛運(yùn)行的速度和位置的信息作為初始速度、 和初始位置P。。
(2) 由陀螺儀測(cè)量車輛的行駛方向，由加速度計(jì)測(cè)量車輛行駛的加速
度，確定車輛的更新速度
= vM cos(6>, _《—,)+ V《rA"，—jin2(H) 其中v^是卜l時(shí)刻的速度，^是f時(shí)刻的更新速度；^是卜1時(shí)刻的車輛合 成加速度，^和《分別是車輛在卜1時(shí)刻和"寸刻車輛的行駛方向，"是 陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量的時(shí)間間隔；
卜l時(shí)刻的車輛合成加速度^的確定方法是通過(guò)加速度計(jì)得到車輛在 兩個(gè)水平正交方向的加速度，根據(jù)下式進(jìn)行確定
其中和分別是卜1時(shí)刻車輛在這兩個(gè)水平正交方向的加速度。
(3) 確定車輛的更新位置
阿=|C^—!Icos(6>( _6 M) +》L . Af -,|2 sin2(《-《_,) S = (w,) = (|<9《I cos 6>,,阿sin 6>,)
其中是卜i時(shí)刻的位置，s是d寸刻的更新位置，losl是更新位置s到初
始位置P。的距離。
(4) 將更新速度v,和更新位置S作為導(dǎo)航信息的輸入。
(5) 重復(fù)步驟(2) 、 (3)和(4)，直到GPS接收器可以正常接收到GPS信 號(hào)，則直接由GPS接收器得到車輛運(yùn)行的速度和位置的信息作為導(dǎo)航信
息的輸入。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開(kāi)了一種用于GPS導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法 的運(yùn)行載體。上述慣性補(bǔ)償裝置包括一個(gè)用于正常導(dǎo)航時(shí)接收GPS定位
信息的GPS接收器， 一個(gè)用于測(cè)量車輛運(yùn)行方向的陀螺儀， 一個(gè)用于測(cè)
量車輛加速度的加速度計(jì)。利用已測(cè)定的車輛行駛角度和加速度，以及由
GPS系統(tǒng)給出的初始位置和速度信息，來(lái)測(cè)定車輛的后續(xù)位置，以供導(dǎo)航
軟件使用。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，公開(kāi)了一種在沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)獲取車輛速
度的方法。上述方法包括以下步驟從GPS系統(tǒng)中獲取其最近最后正常 工作時(shí)的速度信息，作為方法的初始速度；利用陀螺儀測(cè)量車輛的運(yùn)行方 向；利用加速度計(jì)測(cè)量車輛在東向和北向的加速度；利用這些信息通過(guò)迭 代方法獲取每一時(shí)刻車輛的最新速度及其方向，作為導(dǎo)航軟件所必需的一 個(gè)輸入。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，公開(kāi)了一種在沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)獲取車輛位 置的方法。上述方法包括以下步驟從GPS系統(tǒng)中獲取其最近最后正常 工作時(shí)的位置信息，作為方法的初始位置；利用陀螺儀測(cè)量車輛的運(yùn)行方 向；利用加速度計(jì)測(cè)量車輛在東向和北向的加速度；利用這些信息通過(guò)迭 代方法獲取每一時(shí)刻車輛的最新位置，作為導(dǎo)航軟件所必需的另一個(gè)輸 入。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，公開(kāi)了一種GPS導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的 方式。慣性補(bǔ)償方法在GPS信號(hào)較弱或沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)自動(dòng)激活運(yùn)行， 獲取車輛的速度和位置作為導(dǎo)航軟件的輸入信息；而當(dāng)GPS信號(hào)恢復(fù)正 常時(shí)，慣性補(bǔ)償方法不再運(yùn)行，轉(zhuǎn)由GPS系統(tǒng)提供導(dǎo)航軟件所必需的車 輛速度和位置信息。
利用本發(fā)明方法可以在GPS信號(hào)較弱或沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行， 利用當(dāng)前已有的信息及獲取的慣性量對(duì)車輛進(jìn)行輔助定位并輸入到導(dǎo)航軟 件中，從而使得導(dǎo)航軟件在沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)仍能正常穩(wěn)定工作；另一方面，當(dāng)GPS信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)，導(dǎo)航軟件所需的定位信息仍由GPS系統(tǒng)提 供，從而保證定位的準(zhǔn)確性。


圖1為本發(fā)明中基于慣性補(bǔ)償?shù)腉PS導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為車輛運(yùn)行過(guò)程中的一實(shí)施例的狀態(tài)示意圖； 圖3為本發(fā)明在GPS導(dǎo)航軟件中的轉(zhuǎn)換示意圖； 圖4為本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，它們的一個(gè)實(shí)例在附圖中給出。
圖1表示本發(fā)明所述示例性的基于全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償裝 置，該慣性補(bǔ)償裝置包括CPU處理器單元1、用于接收經(jīng)緯度信息的 GPS接收器2、用于測(cè)量車輛航向和加速度的MEMS慣性傳感器3、用于 將傳感器的模擬信號(hào)數(shù)字化的多路復(fù)用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器4、以及導(dǎo)航軟件 模塊5。
GPS接收器2包括用于將GPS信號(hào)進(jìn)行放大的GPS射頻放大模塊21 以及用于接收GPS信號(hào)的GPS接收模塊22。 GPS射頻放大模塊21的輸 出端與GPS接收模塊22的輸入端相連，射頻放大器21的輸入來(lái)源于 GPS天線。GPS接收器的輸出端與CPU處理單元1的導(dǎo)航定位信號(hào)輸入 端雙向電連接。
MEMS慣性傳感器模塊3包括兩種MEMS慣性傳感器用于測(cè)量車 輛航向的陀螺儀32和用于測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)加速度的加速度計(jì)31。陀螺儀32 和加速度計(jì)31的輸出端均與多路復(fù)用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的輸入端相連。
多路復(fù)用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器4用于將MEMS慣性傳感器轉(zhuǎn)換得到的模 擬電壓信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用，并在內(nèi)部將這些模擬信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行高 精度模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，最后從串行接口輸入到CPU處理單元1中進(jìn)行 相應(yīng)的處理和運(yùn)算。
CPU處理單元l用于執(zhí)行本發(fā)明所描述的慣性補(bǔ)償方法，可以是帶有
一定存儲(chǔ)單元的數(shù)字信號(hào)處理器或?qū)Ｓ玫腇PGA。在正常情況下CPU處 理單元1只需保存來(lái)自GPS接收器2所獲取的車輛位置和速度信息，當(dāng) GPS信號(hào)過(guò)弱或沒(méi)有時(shí)，CPU處理單元1需要處理來(lái)自多路復(fù)用串行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器4的車輛慣性數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的慣性補(bǔ)償方法。CPU處理單元1處 理得到的車輛位置和速度信息作為導(dǎo)航軟件模塊5的數(shù)據(jù)輸入，使得導(dǎo)航 軟件模塊5能夠正常正確運(yùn)行。
圖2表示了本發(fā)明中慣性補(bǔ)償方法運(yùn)行時(shí)車輛的典型工作狀態(tài)。圖 中所示為車輛運(yùn)行路徑的俯視圖。GPS信號(hào)最后一次正常工作時(shí)車輛位于 位置P。，此時(shí)由GPS得到的車輛初時(shí)速度為v。。在卜l時(shí)刻車輛處于位置 《—"此時(shí)運(yùn)行方向?yàn)閊,，而在f時(shí)刻車輛處于位置e，運(yùn)行方向?yàn)椤?。?圖中，車輛的速度方向和合成加速度方向與允許方向保持一致。
圖3表示本發(fā)明中慣性補(bǔ)償方法在整個(gè)基于GPS導(dǎo)航中的轉(zhuǎn)換過(guò) 程。從圖中可以看出，慣性補(bǔ)償方法在本發(fā)明中是作為全球定位系統(tǒng)的有 力補(bǔ)充，它只是在GPS信號(hào)非常微弱或GPS信號(hào)不存在時(shí)得到運(yùn)行，向 導(dǎo)航軟件提供必要的車輛位置和速度信息；當(dāng)GPS信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)，整個(gè) 系統(tǒng)仍采用GPS給出的定位信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航。
圖4表示了本發(fā)明中慣性補(bǔ)償方法的具體工作流程。首先，在慣性補(bǔ) 償方法得到運(yùn)行之前，GPS系統(tǒng)已正常工作了一定時(shí)間，即GPS系統(tǒng)一 開(kāi)始一定時(shí)間內(nèi)能夠接收到較強(qiáng)的定位信息。此時(shí)，在CPU處理單元中 實(shí)時(shí)記錄并更新由GPS系統(tǒng)得到的車輛位置和速度等相關(guān)定位信息。然 后，方法持續(xù)檢測(cè)GPS信號(hào)的強(qiáng)度，只要能夠檢測(cè)到相當(dāng)強(qiáng)度的GPS信 號(hào)時(shí)，就采用GPS系統(tǒng)所獲得的定位信息作為導(dǎo)航軟件的輸入，整個(gè)系 統(tǒng)處于正常工作流程，導(dǎo)航軟件所需的定位信息直接由GPS系統(tǒng)給定。
一旦系統(tǒng)檢測(cè)到GPS信號(hào)非常微弱或者無(wú)法檢測(cè)到GPS信號(hào)，例 如，汽車處于高樓、大樹(shù)的遮擋之下或者汽車運(yùn)行于隧道之中時(shí)，進(jìn)行慣 性補(bǔ)償工作流程。此時(shí)由陀螺儀測(cè)量車輛的行駛方向^，由加速度計(jì)測(cè)量
車輛行駛的加速度"，基于GPS最后一次正常工作時(shí)保存的初始速度v。， 按照如下公式迭代計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻的車輛運(yùn)行速度
v, = v,—, cos(《-6>,—!) + 7《,.AZ2 - v,2—, sin2 (《-《一 )
其中下標(biāo)表示測(cè)量的時(shí)刻，如^表示的是卜1時(shí)刻所獲得的車輛運(yùn)行速 度，"是傳感器的測(cè)量時(shí)間間隔。
根據(jù)上面所測(cè)得的慣性參數(shù)和計(jì)算所得的車輛速度，基于GPS最后 一次正常工作時(shí)保存的初始位置P。，按照如下公式迭代計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻的 車輛位置
《=(w》=(|C^|cos《,|C^|sin《)，
3巾
I = I cos(《_《一,)+》，—, A - |2 sin2 (6>,-《—,) 是位置S到初時(shí)位置P。的距離。
當(dāng)系統(tǒng)一直無(wú)法檢測(cè)到足夠強(qiáng)的GPS信號(hào)時(shí)，它始終處于上述慣性 補(bǔ)償工作流程，導(dǎo)航軟件所需的定位信息也由這個(gè)慣性補(bǔ)償方法給出。當(dāng) 然，為了提高慣性補(bǔ)償方法的估計(jì)精度，可以對(duì)由慣性補(bǔ)償方法計(jì)算得到 的定位信息進(jìn)行進(jìn)一步的后處理如平滑濾波等。
當(dāng)系統(tǒng)重新檢測(cè)到足夠強(qiáng)的GPS信號(hào)后，慣性補(bǔ)償工作流程結(jié)束， 重新進(jìn)入GPS系統(tǒng)正常工作流程。
權(quán)利要求
1、一種用于地面車輛GPS導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法，依賴于如下硬件裝置-用于從GPS系統(tǒng)接收定位信號(hào)的GPS接收器；-用于測(cè)定車輛運(yùn)行過(guò)程中行駛方向的陀螺儀；-用于測(cè)定車輛運(yùn)行過(guò)程中加速度的加速度計(jì)；其特征在于該方法具體步驟是(1)在GPS接收器正常接收GPS信號(hào)時(shí)，直接得到車輛運(yùn)行的速度和位置的信息作為導(dǎo)航信息的輸入；在GPS接收器無(wú)法正常接收到GPS信號(hào)時(shí)，將最后正常接收到的車輛運(yùn)行的速度和位置的信息作為初始速度v0和初始位置P0；(2)由陀螺儀測(cè)量車輛的行駛方向，由加速度計(jì)測(cè)量車輛行駛的加速度，確定車輛的更新速度
2、如權(quán)利要求1所述一種用于地面車輛GPS導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法， 其特征在于卜l時(shí)刻的車輛合成加速度"M的確定方法是通過(guò)加速度計(jì)得到 車輛在兩個(gè)水平正交方向的加速度，根據(jù)下式進(jìn)行確定其中和1,分別是卜1時(shí)刻車輛在這兩個(gè)水平正交方向的加速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于車載GPS導(dǎo)航的慣性補(bǔ)償方法。目前GPS導(dǎo)航軟件依靠GPS系統(tǒng)給出定位信息，當(dāng)GPS信號(hào)沒(méi)有或很弱時(shí)，導(dǎo)航軟件無(wú)法正常工作。本發(fā)明的硬件包括GPS接收器、陀螺儀、加速度計(jì)。具體方法是在GPS接收器無(wú)法正常接收到GPS信號(hào)時(shí)，將最后正常接收到的車輛運(yùn)行的速度和位置的信息作為初始速度和初始位置；由陀螺儀測(cè)量車輛的行駛方向，由加速度計(jì)測(cè)量車輛行駛的加速度，確定車輛的更新速度；確定車輛的更新位置；將更新速度和更新位置作為導(dǎo)航信息的輸入。利用本發(fā)明方法對(duì)車輛進(jìn)行輔助定位，將定位結(jié)果作為導(dǎo)航軟件必需的輸入定位信息，可以使導(dǎo)航軟件在沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)仍能正常工作。
文檔編號(hào)G01C21/26GK101183008SQ20071015712
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者何志偉, 毓 曾, 高明煜, 黃繼業(yè) 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)