CN101490508A

CN101490508A - 导航设备

Info

Publication number: CN101490508A
Application number: CNA2007800260825A
Authority: CN
Inventors: 小堀训成; 香川和则
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2008020307A; WO2008010049A3; JP4341649B2; EP2044388B1; CN101490508B; WO2008010049A2; EP2044388A2; US20090271108A1; US8244470B2; EP2044388B8

Abstract

一种检测移动体的位置的导航设备(1)包括：用于存储地图数据的地图数据存储装置(13)；检测有关移动体的运行情况的信息的自主传感器(12)；在利用无线电导航执行的位置判定的结果上，通过累积由自主传感器(12)检测到的信息来检测移动体的惯性位置－判定位置的惯性位置判定装置(10b)；用于检测特征位置(31)的特征位置检测装置(10d)，特征位置(31)为移动体呈现了特征运行情况的惯性位置－判定位置；用于通过参考地图数据存储装置(13)来提取有关与特征位置(31)相对应的道路位置(22)的位置信息的校正量检测装置(10e)；及基于特征位置(31)靠近道路位置(22)的条件，利用卡尔曼滤波器来校正特征位置(31)的位置校正装置(10f)。

Description

导航设备

技术领域

[0001]本发明涉及一种检测移动体的位置的导航设备。本发明尤其涉及一种精确地校正利用自主导航判定的移动体的位置的导航设备。

背景技术

[0002]在导航系统中，通过基于来自GPS(全球定位系统)卫星的无线电波来判定本车的位置以及利用车速传感器、陀螺传感器等来累积行进距离和行进方向，来精确地估计本车的当前位置。

[0003]然而，当导航系统不能接收来自GPS卫星的无线电波时，由自主导航执行的位置判定的误差随着时间的推移被放大。结果，位置的精确性逐渐减小。

[0004]相应地，提出了用于校正由自主导航判定的本车的位置的各种方法。例如，在地图匹配中，利用导航系统中的地图数据来校正由自主导航判定的位置(例如，参见公开号为2002-213979的日本专利申请(JP-A-2002-213979))。公开号为2002-213979的日本专利申请描述了这样一种方法：从地图数据中选择其位置和方向与由自主导航判定出的位置和方向最为匹配的道路，并且通过使判定出的位置和方向与所选择的道路相关联来校正判定出的位置和方向。

[0005]然而，商用导航系统中的地图数据不是很精确。同样，因为道路网络由连接交叉点(节点)的直线链路来表示，所以道路网络可能与实际的道路结构不匹配。因此，在地图匹配中，本车的位置可能没有被充分地校正。

[0006]同样，提出了一种位置校正方法，其中将车辆的行进路径与地图数据中的道路型式相比较，并且基于匹配的程度使车辆的位置与邻近车辆位置的道路相关联(例如，参见公开号为8-61968的日本专利申请(JP-A-8-61968))。公开号为8-61968的日本专利申请描述了这样一种校正方法：基于行进路径检测到本车已经通过交叉点或弯道；并且通过型式匹配来检测与行进路径匹配的有关交叉点或弯道的地图数据。这样，本车的位置被校正。

[0007]然而，因为设计成链路在普通的交叉点处以90度角彼此相交，所以当通过型式匹配将交叉点处的行进路径与交叉点处的道路结构相比较时，行进路径与几乎所有涉及交叉点的链路数据都匹配。相应地，存在行进路径与完全不同于车辆所通过的交叉点的交叉点匹配的可能性。同样，因为如上所述链路数据由直线形成，所以难以检测与弯曲的行进路径匹配的链路数据。此外，因为执行型式匹配的过程花费大量的时间，所以在导航系统中不适于执行型式匹配的过程。

发明内容

[0008]本发明提供了一种通过校正由自主导航执行的位置判定的结果来更精确地判定移动体的位置的设备。

[0009]本发明的一个方案涉及一种检测移动体的位置的导航设备。该导航设备包括地图数据存储装置，其用于存储地图数据；自主传感器，其检测有关移动体的运行情况的信息；惯性位置判定装置，其在利用无线电导航执行的位置判定的结果上，通过累积由自主传感器检测到的信息，来检测移动体的惯性位置-判定位置；特征位置检测装置，其用于检测特征位置，所述特征位置为移动体呈现了特征运行情况的惯性位置-判定位置；校正量检测装置，其用于通过参考地图数据存储装置来提取有关与特征位置相对应的道路位置的位置信息；及位置校正装置，其基于特征位置靠近道路位置的条件，利用卡尔曼滤波器来校正特征位置。在利用无线电导航的位置判定中，可以使用GPS设备。

[0010]根据本发明的第一个方案，当移动体通过交叉点等时，利用卡尔曼滤波器来校正移动体的位置，以使移动体的位置靠近与移动体的位置相对应的地图数据上的位置。因此，根据利用自主导航判定的位置的误差的大小来进行最佳校正。

[0011]这样，能够提供一种通过校正利用自主导航执行的位置判定的结果来更精确地判定移动体的位置的位置判定设备。

附图说明

[0012]结合附图通过下述优选实施例的描述，本发明的上述和其它目的和特征将变得显著，其中：

图1是示出了根据本发明的一个实施例的导航设备的示意结构图；

图2是导航ECU的功能方框图；

图3A和3B是示出了利用自主导航检测到的INS位置与链路以及节点之间的关系的图；

图4是示出了由用于利用特征位置来校正本车的位置的导航设备执行的程序的流程图；及

图5是示出了由导航设备执行的位置判定的实际结果的图。

具体实施方式

[0013]以下，将参考附图描述本发明的一个实施例。图1是示出了根据本发明的实施例的导航设备1的示意结构图。当难以获得GPS(全球定位系统)卫星时，或当GPS位置判定的可靠性减小时，根据本实施例的导航设备1通过校正利用自主导航判定出的车辆的位置能够进行精确的位置判定。当GPS无线电波被阻断时，导航设备1基于车辆的运行情况检测到车辆已经通过交叉点等，并且校正利用自主导航判定的位置，以使判定出的位置靠近与检测到运行情况的位置相对应的地图数据上的交叉点的位置。因为利用卡尔曼滤波器来进行校正，所以根据利用自主导航判定的位置的误差的大小来进行最佳校正。该校正减小了每次车辆在交叉点向右或向左转向等时累积的误差。因此，即使当在GPS无线电波被阻断之后经过很长一段时间时，也能够精确地执行位置判定。

[0014]导航设备1由导航ECU(电子控制单元)10来控制。导航ECU10配置为计算机，其中执行程序的CPU、存储程序的存储设备(硬盘驱动器和/或ROM)、临时存储数据和程序的RAM、数据输入其中/从其中输出数据的输入/输出设备、NV-RAM(非易失性RAM)等通过总线彼此相连接。

[0015]导航ECU10连接到接收来自GPS卫星的无线电波的GPS接收设备11；依照行进距离、行进方向和由横摆、侧倾、俯仰等限定的车辆的定向来输出信号(INS数据)的INS(惯性导航传感器)设备(自主传感器)12；存储地图数据的地图数据库(以下称为“地图DB”)13；用于操作导航设备1的输入设备14；及显示地图上车辆的当前位置的显示设备15。

[0016]地图DB 13由硬盘、CD-ROM、DVD-ROM等构成。地图DB13存储有关道路网络、交叉点等与纬度和经度相关联的道路地图信息。在地图DB 13中，涉及节点(例如，道路彼此相交的点，以及距交叉点隔预定距离的点)的信息以及涉及链路(即，连接节点的道路)的信息存储在各个表数据库中，涉及节点的信息以及涉及链路的信息与实际的道路网络相关联。

[0017]节点表包括节点数量和节点坐标、从节点延伸的链路的数量、每一个链路的方向，以及链路的链路数量。链路表包括链路的链路数量、构成链路的起始节点和结束节点，以及链路的长度。设定节点数量和链路数量使得所有的节点数量和链路数量都彼此不同。这样，通过分别沿着节点数量和链路数量，形成道路网络。

[0018]输入设备14由触摸面板、按压式键盘、按钮、遥控器、横向键等构成。输入设备14是由驾驶员执行的操作输入到的接口。输入设备14可以包括麦克风，并且可以利用声音识别电路来识别驾驶员的声音，以使操作输入到输入设备14。当进行到目的地的路径的搜索时，驾驶员可以利用地址、地理名称、路标名称、邮编等来输入目的地。

[0019]显示设备15包括液晶显示器、有机EL显示器、HUD(抬头显示器)等。显示设备15显示出示出了本车周围区域的道路地图，或示出了指定比例的指定区域的道路地图。另外，显示设备15按照需要显示道路地图上本车的位置、到目的地的路径等。显示设备15包括扬声器，并且例如在车辆向右或向左转向的交叉点处利用扬声器基于沿路径的车辆的定向来给出语音导航。

[0020]如本实施例所述，导航ECU 10的CPU通过执行存储在存储设备中的程序来执行位置判定。图2是导航ECU 10的功能方框图。

[0021]导航ECU 10包括用于利用无线电导航(本实施例中的GPS)来判定本车的位置的GPS位置判定装置10a；用于利用INS数据和自主导航来判定本车的位置的INS位置判定装置10b；用于检测通过由GPS位置判定装置10a或INS位置判定装置10b执行的位置判定而获得的行进路径的行进路径检测装置10c；用于基于本车的运行情况来检测诸如交叉点的特征位置的特征位置检测装置10d；用于从地图DB 13中提取有关与诸如交叉点的特征位置相对应的节点的位置信息的校正量检测装置10e；及用于利用卡尔曼滤波器来校正特征位置，以使特征位置靠近地图数据上的交叉点的位置的位置校正装置10f。以下，将进行详细的描述。

[0022]GPS位置判定装置10a基于来自GPS卫星的无线电波利用公知的方法来判定本车的位置。GPS位置判定装置10a基于多个GPS卫星所发射的无线电波到达GPS接收设备11所需的时间来计算从本车到GPS卫星的距离。然后，GPS位置判定装置10a将利用从三个GPS卫星分别到本车的距离的轨迹来定义的三个双曲面的交叉点判定为本车的位置。当GPS位置判定装置10a接收GPS无线电波时，GPS位置判定装置10a每隔预定时间判定本车的位置。

[0023]当GPS无线电波被阻断时，INS位置判定装置10b利用INS设备12来检测车速、转向角和行进方向。然后，INS位置判定装置10b在至此已经被判定的位置和方向上累积行进距离和方向。这样，INS位置判定装置10b利用自主导航来检测位置和方向(以下，这些位置和方向将分别称为“INS位置”和“INS方向”)。

[0024]图3A是示出了利用自主导航检测到的INS位置与链路以及节点之间的关系的图。在图3A中，GPS无线电波已经被阻断。本车在从节点21到节点22的方向上行进在链路24上，并且已经在节点22处向右转向。三角形示出了利用自主导航检测到的本车的INS位置。作为比较，圆圈示出了本车的实际位置。从地图DB 13中提取靠近INS位置和INS方向的链路和节点。如图3A所示，INS位置稍微不同于实际位置，并且INS方向稍微不同于实际方向。

[0025]INS位置的误差变量需要采用卡尔曼滤波器。依照车速、GPS无线电波阻断时间等的INS设备12的信号的误差是公知的。因此，基于车速、GPS无线电波阻断时间等累积的INS位置的误差变量也是公知的。

[0026]特征位置检测装置10d检测特征位置，该特征位置是本车呈现了特征运行情况的位置。特征运行情况是在交叉点、T形交叉点等处呈现的运行情况，即行进方向在短时间内改变的运行情况，例如，行进方向改变约90度或更多的运行情况，诸如向右或向左转向的运行情况或换向的运行情况。

[0027]例如，在车辆的转向信号闪烁期间(即，在方向指示器工作期间)，当检测到横摆率等于或大于预定值时，特征位置判定装置10d检测到车辆呈现出特征运行情况。当转向信号在闪烁时，预示了行进方向将向右或左较大地变化。当检测到横摆率等于或大于预定值时，检测到行进方向实际上已经变化了。在图3A中，特征位置31是特征位置检测装置10d已经检测到特征运动的位置。

[0028]特征位置31可以基于行进路径来判定。在该情况下，在特征位置检测装置10d检测特征位置之前，行进路径检测装置10c检测行进路径。行进路径检测装置10c每隔预定距离(例如，每隔2m的距离)从INS设备12中获得行进方向。

[0029]当本车已经行进在特征行进路径上时，特征位置检测装置10d基于方向变化量Δθ检测到本车已经行进在特征行进路径上，其中方向变化量Δθ是每隔构成行进路径的预定距离从行进方向中计算出的。如果车辆行进了很长一段时间，则方向变化量会逐渐变成90度或更多。因此，当在预定行进距离内检测到方向变化量大约为90度或更多时，特征位置检测装置10d检测到本车已经行进在特征行进路径上。

[0030]当检测到特征位置时，校正量检测装置10e从地图DB 13中提取有关与特征位置相对应的节点的位置信息。例如，与特征位置相对应的节点是最靠近特征位置的节点。

[0031]当提取有关与特征位置31相对应的节点(图3中的节点22)的位置信息时，检测节点22的位置与特征位置31之间的距离和方向。然而，理想地，节点22应该与特征位置31匹配。

[0032]相应地，根据本实施例的导航设备1校正INS位置，以使特征位置31靠近节点22。即在“特征位置31靠近交叉点”的条件下设定观测方程，并且利用卡尔曼滤波器来校正INS位置。

[0033]校正量检测装置10e将有关特征位置31(INS位置)的位置信息，节点22的位置与特征位置31之间的距离“d”以及节点22的位置与特征位置31之间的方向α输送到位置校正装置10f。这些是输入到卡尔曼滤波器的观测量。

[0034]图3B示出了当使特征位置31靠近节点22的位置时，INS位置与链路以及节点的关系。位置校正装置10f利用卡尔曼滤波器来校正特征位置31，以使节点22的位置与特征位置31之间的距离“d”是零。即使当距离“d”大时，利用卡尔曼滤波器进行校正也能够将距离“d”减小到零，并且即使当INS位置的误差大时，也能够根据INS位置的误差进行校正。这样，特征位置31被校正到最可能的位置。

[0035]将由INS位置判定装置10b判定出的在特征位置31之前和之后的INS位置和INS方向输入到位置校正装置10f。因此，在特征位置31之前和之后的INS位置和INS方向也被校正与特征位置31被校正的量相同的校正量，并且在与特征位置31被校正的方向相同的方向上被校正。在图3B中，因为使特征位置31靠近节点22的位置，所以在特征位置31之前和之后的INS位置被校正与特征位置31被校正的距离相同的距离，并且在与特征位置31被校正的方向相同的方向上被校正。

[0036]图4是示出了由导航设备1执行的程序的流程图，其中导航设备1利用特征位置来校正由自主导航判定的本车的位置。

[0037]GPS位置判定装置10a每隔判定本车的位置的时间判定GPS无线电波是否被阻断(S1)。当判定为GPS无线电波没有被阻断时(S1中为否)，利用GPS无线电波判定出的位置是本车的位置(S2)。

[0038]在利用GPS判定的位置和方向上，当判定为GPS无线电波被阻断时(S1中为是)，INS位置判定装置10b通过累积由车速传感器检测到的行进距离以及从INS设备12中获得的行进方向，利用自主导航来检测INS位置和INS方向(S3)。

[0039]在INS位置和INS方向被检测到之后，特征位置检测装置10d判定本车是否呈现了特征运行情况(S4)。即，例如，在车辆的转向信号闪烁期间，特征位置判定装置10d判定是否检测到横摆率等于或大于预定值。当没有检测到特征运行情况时(S4中为否)，从步骤S1开始重复该程序。

[0040]当检测到特征运行情况时(S4中为是)，校正量检测装置10e从INS位置检测有关特征位置的位置信息，并且从地图DB13中检测有关最靠近特征位置31的节点22的位置信息(S5)。

[0041]在特征位置31靠近节点22的位置的条件下，位置校正装置10f利用卡尔曼过滤器来校正特征位置31。同样，位置校正装置10f以与校正特征位置31的方式相同的方式来校正其它的INS位置和INS方向(S6)。

[0042]图5是示出了由根据本实施例的导航设备1执行的位置判定的实际结果的图。图5示出了在GPS无线电波被阻断了大约350秒时执行的位置判定的结果。细实线示出了从地图DB 13中提取的道路结构。三角形示出了INS位置。正方形示出了基于特征位置而被校正的本车的位置。

[0043]从本车呈现了特征运行情况的INS位置，检测特征位置31。相应地，校正量检测装置10e从地图DB 13中提取有关靠近特征位置31的交叉点32的位置信息。然后，位置校正装置10f校正特征位置31以使特征位置31靠近交叉点32。此外，位置校正装置10f以与校正特征位置31的方式相同的方式来校正在特征位置31之前和之后的INS位置和INS方向。这样，如图5所示，能够精确地校正随时间推移较大程度地偏离实际位置的INS位置(例如，地图DB 13中的道路结构)。

[0044]每当本车在交叉点处向右或向左转向等时，根据本实施例的导航设备1利用卡尔曼过滤器，通过进行校正将利用自主导航判定的INS位置和INS方向校正到最可能的位置和方向以使节点22的位置与特征位置31之间的距离“d”是零。

Claims

1、一种检测移动体的位置的导航设备，包括：

地图数据存储装置(13)，其用于存储地图数据；

自主传感器(12)，其检测有关所述移动体的运行情况的信息；

惯性位置判定装置(10b)，其在利用无线电导航执行位置判定的结果上，通过累积由所述自主传感器(12)检测到的所述信息，来检测所述移动体的惯性位置-判定位置；

特征位置检测装置(10d)，其用于检测特征位置，所述特征位置为所述移动体呈现了特征运行情况的惯性位置-判定位置；

校正量检测装置(10e)，其用于通过参考所述地图数据存储装置(13)来提取有关与所述特征位置相对应的道路位置的位置信息；及

位置校正装置(10f)，其基于所述特征位置靠近所述道路位置的条件，利用卡尔曼滤波器来校正所述特征位置。

2、根据权利要求1所述的导航设备，其中在所述无线电导航中，基于来自GPS卫星的无线电波来判定所述移动体的所述位置。

3、根据权利要求1或2所述的导航设备，其中所述地图数据存储装置(13)存储涉及节点的信息以及涉及链路的信息，所述涉及节点的信息以及涉及链路的信息与实际的道路网络相关联。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的导航设备，其中有关所述移动体的所述运行情况的所述信息包括车速、转向角和行进方向。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的导航设备，其中所述自主传感器(12)是依照所述移动体的行进距离、所述移动体的行进方向和由横摆、侧倾和俯仰限定的所述移动体的定向这三者中的至少一个来输出信号的INS设备。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的导航设备，其中所述特征运行情况是所述移动体的行进方向在短时间内改变了预定量的运行情况。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的导航设备，其中所述移动体是车辆，并且在所述车辆的方向指示器工作期间，当检测到所述车辆的横摆率等于或大于预定值时，所述特征位置检测装置(10d)检测到所述特征运行情况。

8、根据权利要求1至7中任一项所述的导航设备，进一步包括：

行进路径检测装置(10c)，其用于检测所述移动体的行进路径，

其中所述特征位置检测装置(10d)基于所述行进路径来检测所述移动体的所述特征运行情况。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的导航设备，其中所述校正量检测装置(10e)从所述地图数据中提取有关最靠近所述特征位置的节点的位置信息。

10、根据权利要求1至9中任一项所述的导航设备，其中所述位置校正装置(10f)校正所述特征位置，以使所述特征位置与所述道路位置之间的距离是零。

11、根据权利要求1至10中任一项所述的导航设备，其中所述位置校正装置(10f)以与校正所述特征位置的方式相同的方式来校正在所述特征位置之前和之后的所述惯性位置-判定位置。

12、一种检测移动体的位置的方法，包括：

检测有关所述移动体的运行情况的信息；

在利用无线电导航执行的位置判定的结果上，通过累积有关所述运行情况的所述信息，来检测所述移动体的惯性位置-判定位置；

检测特征位置，所述特征位置为所述移动体呈现了特征运行情况的惯性位置-判定位置；

通过参考地图数据来提取有关与所述特征位置相对应的道路位置的位置信息；及

基于所述特征位置靠近所述道路位置的条件，利用卡尔曼滤波器来校正所述特征位置。

13、一种检测移动体的位置的导航设备，包括：

地图数据存储部，其存储地图数据；

自主传感器(12)，其检测有关所述移动体的运行情况的信息；

惯性位置判定部，其在利用无线电导航执行的位置判定的结果上，通过累积由所述自主传感器(12)检测到的所述信息，来检测所述移动体的惯性位置-判定位置；

特征位置检测部，其用于检测特征位置，所述特征位置为所述移动体呈现了特征运行情况的惯性位置-判定位置；

校正量检测部，其用于通过参考所述地图数据存储部来提取有关与所述特征位置相对应的道路位置的位置信息；及

位置校正部，其基于所述特征位置靠近所述道路位置的条件，利用卡尔曼滤波器来校正所述特征位置。