CN101310163A - 移动对象位置评估设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种安装在移动对象中的移动对象位置评估设备(200)，具有第一评估装置、储存装置(204)、第二评估装置和合成装置，第一评估装置根据来自安装在移动对象上的惯性导航传感器装置(加速度传感器、偏航率传感器等)(203)的输出来评估移动对象位置，储存装置用于储存至少包括节点信息的地图信息，第二评估装置根据由节点信息预计的移动对象预计行驶路径来评估移动对象位置，合成装置通过对由第一评估装置评估的移动对象位置和由第二评估装置评估的移动对象位置进行合成，来确定最终评估的移动对象位置。

Description

移动对象位置评估设备和方法

技术领域

本发明涉及安装在移动对象上的移动对象位置评估设备以及评估方法。具体地说，本发明涉及以高精度、不受路面轮廓和周围环境影响地对移动对象的位置进行评估的移动对象位置评估设备。

背景技术

日本专利申请公开9-189564(JP-9-189564A)描述了一种传统的移动对象位置评估设备。该移动对象位置评估设备例如安装在车辆上并对移动对象的位置进行评估。这种设备通常包括在导航系统中。

通常，用全球定位系统(GPS)来检测和评估移动对象的位置以获得该移动对象的绝对坐标。

为了适应来自GPS卫星的无线电信号接收条件很差的情况，设置了一组惯性导航传感器(例如加速度传感器和偏航率传感器)，以便能够根据这组惯性导航传感器的输出来评估移动对象的位置。

在大多数传统GPS中，测量精度比实时运动GPS(RTK-GPS)的精度要差，可能产生大约几十米的误差。惯性导航传感器装置的精度特征是随着随时间的所谓漂移而恶化。

在这样的情况下，如果在与移动对象事先储存的地图信息进行对比检查时，发现导航系统中检测和评估到的移动对象位置偏离了道路，则执行所谓的地图匹配处理(下文中称为“地图匹配”)来校正移动对象的位置，以在向用户指示位置之前将移动对象引到道路上的某个位置。

在JP9-189564A中，描述了这样的设备：在因接收GPS信号失败而利用惯性导航传感器来计算移动对象的位置和速度时，该设备根据地图信息来对惯性导航传感器装置误差以及输出误差进行校正。

但是，JP9-189564A中描述的利用地图信息进行的地图匹配和校正处理都假定地图信息是精确的，进行处理使所检测和评估到的移动对象位置精度与地图信息精度一致。因此，校正之后的移动对象位置精度不超过地图信息的精度。

地图信息通常由多个节点以及连接在这些节点之间的直线连线(link)所形成。地图匹配处理对所检测和评估到的移动对象位置进行校正，以在移动对象位置结果不位于连线上时使之与连线上的某个位置一致。

但是，由于用来储存地图信息的存储介质容量是有限的，不能以地图信息的形式储存应当设置节点的位置处全部的道路轮廓弯曲点，所以会“跳过”一些节点。因此，由地图信息中包括的节点和连线所描述的道路轮廓不一定完整地表示了实际的道路轮廓。

在JP9-189564A描述的地图匹配和校正处理中，使用地图信息(节点和连线信息)的精度不一定与作为基准的校正信息一样好，所以即使在校正之后，移动对象位置也可能还有较大误差。可能由地图匹配和其他插值处理等给所检测和评估的移动对象位置引入附加的错误。

图1A和图1B示出了一种示例。如图1A所示，节点N₁和节点N₃被设定在与实际道路轮廓R对应的地图信息中。例如，由于储存介质的容量限制，即使由虚线所示的节点N₂处于道路中的弯曲位置处，地图信息中也不包括节点N₂。在此情况下，由虚线所示的连线L₁和L₂也类似地不包括在地图信息中，所得的地图信息反映的节点N₁和N₃就像由连线L₃连接一样。这样，根据这种地图信息，所感知和显示的道路轮廓与沿着连线L₃延伸一样。

如果用这样的地图信息作为基准来执行地图匹配，则即使由GPS或惯性导航传感器装置检测和评估到的移动对象位置是道路上的实际位置P₁或P₂，如图1B所示，地图匹配也会造成将移动对象位置错误地校正至连线L₃上的位置V。

已经提出了各种方法来改善地图匹配的精度。但是，在如上所述用自身的特征对象来将所检测和评估到的移动对象位置校正到所用的地图信息中包括的连线上的点这样的地图匹配中，无论使用的具体方法细节如何，寻找位置的精度都被内在地限制在渐近线形式的地图信息的精度。

即使对检测和评估到的移动对象位置进行校正，使导航系统中的显示问题有明显的解决方案，但如果移动对象位置精度较差，也还有各种问题。

例如，在用于驾驶支持的所谓导航坐标系统中(例如，在十字路口处通过警告或制动干预来进行的停止辅助控制中)，车辆上安装有高精度GPS设备，并以不超过几厘米的误差来执行高精度位置检测。在这样的系统中，所检测到的车辆位置被用在各种控制应用中，即使GPS信号的接收条件不差，也必须持续检测车辆位置以使车辆控制继续。在这样的情况下，如JP9-189564A中所述，在用地图信息对惯性导航传感器及其输出进行校正的方法中，所检测和评估到的位置精度变差可能严重到难以根据车辆位置对车辆进行持续控制的程度。

发明内容

本发明基于从根本上不同于地图匹配的概念，并提供了一种移动对象位置评估设备，该设备以高精度对移动对象的位置进行评估，而不受道路轮廓和周围环境的影响，所述地图匹配仅仅将检测和评估到的移动对象的位置调节到地图信息的精度。

本发明的第一方面涉及一种移动对象位置评估设备，它安装在移动对象上并评估该移动对象的位置。这种移动对象位置评估设备具有第一评估装置、储存装置、第二评估装置和合成装置，所述第一评估装置用于根据来自惯性导航传感器装置(加速度传感器和偏航率传感器等)的输出来评估移动对象位置，所述惯性导航传感器装置安装在移动对象上；所述储存装置用于储存地图信息，所述地图信息至少包括节点信息；所述第二评估装置用于根据移动对象的预计行驶路径来评估移动对象的位置，所述预计行驶路径是从节点信息预计的；所述合成装置用于通过对由第一评估装置评估的移动对象位置和由第二评估装置评估的移动对象位置进行合成，来确定最终评估的移动对象位置。

每次由上述合成处理装置确定移动对象的最终评估位置时，第一评估装置使用最新的最终评估位置作为新的起始位置，所述起始位置用于根据来自惯性导航传感器装置的输出来评估移动对象位置。

这个方面基于下面的三个观察结果。具体地说，(a)对于道路信息中包括的节点信息和连线信息，尽管连线信息的精度由于节点“跳过”而较差，但节点信息本身具有较好的精度；(b)对于来自惯性导航传感器装置的输出，(b-i)尽管误差随着时间流逝而积累，造成相对于实际值出现较大偏移，但在从用作基准的起始点起经过的时间尽可能小时误差较小，以及(b-ii)可以在每个单独的瞬时以较好的精度对移动对象的瞬时行驶方向进行评估。

即，即使相邻节点之间的道路实际轮廓不是像连线信息所表示的直线，但合成装置已经评估了由来自惯性导航传感器装置的输出所评估的行驶方向的移动对象位置的节点之间的实际道路轮廓，考虑由来自惯性导航传感器装置的输出评估的移动对象位置来确定移动对象的最终评估位置，

在这个方面，在评估移动对象的位置时，消除了例如地图匹配中对于评估移动对象位置的任何情况都将移动对象的位置移动到道路信息中包括的某个连线上这样的概念，而是针对由道路信息评估的移动对象位置以及由来自惯性导航传感器装置的输出评估的移动对象位置来作出整体上的判定。因此，由于可以将两种方法中具有较好精度的要素进行组合，即由于可以根据道路信息中包括的节点信息和根据来自惯性导航传感器装置的输出评估的移动对象行驶方向实现移动对象位置评估，所以可以用比地图匹配方法高得多的精度来评估移动对象的位置。

由于用高精度GPS可以以非常小的误差来检测移动对象的绝对位置，所以在移动对象位置评估设备还具有位置检测装置(例如高精度GPS)、所述位置检测装置利用通信来检测移动对象的绝对坐标的情况下，可以设定为使得第一评估装置、第二评估装置和合成装置只在位置检测装置不能通信的时候(例如，在GPS信号接收条件较差时)才工作。

在此情况下，第二评估装置根据规定插值方法(例如回旋曲线插值或样条插值)将节点信息中位于移动对象附近的节点相连，将评估的道路轮廓认为是直线或者曲线。确定评估道路轮廓曲线与由位置检测装置检测到的移动对象位置之间沿道路宽度方向的偏移量，并将移动了该偏移量的评估道路轮廓线认为预计行驶路径。距离检测装置对评估了最终移动对象位置之后移动对象移动的距离进行检测，沿预计行驶路径移动了所检测到的移动量的位置可以被评估为新的移动对象位置。或者，从第一评估装置评估的移动对象位置向预计行驶路径延伸的垂直线与预计行驶路径的交点可以被评估为移动对象位置。

本发明的另一个方面涉及一种用于对移动对象位置进行评估的方法。该方法根据来自惯性导航传感器装置的输出来评估移动对象的位置，并根据由节点信息预计的移动对象预计行驶路径来评估移动对象的位置，所述节点信息包括在储存于储存装置中的地图信息中。这种用于评估移动对象位置的方法通过对来自惯性导航传感器装置的输出而评估的移动对象位置和根据预计行驶路径而评估的移动对象位置进行合成来确定移动对象的最终评估位置。

根据本发明的一个方面，移动对象位置评估设备被设置来以高精度、不受道路轮廓和周围环境影响地评估移动对象的位置。

附图说明

根据下面参考附图对实施例进行的说明，可以了解本发明前述的以及其他的目的、特征和优点，在附图中，相同的标号用来表示相同的元件。其中：

图1A和图1B是对现有技术中地图匹配的问题进行说明的附图；

图2的简化结构图示出了根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备；

图3的流程图示出了根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备所执行的位置和方向评估处理的流程；

图4的流程图示出了根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备所执行的根据地图信息进行的位置和方向评估的流程；

图5的附图用于说明根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备执行的根据地图信息进行的位置和方向评估处理；

图6的附图用于说明由根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备所执行的合成。

具体实施方式

本发明的实施例是参考附图来进行说明的。由于使用GPS以及根据位置评估设备和来自惯性导航传感器装置的输出来评估位置的基本概念、主要硬件、基本控制方法等是已知的，所以将不在这里进行详细说明。

下面利用图2至图6对根据本发明一种实施例的移动对象位置评估设备进行说明。在所述实施例中，移动对象是车辆。

图2的简化结构图示出了根据所述实施例安装在车辆上的移动对象位置评估设备200。

例如，移动对象位置评估设备200具有高精度GPS设备201，该设备201是RTK-GPS等，作为对车辆当前位置的绝对坐标进行检测的装置。

移动对象位置评估设备200还具有车轮速度传感器202，作为对车辆速度进行检测的装置。

移动对象位置评估设备200还具有惯性导航传感器装置203。本实施例中的惯性导航传感器装置203例如可以包括偏航率传感器和加速度传感器(前/后、左/右、上/下)。

移动对象位置评估设备200还具有储存单元204，地图信息被预先装载在该单元中。本实施例中的储存单元204可以是任何适当类型的储存介质。储存在储存单元204中的地图信息可以例如通过通信而得到适当的更新，以使该数据是当前的数据。

移动对象位置评估设备200还具有处理器205，处理器205对车辆的位置和方向进行高精度的计算和评估。处理器205例如包括微处理器。

在本实施例中，处理器205以高精度计算或评估车辆的位置和方向，并例如将这样的结果提供给使用当前车辆位置信息的驾驶支持系统。车辆对象位置评估设备200本身可以是导航系统的一部分。

参考图3的流程图，下面将对移动对象位置评估设备200中评估车辆方向和位置的处理进行说明。

首先，高精度GPS设备201判定GPS数据是否足够可靠(S301)。这种确定基于例如下列因素：所接收到的GPS信号的强度、以及可以从其接收信号的GPS卫星的数目。

例如，如果无线电信号环境良好，则GPS设备201判定为GPS数据足够可靠(S301为“否”)。如果是这样的情况，则处理器205能够用由高精度GPS 201检测到的车辆当前位置的绝对坐标来检测车辆的位置，也能够通过对这些绝对坐标的时间改变进行监视来计算车辆的方向(运动方向)。所检测和计算出的车辆位置和方向如上所述被提供给驾驶支持系统等(S306)。

但是，如果无线电信号环境较差，则GPS设备201判定为GPS数据不够可靠(S301为“是”)，处理器205虽然不能使用GPS，但使用惯性导航传感器装置203在随后的步骤S303至S305以高精度评估车辆位置和方向。

具体地说，处理器205通过对下列项进行总体考虑来评估车辆的最终位置和方向：由储存单元204中储存的地图信息评估的车辆位置和方向、以及由惯性导航传感器装置203的输出评估的车辆位置和方向。

处理器205首先基于储存在储存单元204中的地图信息来评估车辆的位置和方向(S303)。下面根据图4的流程图并参考图5的流程图来说明步骤S303执行的评估处理的细节。

在高精度GPS设备201判定GPS数据的可靠性是否降低时，处理器205通过与储存单元204中储存的地图信息进行比较，来提取由GPS数据最后获取的车辆位置Xs附近的节点位置N和连线位置L(S401)。

然后，处理器205根据从GPS数据最后获得的车辆位置Xs来判定车辆位于哪个连线位置L，在连线L上，由GPS数据最后获得的车辆位置Xs之前和之后存在的规定数目的节点N1至N3由光滑的近似曲线连接，所述曲线是例如用回旋曲线(clothoid)插值或样条插值获得的，这种近似曲线是道路轮廓曲线S(S402)。

接着，处理器205计算由GPS数据最后获得的车辆位置Xs沿道路宽度方向相对于由节点信息N近似所预计的道路轮廓曲线S的偏移量ΔX(S403)。偏移量ΔX是既可以取正值又可以取负值的参数。在道路宽度方向上向左的方向或向右的方向被预先确定为偏移ΔX的正方向。

接着，处理器205通过将评估到的道路轮廓曲线S偏移(平行地平移)该偏移量ΔX，来计算并获得曲线P作为预计行驶路径(S404)。

接着，处理器205根据从由GPS数据最后获得车辆位置Xs起已经经过的时间以及轮速传感器202的输出，来计算车辆从位置Xs行驶的距离D，并在假定车辆已沿着预定行驶路径P运动的情况下确定预定行驶路径P上的当前位置Xp(S405)。

处理器205还评估位置Xp处预定行驶路径P的倾斜情况作为车辆的方向(偏航和俯仰)(S406)。

地图信息的节点位置N和由GPS最后检测到的车辆位置Xs被认为具有较好的精度，用它们作为基准，在车辆沿估计道路轮廓曲线S行驶的情况下对位置Xp和方向进行评估，因为这样保持了位置Xs相对于仅从节点信息评估的道路轮廓曲线S的相对位置关系。

返回图3，在以此方式根据地图信息评估了车辆位置和方向的时候(S303)，处理器随后以与传统方式相同的方式，根据来自惯性导航传感器装置的输出，评估车辆的位置和方向(S304)。

尽管这些描述和附图针对的是首先根据地图信息执行评估处理、然后根据来自惯性导航传感器装置的输出进行评估处理的情况，但这两种处理功能也可以以相反顺序执行或者同时并行地执行。

在以此方式根据地图信息对车辆的位置和方向进行了评估并根据来自惯性导航传感器装置的输出对车辆的位置和方向进行了评估之后，处理器25接着通过例如用卡尔曼滤波或最大似然近似(maximum likelihoodestimation)来执行合成，以设定车辆的最终评估位置，使评估结果将这两种评估都反映出来(S305)。

下面参考图6来说明合成处理。根据地图信息的节点信息部分的位置精度较好这样的观察结果，本实施例中的合成处理考虑了用节点信息作为基准评估到的车辆位置Xp，以改善最终评估到的车辆位置对节点的相对位置关系精度。

尽管误差随着从用作基准的开始点起的时间流逝而积累，来自惯性导航传感器装置的输出的精度恶化，但对于每个瞬间所检测到的车辆运动方向具有较高精度。根据这种观察结果，通过在评估车辆位置时将根据来自惯性导航传感器装置的输出而评估的车辆位置X₁考虑在内，即使在地图信息中未设定节点的区域中，也反映了由车辆运动方向评估的实际道路轮廓，从而提高了最终评估到的车辆位置相对于实际道路轮廓的位置精度。

在图6中，GPS的可靠性在位置Xs处下降。位置X_P1表示如上所述根据节点信息以及从位置Xs行驶的距离D₁所评估的车辆位置。位置X_I1表示只使用以Xs为起始点来自惯性导航传感器装置的输出而不使用GPS所评估的车辆位置。如上所述，由图6中虚线所示的根据来自惯性导航传感器装置的输出进行的评估随着误差积累而偏离了实际道路位置，该误差随着离起始点Xs的距离增大而增大。

在本实施例中，执行下述合成处理以确定最终评估车辆位置X_F1，所述合成处理使得评估位置X_P1和评估位置X_I1的较好精度都得到反映，其中，评估位置X_P1在相对于实际节点位置的相对位置方面具有较好精度，评估位置X_I1以较好的精度反映了道路轮廓(例如曲率)。

与上述位置评估类似，通过利用根据地图信息所评估的方向以及根据来自惯性导航传感器装置的输出的方向进行评估这二者的优点，通过合成处理来获得车辆的最终评估方向。

返回图3，在评估了最终车辆位置和方向时，处理器205可以将这些结果提供给例如驾驶支持系统等(S306)。

重复步骤S303至S305直到GPS的可靠性恢复。再参考图6，在确定了最终评估车辆位置X_F1之后，在确定下一个最终车辆位置X_F2时，用先前确定的位置X_F1作为根据来自惯性导航传感器装置的输出进行的评估中新的起始点。即，在根据地图信息对评估位置X_P2进行的评估中使用与位置X_P1的距离D₂。通过使用位置X_F1作为根据来自惯性导航传感器装置的输出对评估位置X_I2进行的评估中新的起始点，位置X_I2中包括的积累误差被保持在最小程度。

这样，本实施例既考虑了根据节点信息而评估的车辆位置和方向，又考虑了根据来自惯性导航传感器装置的输出而评估的车辆位置和方向，从而相对于节点位置和道路轮廓都能够以良好的精度确定车辆位置和方向。

尽管上述实施例中以偏航率传感器和加速度传感器的组合作为惯性导航传感器装置，但是本发明不限于这个方面，而可以具有例如轮速传感器和转向角传感器的组合。

另外，尽管上述实施例描述了根据地图信息估计车辆位置，其中通过插值处理来连接车辆附近的节点以使曲线S光滑，并用预计行驶路径P作为通过使该曲线偏移而获得的曲线，但应当明白，也可以用地图信息中包括的连线信息代替曲线S，从而通过取消插值步骤来简化处理。

在上述实施例中，在根据地图信息来评估车辆位置时，通过沿预计行驶路径P移动一段根据轮速传感器202的输出而计算出的行驶距离D来评估车辆位置。但是，本发明不限于这种方式。例如，从根据来自惯性导航传感器装置的输出而估计的位置X₁向预计行驶路径P延伸的垂直线与预计行驶路径P的交点可以被用作根据地图信息的评估位置Xp。在此情况下，轮速传感器不是必须的。

尽管已经参考被认为是其优选的实施例对本发明进行了说明，但应当明白，本发明不限于所公开的实施方式或构造。相反，本发明应当认为覆盖了各种变更形式和等效结构。另外，尽管以示例性的各种组合和构造方式示出了本发明的各个部件，但在本发明的精神和范围内，也可以采用其他组合和构造，包括更多、更少或单一的部件。

本发明例如可以用于安装在移动对象(车辆)上、对该移动对象的位置进行评估的移动对象位置评估设备中。在安装在车辆上的情况下，根据本发明的移动对象位置评估设备优选地构造为导航系统的一部分，在此情况下，安装该移动对象位置评估设备的车辆在外观、重量、尺寸和行驶性能方面没有限制。

Claims (15)

1.一种移动对象位置评估设备，包括：

第一评估装置，用于根据来自设在所述移动对象上的惯性导航传感器装置的输出来评估移动对象位置；

储存装置，用于储存地图信息，所述地图信息至少包括节点信息；

第二评估装置，用于根据所述移动对象的预计行驶路径来评估所述移动对象位置，所述预计行驶路径是从所述节点信息预计的；和

合成装置，用于通过对由所述第一评估装置评估的所述移动对象位置和由所述第二评估装置评估的所述移动对象位置进行合成，来确定最终评估的移动对象位置。

2.根据权利要求1所述的移动对象位置评估设备，其中，

在由所述合成装置确定所述最终评估的移动对象位置时，所述第一评估装置使用此前的最终评估位置作为新的起始点来根据来自所述惯性导航传感器装置的输出评估所述移动对象位置。

3.根据权利要求1或2所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述惯性导航传感器装置包括加速度传感器和偏航率传感器。

4.根据权利要求1或2所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述惯性导航传感器装置包括轮速传感器和转向角传感器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的移动对象位置评估设备，还包括：

位置检测装置，用于利用通信来检测所述移动对象位置的绝对坐标，其中，在所述位置检测装置不能执行所述通信时，所述第一评估装置、所述第二评估装置和所述合成装置工作。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的移动对象位置评估设备，还包括：

位置检测装置，用于利用通信来检测所述移动对象位置的绝对坐标，其中，在所述位置检测装置判定为从所述位置检测装置检测到的数据的可靠性下降时，所述第一评估装置、所述第二评估装置和所述合成装置工作。

7.根据权利要求5或6所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述第二评估装置将评估道路轮廓认为是将所述节点信息中位于所述移动对象附近的节点连接的线，确定所述评估道路轮廓线与由所述位置检测装置检测到的所述移动对象位置之间在道路宽度方向上的偏移量，并将移动了所述偏移量的评估道路轮廓线作为所述预计行驶路径。

8.根据权利要求7所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述第二评估装置将所述评估道路轮廓选定为基于规定插值方法将附近的节点连接起来的曲线。

9.根据权利要求8所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述插值方法是回旋曲线插值方法。

10.根据权利要求8所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述插值方法是样条插值方法。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述第二评估装置包括用于检测所述移动对象行驶距离的距离检测装置，并采用从所述第二评估装置最后一次评估所述移动对象位置的时间起沿着所述预计行驶路径移动了所述距离检测装置所检测到的行驶量的位置来作为新的移动对象位置。

12.根据权利要求11所述的移动对象位置评估设备，其中，

所述距离检测装置包括轮速传感器，

所述行驶距离是根据从最后一次预计所述评估移动对象位置起经过的时间量以及所述轮速传感器的输出来计算的。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的移动对象评估设备，其中，

所述第二评估装置采用下述交点作为所述最终移动对象位置：所述交点是从由所述第一评估装置评估的所述评估移动对象位置向所述预计行驶路径延伸的垂直线与所述预计行驶路径的交点。

14.一种移动对象位置评估设备，包括：

第一评估装置，所述第一评估装置根据来自安装在所述移动对象上的惯性导航传感器装置的输出来评估移动对象位置；

储存装置，所述储存装置储存地图信息，所述地图信息至少包括节点信息；

第二评估装置，所述第二评估装置根据所述移动对象的预计行驶路径来评估所述移动对象位置，所述预计行驶路径是从所述节点信息预计的；和

合成装置，所述合成装置通过对由所述第一评估装置评估的所述移动对象位置和由所述第二评估装置评估的所述移动对象位置进行合成，来确定最终评估的移动对象位置。

15.一种用于对移动对象的位置进行评估的方法，包括：

根据来自惯性导航传感器装置的输出，评估所述移动对象的位置；

根据地图信息中包括的节点信息，设定所述移动对象的预计行驶路径；

根据所述预计行驶路径，评估所述移动对象位置；和

通过对根据来自所述惯性导航传感器装置的输出而评估的所述移动对象位置和根据所述预计行驶路径而评估的所述移动对象位置进行合成，来确定最终评估的移动对象位置。

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