CN101493335B - Gps/dr组合导航方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种GPS/DR组合导航方法及装置，通过数据采集MCU采集GPS数据，按照NMEA 0183协议将GPS数据进行解析；同时对加速度传感器和陀螺仪的数据进行采样，传送给导航主控CPU；导航主控CPU存储GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制；导航主控CPU根据GPS的信号强度选择具体的定位机制；根据GPS接收系统提供的位置和速度信息对DR系统的误差进行实时的校正和补偿，克服了GPS定位方法经常由于信号遮挡不能正常定位的缺欠，也解决了DR定位技术中由于方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用的问题。

Description

GPS/DR组合导航方法及装置
技术领域
本发明涉及一种GPS/DR组合导航方法，本发明还公开了及装置，属于机动车辆定位指示技术领域。
背景技术：
随着汽车销量的上升，人们出行频率的增加，对GPS车载导航系统的需求日益增强。目前GPS水平定位精度已经达到3～5m，完全满足车辆定位精度的要求。但是，由于在城市高建筑群中或穿过立交桥时，常常会出现GPS信号遮挡问题，导致GPS不能正常定位。
车载定位定向导航系统是指装载在轮式及履带式车辆上，能自主地为车辆提供方位基准和位置信息的一种装置。航位推算(简称：DR)是常用的车辆定位技术，但方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GPS/DR组合导航方法，克服了GPS定位方法经常由于信号遮挡不能正常定位的缺欠，也解决了DR定位技术中由于方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用的问题。
本发明还提供了适用于上述导航方法的联合导航装置，利用GPS系统提供的位置和速度信息对DR系统的误差进行实时的校正和补偿。
本发明GPS/DR组合导航方法的解决方案如下：
通过数据采集MCU的UART接口采集GPS接收机的数据，并按照NMEA0183协议将GPS数据进行解析；数据采集MCU的SPI对加速度传感器和陀螺仪的数据进行采样，并按照固定格式对DR数据进行压缩；GPS数据和DR数据采样完成后，数据采集MCU通过UART接口将GPS数据和DR数据传送给导航主控CPU；导航主控CPU存储GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制；导航主控CPU根据GPS的信号强度选择具体的定位机制：当导航主控CPU根据内部的GPS信息无法完成定位时，导航主控CPU利用陀螺仪和车速脉冲来推算车辆的瞬时相对位置和航向，采用DR航位推算定位机制实现连续自主式定位；当导航主控CPU内部的GPS信息能过完成定位时，导航主控CPU采用GPS与DR的组合定位机制实现连续自主式定位，同时利用GPS精确的定位结果辅助DR的初始化，并且定期地用它对DR的定位误差进行在线校正。
导航主控CPU部分主要完成数据滤波、微型惯性测量元件的误差补偿及初始校准、卡尔曼滤波和导航参数解算等功能。其系统组成主框图如图1所示。
车辆水平转角的判断：选取陀螺仪作为水平方向的转角传感器，系统以100ms每次的采样频率对陀螺仪进行采样，采集到的电压转换成该时刻的角速度，角速度与时间相乘得到角度的变化量，将角度变化量进行累加得到该时刻与基准时刻的角度变化量。
车辆位移的判断：根据车速信号推算下一点位置信息。
车辆行驶路面坡度的判断：根据加速度传感器输出信号可以推算出当前车辆的倾角。单片机对加速度传感器数据进行采样，由加速度传感器电压可以得到该时刻的加速度值，进而可知当前时刻的角度值。另外从GPS获取的车速值为车速脉冲获取的车速值在水平面上的分量，根据投影关系可以得到当前车辆在竖直面的角度，用这两种方式得到的数据可以推算出当前的路面坡度。根据角度变化可以判断车辆在多层立交桥的行驶状况。
根据本发明方法制成GPS/DR组合导航装置结构如下：
由车速脉冲、陀螺仪、加速度传感器、GPS接收系统，数据采集MCU、导航主控CPU组成，陀螺仪和加速度传感器的模拟信号输出端连接到A/D转换器的采样通道，通过高精度A/D转换器将陀螺仪和加速度传感器输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器的数字信号输出端连接到数据采集MCU的SPI口，数据采集MCU对A/D转换器的数字信号进行实时采集；车速脉冲连接到数据采集MCU的脉冲捕捉IO口，数据采集MCU通过对车速脉冲的捕捉推算当前车速；温度传感器连接到数据采集MCU的I2C口采集DR系统的温度，对DR系统的温度补偿；GPS接收系统的UART1口连接到数据采集MCU的UART1口，完成对GPS接收系统信息的提取；数据采集MCU的UART口连接到导航主控CPU的UART口，导航主控CPU实时获取GPS接收系统信息和DR系统信息，导航主控CPU存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制。
采用加速度传感器测量行驶中汽车倾角的方法就可以帮助系统区分当前路况的坡度状况，当行使在多层立交桥和多层复合车库时可以提高汽车坐标的精度。
组合导航系统除了要完成大量运算处理工作外，还要实现惯性测量单元IMU(陀螺仪和加速度计)和GPS等传感器的数据采集、与外部系统的通信、时序逻辑控制和人机接口等功能。
本发明的积极效果在于：将GPS/DR技术有机结合，采用了多传感器数据融合，具有接收和处理里程计信息、惯性测量单元IMU以及GPS的信息的功能。数据采集MCU采集GPS数据和DR组合导航数据，导航主控CPU完成数据的融合处理，数据采集MCU和导航主控CPU通过UART口进行通信，完成实时数据交互。GPS与DR的结合，提高了系统的有效性、完整性和定位精度。实现了全方位、全天候、无遮挡、高精度定位的目的。
附图说明
图1为本发明系统组成主框图；
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
实施例1
根据图1所示，GPS/DR组合导航系统的工作流程可以分成以下5个主要步骤：
(1)通过GPS接收系统4接收卫星的定位数据；
(2)通过陀螺仪2对车辆转角进行推算；
(3)通过加速度传感器3对路面坡度进行推算；
(4)通过车速脉冲1对车辆行驶距离进行推算；
(5)数据采集MCU5将上述信息发送给通过导航主控CPU 6，对所有数据进行筛选、滤波，推算出车辆行驶的具体位置。
实施例2
根据图2所示，本发明装置由车速脉冲1、陀螺仪2(村田公司MEV50A)、加速度传感器3(KIONIX公司KXPA4)、GPS接收系统4(U-BLOX公司LEA-4H)，数据采集MCU5(MC9S08AW60单片机)、导航主控CPU 6(采用瑞萨导航平台SH7770)组成，陀螺仪2和加速度传感器3的模拟信号输出端连接到A/D转换器7的采样通道，通过高精度A/D转换器7将陀螺仪2和加速度传感器3输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器7的数字信号输出端连接到数据采集MCU 5的SPI口，数据采集MCU 5对A/D转换器7的数字信号进行实时采集；车速脉冲1连接到数据采集MCU 5的脉冲捕捉IO口，数据采集MCU 5通过对车速脉冲1的捕捉推算当前车速；温度传感器8连接到数据采集MCU5的I2C口采集DR系统的温度，对DR系统的温度补偿；GPS接收系统4的UART1口连接到数据采集MCU 5的UART1口，完成对GPS接收系统4信息的提取；数据采集MCU 5的UART口连接到导航主控CPU6的UART口，导航主控CPU6实时获取GPS接收系统4信息和DR系统信息，导航主控CPU6存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制，导航主控CPU6根据GPS系统的信号强度选择具体的定位机制，实现了全方位、全天候、无遮挡、高精度定位的目的。

Claims (1)

1.一种GPS/DR联合导航装置，其特征在于：由车速脉冲(1)、陀螺仪(2)、加速度传感器(3)、GPS接收系统(4)，数据采集MCU(5)、导航主控CPU(6)组成，陀螺仪(2)和加速度传感器(3)的模拟信号输出端连接到A/D转换器(7)的采样通道，通过A/D转换器(7)将陀螺仪(2)和加速度传感器(3)输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器(7)的数字信号输出端连接到数据采集MCU(5)的SPI口，数据采集MCU(5)对A/D转换器(7)的数字信号进行实时采集；车速脉冲(1)连接到数据采集MCU(5)的脉冲捕捉I0口，数据采集MCU(5)通过对车速脉冲(1)的捕捉推算当前车速；温度传感器(8)连接到数据采集MCU(5)的I2C口采集DR系统的温度，对DR系统的温度补偿；GPS接收系统(4)的UART1口连接到数据采集MCU(5)的UART1口，完成对GPS接收系统(4)信息的提取；数据采集MCU(5)的UART口连接到导航主控CPU(6)的UART口，导航主控CPU(6)实时获取GPS接收系统(4)信息和DR系统信息，导航主控CPU(6)存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制。
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