專利名稱：一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)在線標定方法，特別是關于一種用于汽車導航系統(tǒng)的汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法。
背景技術：
隨著近些年機動車保有量的快速增長和城市道路網(wǎng)絡的日趨復雜，汽車導航系統(tǒng)得以迅速發(fā)展，尤其是將GPS和運動傳感器結合的組合型汽車導航系統(tǒng)的應用已經(jīng)比較普遍。這類汽車導航系統(tǒng)一般由GPS、微機械陀螺、車速傳感器和嵌入式計算機構成。其中，GPS提供車輛的定位信息，包括位置、方位角和在用星數(shù)等，微機械陀螺提供與車輛角速度相關的陀螺輸出電壓，車速傳感器用于測量車速，由于目前多數(shù)汽車的CAN總線信息中都包含 有車速，因此很多汽車導航系統(tǒng)直接從CAN總線獲取車速信息，以取代車速傳感器。GPS、微機械陀螺和車速傳感器均與嵌入式計算機相連，將各自測量到的信息輸送給嵌入式計算機，嵌入式計算機對各部件輸送來的信息進行處理，例如在GPS信號良好時，嵌入式計算機利用GPS位置信息，運行地圖匹配算法判斷汽車的行駛道路，完成汽車的定位和導航；在沒有GPS信號時，嵌入式計算機利用車速傳感器測量的車速和微機械陀螺提供的與車輛角速度相關的陀螺輸出電壓，運行航位推算算法得到汽車的行駛位置，完成汽車的定位和導航。上面提及的微機械陀螺是汽車導航系統(tǒng)中常用的一種傳感器，用于測量汽車運動的角速度，積分后可得汽車運動過程中的角度變化量，通過累計車輛在水平方向(平行于路面)的角度變化量，可以推算車輛的行駛方向，為汽車導航提供支持。汽車用微機械陀螺的精度級別一般為民用級，具有成本低廉的優(yōu)點，但存在系統(tǒng)參數(shù)變化大以及需要經(jīng)常標定的缺點。如果微機械陀螺的關鍵系統(tǒng)參數(shù)之一的標度因子存在誤差，那么在航位推算過程中，該誤差就會逐步累積，從而導致汽車行駛方位的推算精度大幅度下降。微機械陀螺的標度因子是指微機械陀螺在測量過程中，輸出電壓變化與表征的角速度測量值之間的比例系數(shù)。傳統(tǒng)的微機械陀螺標度因子的標定方法分靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。靜態(tài)標定方法是在微機械陀螺安裝前對其進行標定，由于標度因子誤差與微機械陀螺的特性和工作條件相關，在車輛運行過程中會實時變化，因此靜態(tài)標定方法無法滿足汽車導航系統(tǒng)的使用需要。動態(tài)標定方法是在車輛運行過程中對微機械陀螺標度因子進行標定?，F(xiàn)有的動態(tài)標定方法包括最優(yōu)估計法(《基于GPS/DR的車輛導航中在線計算陀螺儀參數(shù)的一種方法》，《電子器件》2007年第I期)和利用電子地圖數(shù)據(jù)標定法(《車載航位推算系統(tǒng)中傳感器參數(shù)的在線標定》，《測控技術》2008年12期)。最優(yōu)估計法建立轉角與標度因子的函數(shù)關系，并通過求解殘差平方和最小意義下的最優(yōu)解計算新的標度因子，該方法涉及矩陣運算、解超定方程等，運算復雜，不適宜用于運算能力較低的汽車導航系統(tǒng)，同時該方法由于需要很長時間才能完成標定，因此實時性較差。利用電子地圖數(shù)據(jù)標定法是通過GPS信息結合電子地圖在大轉彎處進行刻度因子標定，該方法首先在電子地圖上選定拐彎路段集中、角度較大且GPS觀測條件良好的路段作為特定的標定區(qū)域，當車輛行駛到該區(qū)域時，如果轉彎前后GPS方位角變化量超過某個閾值，則以得到的GPS方位角變化量為基準計算新的標度因子。為確保標定精度，該方法需要預先在電子地圖中選定GPS觀測條件良好、轉彎集中且轉彎角度較大的路段，當車輛行駛到該路段時才啟動標定，應用局限性很大，同時該方法由于依賴于電子地圖中的道路信息，因此在不啟用真實導航的情況下無法進行。綜上所述，現(xiàn)有的微機械陀螺標度因子的標定方法分別存在著標定算法較為復雜，實時性較差和車輛運行條件要求較高等問題，難以用于具有成本限制高、運行條件復雜和嵌入式計算能力較低等特點的汽車導航系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種快速簡潔，能夠節(jié)約計算資源的汽車用 微機械陀螺標度因子在線標定方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，它包括以下步驟I)當在線標定周期開始時，判斷是否進行在線標定如果用戶開啟了在線標定功能，進入步驟2)；如果用戶關閉了在線標定功能，進入步驟5)；2)查看前一個在線標定周期在線標定功能是否開啟如果前一個在線標定周期在線標定功能關閉，則將GPS參考方位角初始化為0，進入步驟3)；如果前一個在線標定周期在線標定功能開啟，則直接進入步驟3)；3)判斷微機械陀螺當前標度因子是否失準3. I)通過GPS獲取當前車輛位置、GPS方位角和在用星數(shù)，通過微機械陀螺獲取當前陀螺輸出電壓，通過車速傳感器獲取當前車速；3. 2)判斷當前GPS方位角是否滿足精度要求如果當前在用星數(shù)大于給定的在用星數(shù)閾值，當前車速大于等于給定的車速閾值，則當前GPS方位角滿足精度要求，用作GPS試探方位角，進入步驟3. 3);否則返回步驟I);3. 3)計算GPS轉角和陀螺轉角GPS轉角是GPS試探方位角與GPS參考方位角之間的角度變化量；陀螺轉角由與GPS轉角對應時間段內(nèi)的陀螺輸出電壓換算為角速度后積分獲得；3. 4)判斷GPS轉角是否有效如果GPS轉角大于給定的轉角閾值，GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔大于給定的時間間隔閾值，從GPS參考方位角對應時刻到GPS試探方位角對應時刻的時間段內(nèi)陀螺電壓采樣個數(shù)與GPS轉角的比值小于給定的比值閾值，則該GPS轉角有效，進入步驟3. 5)；否則該GPS轉角無效，進入步驟3. 7);3. 5)以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角；3. 6)判斷GPS轉角與對應陀螺轉角的差值是否大于GPS轉角指定的倍數(shù)
如果大于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子失準，進入步驟4)；如果小于等于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子未失準，返回步驟I)；3. 7)判斷GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔是否過長如果時間間隔大于給定的過長時間閾值，進入步驟3. 8)；如果時間間隔小于等于給定的過長時間閾值，返回步驟I)；3.8)以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角，返回步驟I)；4)根據(jù)步驟3. 3)獲得的GPS轉角和陀螺轉角，以及當前標度因子計算新的標度因子，等待下一個在線標定周期的到來，返回步驟I);
5)結束。上述步驟I)中，在線標定周期設置為一個GPS信息的接收周期。上述步驟3.2)中，在用星數(shù)閾值大于等于4顆，車速閾值大于等于0 ;步驟3. 4)中，轉角閾值大于等于0，時間間隔閾值大于等于I秒，比值閾值大于等于I個每度；步驟3.7)中，過長時間閾值大于等于步驟3. 4)中的時間間隔閾值。上述步驟3. 2)中，在用星數(shù)閾值設定為9顆，車速閾值設定為15米每秒；步驟3. 4)中，轉角閾值設定為90度，時間間隔閾值設定為3秒，比值閾值設定為4. I個每度；步驟3. 6)中，指定的倍數(shù)設定為0. 0566 ;步驟3. 7)中，時間過長閾值設定為10秒。上述步驟4)中，計算新的標度因子的計算公式如下
新的標度因子=X當前標度因子。本發(fā)明由于采取上述技術方案，具有以下優(yōu)點本方法利用汽車導航系統(tǒng)中常見的車載GPS設備和車速傳感器，進行汽車用微機械陀螺標度因子的快速在線標定，根據(jù)本發(fā)明的在線標定方法，能夠在車輛行駛過程中，對微機械陀螺標度因子失準進行判斷，當標度因子失準時再對微機械陀螺標度因子進行自動標定，可以節(jié)約計算資源，提高微機械陀螺角速度的測量精度，使用其測得的角速度推算汽車的運動軌跡，從而為提高汽車導航的準確性提供了基礎。本方法標定條件寬松，特別適用于具有成本限制高、運行條件復雜和嵌入式計算能力較低等特點的汽車導航系統(tǒng)。


圖I是本發(fā)明所采用的汽車導航系統(tǒng)結構示意2是本發(fā)明的標定流程示意3是本發(fā)明的標度因子失準判斷流程示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。通過附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。如圖I所示，本發(fā)明所采用的汽車導航系統(tǒng)由GPS、微機械陀螺、車速傳感器和嵌入式計算機構成。其中，GPS、微機械陀螺和車速傳感器均與嵌入式計算機相連；GPS提供汽車定位信息，包括GPS方位角和在用星數(shù)，微機械陀螺提供與車輛角速度相關的陀螺輸出電壓，車速傳感器(也可以由CAN總線代替)提供車速，嵌入式計算機提供在線標定方法的運算平臺，融合GPS、微機械陀螺和車速傳感器輸送來的信息，完成微機械陀螺標度因子的在線標定。如圖2所示，本發(fā)明基于上述汽車導航系統(tǒng)的微機械陀螺標度因子標定方法包括以下步驟I)當在線標定周期開始時，判斷是否進行在線標定如果用戶開啟了在線標定功能，則進入步驟2)；
如果用戶關閉了在線標定功能，則進入步驟5)；2)查看前一個在線標定周期在線標定功能是否開啟如果前一個在線標定周期在線標定功能關閉，則將GPS參考方位角初始化為0，進入步驟3)；如果前一個在線標定周期在線標定功能也開啟，則直接進入步驟3)；3)如圖3所示，判斷微機械陀螺當前標度因子是否失準3. I)通過GPS獲取當前車輛位置、GPS方位角和在用星數(shù)，通過微機械陀螺獲取表征當前車輛角速度的陀螺輸出電壓，通過車速傳感器獲取當前車速；3. 2)判斷當前GPS方位角是否滿足精度要求如果當前在用星數(shù)大于給定的在用星數(shù)閾值，當前車速大于等于給定的車速閾值，則當前GPS方位角滿足精度要求，用作GPS試探方位角，進入步驟3. 3);否則返回步驟I);3. 3)計算GPS轉角和陀螺轉角GPS轉角也即GPS方位角變化量，是GPS試探方位角與GPS參考方位角之間的角度變化量；陀螺轉角由與GPS轉角對應時間段內(nèi)的陀螺輸出電壓換算為角速度后積分獲得；3. 4)判斷GPS轉角是否有效如果GPS轉角大于給定的轉角閾值，GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔大于給定的時間間隔閾值，從GPS參考方位角對應時刻到GPS試探方位角對應時刻的時間段內(nèi)陀螺電壓采樣個數(shù)與GPS轉角的比值小于給定的比值閾值，則該GPS轉角有效，進入步驟3. 5)；否則該GPS轉角無效，進入步驟3. 7);3. 5 )更新GPS參考方位角以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角；3. 6)判斷GPS轉角與對應陀螺轉角的差值是否大于GPS轉角指定的倍數(shù)如果大于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子失準，進入步驟4)；如果小于等于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子未失準，返回步驟I)；3. 7)判斷GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔是否過長如果時間間隔大于給定的過長時間閾值，進入步驟3. 8)；如果時間間隔小于等于給定的過長時間閾值，返回步驟I)；3. 8)更新GPS參考方位角以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角，返回步驟I)；
4)根據(jù)步驟3. 3)獲得的GPS轉角和陀螺轉角，以及當前標度因子計算新的標度因子，等待下一個在線標定周期的到來，返回步驟I);5)結束。上述步驟I)中，在線標定周期可以設置為一個GPS信息的接收周期(單位為秒)。上述步驟3)的目的是為是否計算新標度因子提供判斷依據(jù)，避免在當前標度因子未失準的情況下重復計算新標度因子而造成汽車導航系統(tǒng)嵌入式計算機的計算資源浪費。其中，各個閾值的選取設定須要滿足一定的條件，其具體內(nèi)容如下步驟3.2)中，在用星數(shù)閾值必須大于等于4顆，車速閾值必須大于等于O。步驟3. 4)中，轉角閾值必須大于等于0，時間間隔閾值必須大于等于I秒，比值閾值必須大于等于I個每度。 步驟3. 7)中，過長時間閾值必須大于等于步驟3. 4)中的時間間隔閾值。由此，根據(jù)上述要求，本實施例的在用星數(shù)閾值可以設定為9顆，車速閾值可以設定為15米每秒，轉角閾值可以設定為90度，時間間隔閾值可以設定為3秒，比值閾值可以設定為4. I個每度,指定的倍數(shù)可以設定為0. 0566,時間過長閾值可以設定為10秒。上述步驟4)中，根據(jù)步驟3. 3)獲得的GPS轉角和陀螺轉角，以及當前標度因子計
算新的標度因子，其計算公式如下
權利要求
1.一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，它包括以下步驟 1)當在線標定周期開始時，判斷是否進行在線標定 如果用戶開啟了在線標定功能，進入步驟2)； 如果用戶關閉了在線標定功能，進入步驟5)； 2)查看前一個在線標定周期在線標定功能是否開啟 如果前一個在線標定周期在線標定功能關閉，則將GPS參考方位角初始化為O，進入步驟3)； 如果前一個在線標定周期在線標定功能開啟，則直接進入步驟3)； 3)判斷微機械陀螺當前標度因子是否失準 3. I)通過GPS獲取當前車輛位置、GPS方位角和在用星數(shù)，通過微機械陀螺獲取當前陀螺輸出電壓，通過車速傳感器獲取當前車速； 3. 2)判斷當前GPS方位角是否滿足精度要求 如果當前在用星數(shù)大于給定的在用星數(shù)閾值，當前車速大于等于給定的車速閾值，則當前GPS方位角滿足精度要求，用作GPS試探方位角，進入步驟3. 3); 否則返回步驟I); 3. 3)計算GPS轉角和陀螺轉角 GPS轉角是GPS試探方位角與GPS參考方位角之間的角度變化量； 陀螺轉角由與GPS轉角對應時間段內(nèi)的陀螺輸出電壓換算為角速度后積分獲得； 3. 4)判斷GPS轉角是否有效 如果GPS轉角大于給定的轉角閾值，GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔大于給定的時間間隔閾值，從GPS參考方位角對應時刻到GPS試探方位角對應時刻的時間段內(nèi)陀螺電壓采樣個數(shù)與GPS轉角的比值小于給定的比值閾值，則該GPS轉角有效，進入步驟3. 5)； 否則該GPS轉角無效，進入步驟3. 7); 3. 5)以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角； 3. 6)判斷GPS轉角與對應陀螺轉角的差值是否大于GPS轉角指定的倍數(shù) 如果大于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子失準，進入步驟4)； 如果小于等于GPS轉角指定的倍數(shù)，則當前標度因子未失準，返回步驟I)； 3.7)判斷GPS參考方位角和GPS試探方位角對應時刻的時間間隔是否過長 如果時間間隔大于給定的過長時間閾值，進入步驟3. 8)； 如果時間間隔小于等于給定的過長時間閾值，返回步驟I); 3.8)以當前的GPS試探方位角作為新的GPS參考方位角，返回步驟I)； 4)根據(jù)步驟3.3)獲得的GPS轉角和陀螺轉角，以及當前標度因子計算新的標度因子，等待下一個在線標定周期的到來，返回步驟I); 5)結束。
2.如權利要求I所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟I)中，在線標定周期設置為一個GPS信息的接收周期。
3.如權利要求I或2所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟3. 2)中，在用星數(shù)閾值大于等于4顆，車速閾值大于等于O ;所述步驟3. 4)中，轉角閾值大于等于O，時間間隔閾值大于等于I秒，比值閾值大于等于I個每度；所述步驟3.7)中，過長時間閾值大于等于所述步驟3. 4)中的時間間隔閾值。
4.如權利要求I或2所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟3. 2)中，在用星數(shù)閾值設定為9顆，車速閾值設定為15米每秒；所述步驟3. 4)中，轉角閾值設定為90度，時間間隔閾值設定為3秒，比值閾值設定為4. I個每度；所述步驟3. 6)中，指定的倍數(shù)設定為0. 0566 ;所述步驟3. 7)中，時間過長閾值設定為10秒。
5.如權利要求I或2所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟4)中，計算新的標度因子的計算公式如下新的標度因子當前標度因子。
6.如權利要求3所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟4)中，計算新的標度因子的計算公式如下新的標度因子當前標度因子。
7.如權利要求4所述的一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，其特征在于所述步驟4)中，計算新的標度因子的計算公式如下新的標度因子當前標度因子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車用微機械陀螺標度因子在線標定方法，它能夠在車輛行駛過程中，利用汽車導航系統(tǒng)中常見的車載GPS設備、微機械陀螺和車速傳感器，實時采集GPS方位角、在用星數(shù)、陀螺輸出電壓和車速，為微機械陀螺標度因子失準判斷提供依據(jù)，如果當前標度因子已經(jīng)失準，則根據(jù)GPS方位角變化量、陀螺角度變化量和當前標度因子計算新的標度因子，并啟用新標度因子。本發(fā)明可以避免在當前標度因子未失準的情況下重復計算新標度因子而導致的汽車導航系統(tǒng)嵌入式計算機的計算資源浪費，提高微機械陀螺角速度的測量精度，為提高汽車導航的準確性提供了基礎。本方法特別適用于具有成本限制高、運行條件復雜和嵌入式計算能力較低等特點的汽車導航系統(tǒng)。
文檔編號G01C25/00GK102706364SQ20121019482
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權日2012年6月13日
發(fā)明者張照生, 李江濤, 楊揚, 楊殿閣, 王釗, 連小珉 申請人:清華大學