CN100533066C - 一种用于地面车辆gps导航的惯性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车载GPS导航的惯性补偿方法。目前GPS导航软件依靠GPS系统给出定位信息，当GPS信号没有或很弱时，导航软件无法正常工作。本发明的硬件包括GPS接收器、陀螺仪、加速度计。具体方法是：在GPS接收器无法正常接收到GPS信号时，将最后正常接收到的车辆运行的速度和位置的信息作为初始速度和初始位置；由陀螺仪测量车辆的行驶方向，由加速度计测量车辆行驶的加速度，确定车辆的更新速度；确定车辆的更新位置；将更新速度和更新位置作为导航信息的输入。利用本发明方法对车辆进行辅助定位，将定位结果作为导航软件必需的输入定位信息，可以使导航软件在没有GPS信号时仍能正常工作。

Description

一种用于地面车辆GPS导航的惯性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种全球定位系统(GPS)技术领域，尤其是用于当GPS信号较弱或无GPS信号时采用惯性补偿的方法进行车辆定位和速度估计的一种方法，该方法能够在GPS信号短时缺失的情况下保证导航软件正常稳定工作。

背景技术

车载导航是目前非常具有应用前景的技术，它的广泛应用得益于美国全球定位系统(Global Position System，GPS)技术的应用和发展。GPS系统通过分布在太空中的24颗卫星发送的无线卫星信号计算目标的定位信息，具有全球、全天候、精度高、实时性好等优点。但由于卫星信号直线传播的特点，GPS信号容易被高楼、大树或者隧道所阻挡，造成在这些位置无法接收到相应的GPS信号，形成GPS信号的真空地带。现有导航软件一般需要GPS信号的不间断输入才能正常工作，当GPS信号太弱或不存在时，造成导航软件无法判断车辆当前的准确位置，从而无法正常运行。

随着目前MEMS(Micro Electro-Mechanical System)传感器技术的不断发展，基于MEMS技术的陀螺仪和加速度计等传感器可以实时地获取移动载体(汽车)运行时的方向、加速度等，从而可以对移动载体的惯性量如姿态、位置等进行准确的估计。因此，这些惯性参数可以被辅助应用于车载导航中。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提出一种用于GPS导航的惯性补偿方法，解决了现有导航软件需要GPS信号不间断输入的缺点。

本发明的GPS导航的惯性补偿方法，依赖于如下硬件装置：

—用于从GPS系统接收定位信号的GPS接收器；

—用于测定车辆运行过程中行驶方向的陀螺仪；

—用于测定车辆运行过程中加速度的加速度计。

具体方法步骤是：

(1)在GPS接收器正常接收GPS信号时，直接得到车辆运行的速度和位置的信息作为导航信息的输入；在GPS接收器无法正常接收到GPS信号时，将最后正常接收到的车辆运行的速度和位置的信息作为初始速度v₀和初始位置P₀。

(2)由陀螺仪测量车辆的行驶方向，由加速度计测量车辆行驶的加速度，确定车辆的更新速度：

$v_t=v_{t-1}\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{a_{t-1}^2\·\mathrm{\Δ}{t}^2-v_{t-1}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

其中v_t-1是t-1时刻的速度，v_t是t时刻的更新速度；a_t-1是t-1时刻的车辆合成加速度，θ_t-1和θ_t分别是车辆在t-1时刻和t时刻车辆的行驶方向，Δt是陀螺仪和加速度计测量的时间间隔；

t-1时刻的车辆合成加速度a_t-1的确定方法是通过加速度计得到车辆在两个水平正交方向的加速度，根据下式进行确定：

$a_{t-1}=\sqrt{a_{t-1_x}^2+a_{t-1_y}^2}$

其中

和

分别是t-1时刻车辆在这两个水平正交方向的加速度。

(3)确定车辆的更新位置：

$\left|{\mathrm{OP}}_t\right|=\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{v_{t-1}^2\·\mathrm{\Δ}{t}^2-{\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

P_t＝(x_t，y_t)＝(|OP_t|cosθ_t，|OP_t|sinθ_t)

其中P_t-1是t-1时刻的位置，P_t是t时刻的更新位置，|OP_t|是更新位置P_t到初始位置P₀的距离。

(4)将更新速度v_t和更新位置P_t作为导航信息的输入。

(5)重复步骤(2)、(3)和(4)，直到GPS接收器可以正常接收到GPS信号，则直接由GPS接收器得到车辆运行的速度和位置的信息作为导航信息的输入。

根据本发明的第一方面，公开了一种用于GPS导航的惯性补偿方法的运行载体。上述惯性补偿装置包括一个用于正常导航时接收GPS定位信息的GPS接收器，一个用于测量车辆运行方向的陀螺仪，一个用于测量车辆加速度的加速度计。利用已测定的车辆行驶角度和加速度，以及由GPS系统给出的初始位置和速度信息，来测定车辆的后续位置，以供导航软件使用。

根据本发明的第二方面，公开了一种在没有GPS信号时获取车辆速度的方法。上述方法包括以下步骤：从GPS系统中获取其最近最后正常工作时的速度信息，作为方法的初始速度；利用陀螺仪测量车辆的运行方向；利用加速度计测量车辆在东向和北向的加速度；利用这些信息通过迭代方法获取每一时刻车辆的最新速度及其方向，作为导航软件所必需的一个输入。

根据本发明的第三方面，公开了一种在没有GPS信号时获取车辆位置的方法。上述方法包括以下步骤：从GPS系统中获取其最近最后正常工作时的位置信息，作为方法的初始位置；利用陀螺仪测量车辆的运行方向；利用加速度计测量车辆在东向和北向的加速度；利用这些信息通过迭代方法获取每一时刻车辆的最新位置，作为导航软件所必需的另一个输入。

根据本发明的第四方面，公开了一种GPS导航与惯性导航相结合的方式。惯性补偿方法在GPS信号较弱或没有GPS信号时自动激活运行，获取车辆的速度和位置作为导航软件的输入信息；而当GPS信号恢复正常时，惯性补偿方法不再运行，转由GPS系统提供导航软件所必需的车辆速度和位置信息。

利用本发明方法可以在GPS信号较弱或没有GPS信号时自动执行，利用当前已有的信息及获取的惯性量对车辆进行辅助定位并输入到导航软件中，从而使得导航软件在没有GPS信号时仍能正常稳定工作；另一方面，当GPS信号恢复正常时，导航软件所需的定位信息仍由GPS系统提供，从而保证定位的准确性。

附图说明

图1为本发明中基于惯性补偿的GPS导航系统结构示意图；

图2为车辆运行过程中的一实施例的状态示意图；

图3为本发明在GPS导航软件中的转换示意图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的优选实施例，它们的一个实例在附图中给出。

图1表示本发明所述示例性的基于全球定位系统导航的惯性补偿装置，该惯性补偿装置包括：CPU处理器单元1、用于接收经纬度信息的GPS接收器2、用于测量车辆航向和加速度的MEMS惯性传感器3、用于将传感器的模拟信号数字化的多路复用串行模数转换器4、以及导航软件模块5。

GPS接收器2包括用于将GPS信号进行放大的GPS射频放大模块21以及用于接收GPS信号的GPS接收模块22。GPS射频放大模块21的输出端与GPS接收模块22的输入端相连，射频放大器21的输入来源于GPS天线。GPS接收器的输出端与CPU处理单元1的导航定位信号输入端双向电连接。

MEMS惯性传感器模块3包括两种MEMS惯性传感器：用于测量车辆航向的陀螺仪32和用于测量车辆运动加速度的加速度计31。陀螺仪32和加速度计31的输出端均与多路复用串行模数转换器4的输入端相连。

多路复用串行模数转换器4用于将MEMS惯性传感器转换得到的模拟电压信号进行多路复用，并在内部将这些模拟信号进行放大后再进行高精度模数转换(ADC)，最后从串行接口输入到CPU处理单元1中进行相应的处理和运算。

CPU处理单元1用于执行本发明所描述的惯性补偿方法，可以是带有一定存储单元的数字信号处理器或专用的FPGA。在正常情况下CPU处理单元1只需保存来自GPS接收器2所获取的车辆位置和速度信息，当GPS信号过弱或没有时，CPU处理单元1需要处理来自多路复用串行模数转换器4的车辆惯性数据并执行相应的惯性补偿方法。CPU处理单元1处理得到的车辆位置和速度信息作为导航软件模块5的数据输入，使得导航软件模块5能够正常正确运行。

图2表示了本发明中惯性补偿方法运行时车辆的典型工作状态。图中所示为车辆运行路径的俯视图。GPS信号最后一次正常工作时车辆位于位置P₀，此时由GPS得到的车辆初时速度为v₀。在t-1时刻车辆处于位置P_t-1，此时运行方向为θ_t-1，而在t时刻车辆处于位置P_t，运行方向为θ_t。在图中，车辆的速度方向和合成加速度方向与允许方向保持一致。

图3表示本发明中惯性补偿方法在整个基于GPS导航中的转换过程。从图中可以看出，惯性补偿方法在本发明中是作为全球定位系统的有力补充，它只是在GPS信号非常微弱或GPS信号不存在时得到运行，向导航软件提供必要的车辆位置和速度信息；当GPS信号足够强时，整个系统仍采用GPS给出的定位信号进行导航。

图4表示了本发明中惯性补偿方法的具体工作流程。首先，在惯性补偿方法得到运行之前，GPS系统已正常工作了一定时间，即GPS系统一开始一定时间内能够接收到较强的定位信息。此时，在CPU处理单元中实时记录并更新由GPS系统得到的车辆位置和速度等相关定位信息。然后，方法持续检测GPS信号的强度，只要能够检测到相当强度的GPS信号时，就采用GPS系统所获得的定位信息作为导航软件的输入，整个系统处于正常工作流程，导航软件所需的定位信息直接由GPS系统给定。

一旦系统检测到GPS信号非常微弱或者无法检测到GPS信号，例如，汽车处于高楼、大树的遮挡之下或者汽车运行于隧道之中时，进行惯性补偿工作流程。此时由陀螺仪测量车辆的行驶方向θ，由加速度计测量车辆行驶的加速度a，基于GPS最后一次正常工作时保存的初始速度v₀，按照如下公式迭代计算每一个时刻的车辆运行速度：

$v_t=v_{t-1}\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{a_{t-1}^2\·\mathrm{\Δ}{t}^2-v_{t-1}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

其中下标表示测量的时刻，如v_t-1表示的是t-1时刻所获得的车辆运行速度，Δt是传感器的测量时间间隔。

根据上面所测得的惯性参数和计算所得的车辆速度，基于GPS最后一次正常工作时保存的初始位置P₀，按照如下公式迭代计算每一个时刻的车辆位置：

P_t＝(x_t，y_t)＝(|OP_t|cosθ_t，|OP_t|sinθ_t)，

其中

$\left|{\mathrm{OP}}_t\right|=\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{v_{t-1}^2\·\mathrm{\Δ}{t}^2-{\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

是位置P_t到初时位置P₀的距离。

当系统一直无法检测到足够强的GPS信号时，它始终处于上述惯性补偿工作流程，导航软件所需的定位信息也由这个惯性补偿方法给出。当然，为了提高惯性补偿方法的估计精度，可以对由惯性补偿方法计算得到的定位信息进行进一步的后处理如平滑滤波等。

当系统重新检测到足够强的GPS信号后，惯性补偿工作流程结束，重新进入GPS系统正常工作流程。

Claims (2)

1、一种用于地面车辆GPS导航的惯性补偿方法，依赖于如下硬件装置：

—用于从GPS系统接收定位信号的GPS接收器；

—用于测定车辆运行过程中行驶方向的陀螺仪；

—用于测定车辆运行过程中加速度的加速度计；

其特征在于该方法具体步骤是：

(1)在GPS接收器正常接收GPS信号时，直接得到车辆运行的速度和位置的信息作为导航信息的输入；在GPS接收器无法正常接收到GPS信号时，将最后正常接收到的车辆运行的速度和位置的信息作为初始速度v₀和初始位置P₀；

(2)由陀螺仪测量车辆的行驶方向，由加速度计测量车辆行驶的加速度，确定车辆的更新速度：

$v_t=v_{t-1}\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{a_{t-1}^2\·{\mathrm{\Δt}}^2-v_{t-1}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

其中v_t-1是t-1时刻的速度，v_t是t时刻的更新速度；a_t-1是t-1时刻的车辆合成加速度，θ_t-1和θ_t分别是车辆在t-1时刻和t时刻车辆的行驶方向，Δt是陀螺仪和加速度计测量的时间间隔；

(3)确定车辆的更新位置：

$\left|{\mathrm{OP}}_t\right|=\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})+\sqrt{v_{t-1}^2\·{\mathrm{\Δt}}^2-{\left|{\mathrm{OP}}_{t-1}\right|}^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_{t-1})}$

P_t＝(x_t，y_t)＝(|OP_t|cosθ_t，|OP_t|sinθ_t)

其中P_t-1是t-1时刻的位置，P_t是t时刻的更新位置，|OP_t|是更新位置P_t到初始位置P₀的距离；

(4)将更新速度v_t和更新位置P_t作为导航信息的输入；

(5)重复步骤(2)、(3)和(4)，直到GPS接收器可以正常接收到GPS信号，则直接由GPS接收器得到车辆运行的速度和位置的信息作为导航信息的输入。

2、如权利要求1所述一种用于地面车辆GPS导航的惯性补偿方法，其特征在于t-1时刻的车辆合成加速度a_t-1的确定方法是通过加速度计得到车辆在两个水平正交方向的加速度，根据下式进行确定：

$a_{t-1}=\sqrt{a_{t-1_x}^2+a_{t-1_y}^2}$

其中和分别是t-1时刻车辆在这两个水平正交方向的加速度。

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