一種車載慣性導航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車載慣性導航系統(tǒng)，包括：氣壓高度傳感器、里程計、加速度傳感器、圖像獲取模塊、控制模塊、觸摸顯示模塊、音頻模塊和通信模塊，其中，控制模塊內(nèi)部具有多個中斷響應(yīng)模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。里程計與控制模塊的中斷響應(yīng)模塊連接，氣壓高度傳感器與通過I2C總線接口模塊與控制模塊連接。通信模塊通過串口通信接口模塊和控制模塊連接。加速度傳感器、圖像獲取模塊、觸摸顯示模塊和音頻模塊通過數(shù)據(jù)輸入輸出模塊和控制模塊連接。本發(fā)明所述系統(tǒng)能提供三維位置、速度和軌跡數(shù)據(jù)并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點。
【專利說明】
一種車載慣性導航系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車載導航領(lǐng)域，尤其涉及一種能提供三維位置、速度和軌跡數(shù)據(jù)并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，車載慣性導航定位方式都只能假設(shè)車輛行駛在平面上，因此所得到的結(jié)果都基于平面直角坐標系下的定位結(jié)果。在真實應(yīng)用環(huán)境中，如果車輛發(fā)生高度上的變化，例如上坡或下坡，駛?cè)牖蝰偝龈呒軜虻葓鼍皶r，定位系統(tǒng)內(nèi)無法判斷車輛的高度信息而無法給車輛行駛路徑以精確引導，導致慣性導航定位質(zhì)量受到較大影響。另外，疲勞駕駛已經(jīng)和毒駕、酒駕、超速、超載一起成為交警部門嚴厲打擊的五類嚴重違法行為，現(xiàn)有的車載導航系統(tǒng)不能在駕駛員處于疲勞狀態(tài)時給予提醒，也不能在發(fā)生撞擊時向車輛以外的相關(guān)目標發(fā)送報警信息。另外，現(xiàn)有的車載導航系統(tǒng)無法像手機那樣結(jié)合地圖以及附著在道路上的二次信息來增強駕駛員的體驗。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種能提供三維位置和軌跡數(shù)據(jù)并輔以駕駛員閉眼報警、撞擊報警和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種能提供三維位置、速度和軌跡數(shù)據(jù)并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統(tǒng)。
[0004]在本發(fā)明的較佳實施方式中，一種車載慣性導航系統(tǒng)，包括:氣壓高度傳感器
(I)、里程計⑵、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊⑷、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊(6)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內(nèi)部具有多個中斷響應(yīng)模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。所述里程計(2)包含左輪里程計和右輪里程計，所述左輪里程計和所述右輪里程計與所述控制模塊(5)中的所述中斷響應(yīng)模塊連接；所述氣壓高度傳感器(I)與所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊連接；所述通信模塊(8)通過所述串口通信接口模塊和所述控制模塊(5)連接。所述加速度傳感器
(3)、所述圖像獲取模塊(4)、所述觸摸顯示模塊(6)和所述音頻模塊(7)通過所述數(shù)據(jù)輸入輸出模塊和所述控制模塊(5)連接。
[0005]進一步地，所述里程計(2)的功能是獲得車輛行駛過程中的車輪轉(zhuǎn)動信息，所述左輪里程計安裝于車輛的左后輪，所述右輪里程計安裝于車輛的右后輪，隨著車輛的行駛，所述左輪里程計和所述右輪里程計能分別產(chǎn)生相應(yīng)的周期性脈沖信號，通過所述控制模塊
(5)中的所述中斷響應(yīng)模塊，將車輛運動的水平方向信息提供給所述控制模塊(5)。
[0006]進一步地，所述氣壓高度傳感器(I)的功能是測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關(guān)系得到車輛的海拔高度，通過所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發(fā)送給所述控制模塊(5)。
[0007]進一步地，控制模塊(5)綜合處理所述左輪里程計、所述右輪里程計和氣壓高度傳感器(I)的原始數(shù)據(jù)，所述綜合處理包括以下步驟:
[0008]響應(yīng)兩個外部中斷，調(diào)用計數(shù)器模塊，獲得兩個車輪轉(zhuǎn)動信息；
[0009]通過所述I2C總線接口模塊讀取氣壓高度傳感器內(nèi)部相應(yīng)寄存器的值，獲得氣壓值信息；
[0010]執(zhí)行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉(zhuǎn)動信息轉(zhuǎn)化為水平方向上的速度位置信息，將所述氣壓值信息轉(zhuǎn)化為垂直方向上的速度位置信息；以及
[0011]將三維位置速度信息通過所述串口通信接口模塊輸出。
[0012]進一步地，在車輛駕駛員發(fā)生疲勞駕駛的時候，能主動發(fā)現(xiàn)并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
[0013]進一步地，當所述加速度傳感器(3)檢測到有碰撞事故發(fā)生時，可被配置成通過所述通信模塊(8)向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
[0014]進一步地，所述控制模塊(5)能實時記錄和向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送三維位置信息，并在所述觸摸顯示模塊(6)上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數(shù)據(jù)支持。
[0015]進一步地，可在地圖上配置三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關(guān)人員發(fā)送警示信息。
[0016]進一步地，可根據(jù)地圖及其二次開發(fā)位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站和停車場等，并用語音播報所述興趣點的信息以及車輛與所述興趣點之間的距離。
[0017]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的車載導航系統(tǒng)有以下有益效果:
[0018]I)引入氣壓高度傳感器使得本發(fā)明所述系統(tǒng)具有提供三維位置數(shù)據(jù)的能力，而且系統(tǒng)機構(gòu)簡潔，易于實現(xiàn)且元器件成本低廉。
[0019]2)在車輛駕駛員發(fā)生疲勞駕駛的時候，本發(fā)明所述系統(tǒng)能主動發(fā)現(xiàn)并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
[0020]3)當檢測到有碰撞事故發(fā)生時，本發(fā)明所述系統(tǒng)可被配置成向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
[0021]4)本發(fā)明所述系統(tǒng)能實時記錄和向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送三維位置信息，并在觸摸顯示模塊上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數(shù)據(jù)支持。
[0022]5)本發(fā)明所述系統(tǒng)可被配置一個地圖上的三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關(guān)人員發(fā)送警示信息。
[0023]6)本發(fā)明所述系統(tǒng)可以根據(jù)地圖及其二次開發(fā)位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站，停車場等，并用語音播報興趣點信息以及車輛與興趣點的距離。
[0024]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；以及
[0026]圖2是本發(fā)明的一個較佳實施例的獲取三維位置信息的流程圖。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合說明書附圖對具體實施方法進行詳細說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明所述車載慣性導航系統(tǒng)，包括:氣壓高度傳感器(I)、里程計
(2)、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊(4)、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊￠)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內(nèi)部具有多個中斷響應(yīng)模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。
[0029]所述里程計包括左輪里程計和右輪里程計，分別安裝于車輛的左后輪和右后輪，隨著車輛的行駛，左輪里程計和右輪里程計能分別產(chǎn)生相應(yīng)的周期性脈沖信號，通過控制模塊的中斷響應(yīng)模塊，將車輛的運動的水平方向信息提供給控制模塊。其輸出為脈沖信號，每輸出一個脈沖所代表的車輪轉(zhuǎn)動距離取決于車輪半徑以及在車輪上均勻布置了多少個感測單元。
[0030]所述氣壓高度傳感器可以測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關(guān)系得到車輛的海拔高度。通過控制模塊的I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發(fā)送給控制模塊。
[0031]所述控制模塊可以通過各個接口模塊獲取左輪里程計，右輪里程計，氣壓高度傳感器所產(chǎn)生的信息；執(zhí)行改進的慣性導航定位算法；獲得車輛水平方向和垂直方向上的導航定位信息；通過內(nèi)部的串口通信接口模塊將導航定位信息輸出。
[0032]執(zhí)行所述改進的慣性導航定位算法的步驟如圖2所示，其處理過程包括:
[0033]I)響應(yīng)兩個外部中斷，調(diào)用計數(shù)器模塊，獲得兩個車輪轉(zhuǎn)動信息；
[0034]2)通過I2C總線接口讀取氣壓高度傳感器內(nèi)部相應(yīng)寄存器的值，獲得氣壓值信息；
[0035]3)執(zhí)行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉(zhuǎn)動信息轉(zhuǎn)化為水平方向上的速度位置信息，將氣壓值信息轉(zhuǎn)化為垂直方向上的速度位置信息。
[0036]4)將三維位置速度信息通過串口輸出。
[0037]所述步驟3)中，由兩個車輪轉(zhuǎn)動信息轉(zhuǎn)化為水平方向速度位置信息所涉及的公式如下:
[0038]獲得車輛行駛水平速度大小V的計算公式如下:
[0039]V = AD+ Δ t
[0040]式中，AD為在一個更新歷元里車輛走過的距離，At是一個更新歷元的時間間隔，其中，
[0041]AD= (AL+AR) ^-2
[0042]式中，Λ L為左輪在一個更新歷元里走過的距離，Λ R為右輪在一個更新歷元里走過的距離，
[0043]AL = TicLX d
[0044]AR = TicRX d
[0045]式中，TicL為在一個更新歷元里左輪里程計輸出的脈沖數(shù)，TicR為在一個更新歷元里右輪里程計輸出的脈沖數(shù)，d為一個脈沖數(shù)對應(yīng)走過的距離。
[0046]獲得車輛偏航角度的計算公式如下:
[0047]Hd (t) = Η?α-1) + ω
[0048]式中，Hd(t)為車輛當前歷元的航向角，Hd(t-1)為車輛上一歷元的航向角。ω是車輛當前歷元的偏航角變化，
[0049]ω = ( Δ R- Δ L) /length
[0050]式中，length是車輛左右后輪的間距。
[0051]所述步驟3)中，由氣壓值信息轉(zhuǎn)化為垂直方向上的速度位置信息所涉及的公式如下:
[0052]由氣壓值計算海拔高度的公式為:
fI Λ


(? ^)5.255
[0053]AJtitude=^j O* 1- -^―

UoJ
VJ
[0054]式中，P為氣壓計測得的氣壓值，P0為海平面的氣壓值。
[0055]計算垂直方向速度vh的公式為:
[0056]vh = (Altitudet-Altitude^1) -?- Δ t
[0057]式中，Altitudet為當前時刻海拔高度，Altitude^1為上一時刻海拔高度，At是一個更新歷元的時間間隔。
[0058]使用上述器件連接方式和算法，實現(xiàn)了輸出車輛三維位置速度信息的功能。
[0059]駕駛員在駕駛車輛過程中常常因困倦或晃眼等原因閉眼，這個動作會給駕駛員和車上乘員以及車輛本身帶來巨大風險，本發(fā)明中的圖像獲取模塊(4)可在車輛啟動上路以后一段時間內(nèi)給駕駛員臉部拍著一組照片，并進行眼睛開度的檢測處理，具體地說，通過圖像處理算法，先檢測眼睛的位置，對該位置區(qū)域的圖像進行二值化處理，然后標識出眼睛開度的大小。在后續(xù)行車過程中，按照一定的時間間隔拍攝駕駛員面部照片，并計算眼睛開度大小，若發(fā)現(xiàn)某一時刻的眼睛開度大小低于所設(shè)定的閾值，便可判斷駕駛員閉眼，同時通過通信模塊(8)發(fā)出報警信息。
[0060]所述的電加速度傳感器，可實時監(jiān)測車輛行駛過程中加速度的變化，在感知車輛發(fā)生碰撞以后，自動通過音頻模塊(7)向駕駛員發(fā)出警示信息，與此同時通過通信模塊(8)向車輛外部的其他相關(guān)人員發(fā)出警示信息。
[0061]本發(fā)明可將車輛行駛的三維位置坐標記錄下來，并在顯示屏上繪制兩維或三維運動軌跡，并可將整個坐標記錄通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定郵箱或服務(wù)器。通過這樣的方式，駕駛員和其他相關(guān)人員可以了解車輛的行駛軌跡，并在車輛發(fā)生盜竊的時候提示車輛位置線索，極大地增大了找到車輛的可能性。
[0062]本發(fā)明所述系統(tǒng)可被配置一個地圖上的三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關(guān)人員發(fā)送警示信息。這個功能在需要管理大量車輛的場合會起到較好有益效果，例如出租車公司，租車公司，公交公司等。
[0063]本發(fā)明所述系統(tǒng)可以根據(jù)車輛所在位置和道路平面數(shù)據(jù)進行匹配，并用語音播報出車輛位置附近是否有所設(shè)定的場所，若有，則隨后播報距離。所述道路平面數(shù)據(jù)是包含道路的位置信息，還包括附件的各種場所的位置信息(如加油站，停車場)以及這個場所的附加信息(如商家促銷信息)。本發(fā)明所述系統(tǒng)在通過音頻模塊(7)播報附件場所的信息時，也通過觸摸顯示模塊(6)顯示更多的候選信息。
[0064]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，包括:氣壓高度傳感器(I)、里程計(2)、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊(4)、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊(6)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內(nèi)部具有多個中斷響應(yīng)模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數(shù)據(jù)輸入輸出模塊；所述里程計(2)包含左輪里程計和右輪里程計，所述左輪里程計和所述右輪里程計與所述控制模塊(5)中的所述中斷響應(yīng)模塊連接；所述氣壓高度傳感器(I)與所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊連接；所述通信模塊(8)通過所述串口通信接口模塊和所述控制模塊(5)連接；所述加速度傳感器(3)、所述圖像獲取模塊(4)、所述觸摸顯示模塊(6)和所述音頻模塊(7)通過所述數(shù)據(jù)輸入輸出模塊和所述控制模塊(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，所述里程計(2)用于獲得車輛行駛過程中的車輪轉(zhuǎn)動信息，所述左輪里程計安裝于車輛的左后輪，所述右輪里程計安裝于車輛的右后輪，隨著車輛的行駛，所述左輪里程計和所述右輪里程計能分別產(chǎn)生相應(yīng)的周期性脈沖信號，通過所述控制模塊(5)中的所述中斷響應(yīng)模塊，將車輛運動的水平方向信息提供給所述控制模塊(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣壓高度傳感器(I)用于測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關(guān)系得到車輛的海拔高度，通過所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發(fā)送給所述控制模塊(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(5)綜合處理所述左輪里程計、所述右輪里程計和所述氣壓高度傳感器(I)的原始數(shù)據(jù)，所述綜合處理包括以下步驟: 響應(yīng)兩個外部中斷，調(diào)用計數(shù)器模塊，獲得兩個車輪轉(zhuǎn)動信息； 通過所述I2C總線接口模塊讀取所述氣壓高度傳感器內(nèi)部相應(yīng)寄存器的值，獲得氣壓值信息； 執(zhí)行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉(zhuǎn)動信息轉(zhuǎn)化為水平方向上的速度位置信息，將所述氣壓值信息轉(zhuǎn)化為垂直方向上的速度位置信息；以及 將三維位置速度信息通過所述串口通信接口模塊輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，在車輛駕駛員發(fā)生疲勞駕駛的時候，所述車載慣性導航系統(tǒng)能主動發(fā)現(xiàn)并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，當所述加速度傳感器(3)檢測到有碰撞事故發(fā)生時，所述車載慣性導航系統(tǒng)可被配置成通過所述通信模塊(8)向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送警示信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(5)能實時記錄和向車輛外部有關(guān)目標發(fā)送三維位置信息，并在所述觸摸顯示模塊(6)上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數(shù)據(jù)支持。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，可在地圖上配置三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關(guān)人員發(fā)送警示信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載慣性導航系統(tǒng)，其特征在于，可根據(jù)地圖及其二次開發(fā)位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站和停車場等，并用語音播報所述興趣點的 信息以及車輛與所述興趣點之間的距離。
【文檔編號】G01C21/34GK104296744SQ201410494790
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】王勵揚, 何文濤, 馬成炎, 藺曉龍, 翟昆明, 胡曉峰, 王浩 申請人:中國科學院嘉興微電子與系統(tǒng)工程中心