CN101498583A - 一种汽车导航装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车导航装置及其定位方法，该装置以卫星导航(全球定位系统GPS)为主要导航定位方式，在用卫星导航信号暂时被部分或全部遮蔽时，能够利用汽车控制器局域网(CAN)总线上的方向盘转角数据和车速数据确定汽车行驶轨迹和汽车位置进行辅助导航和定位。当车辆在隧道，山谷，高架道路，密集的高大建筑区域行驶时，卫星导航信号会部分或全部被遮蔽，普通的卫星导航装置将不能正常工作。本发明的汽车导航装置及其辅助定位方法可以在导航卫星信号部分或全部被遮蔽时，利用汽车CAN总线上的车速和方向盘转角数据对汽车进行辅助定位，可以更好地对汽车进行导航定位。

Description

一种汽车导航装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种汽车导航装置及其定位方法

背景技术

目前世界上有多个卫星导航系统已经或即将被应用到军事或民用上，有美国的全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)，俄罗斯的全球定位系统(GLONASS)，欧洲的伽利略卫星导航系统以及中国的北斗卫星导航系统。卫星导航系统可以在全球范围内提供经度、纬度、海拔高度、速度、航向、时间等定位和导航信息。而目前卫星导航器被越来越多地应用到汽车等地面车辆上，卫星导航器及导航地图及软件可以引导驾驶员到达目的地。

卫星导航系统可以提供全球范围的定位和导航能力，卫星导航器正常工作必须能接收到3颗以上导航卫星的信号。当卫星导航信号受到全部或部分遮挡，如隧道，山谷，高架道路，密集的高大建筑物等遮挡，卫星导航器无法接收3颗以上导航卫星信号时，卫星导航器就不能正常工作。为了解决这一问题，一些GPS卫星导航器在GPS导航系统内增加了惯性导航元件如陀螺仪传感器作为辅助定位。一般来说陀螺仪的价格较高，并且汽车通常会遇到上下坡，会影响陀螺仪的精度。另外还有人提出用安装在车辆左右轮的速度传感器检测左右轮的速度和速度差来作为辅助定位。当汽车转向半径较大以及车速较低时，由于左右轮速度差本身比较小，误差大，只有在转向半径比较小同时车速较高时，这个速度差才可能被利用。在汽车直行时，左右轮速度差的误差可能会影响指示的导航轨迹，另外由于汽车左右轮磨损不均而产生的误差。

现代汽车大量运用电子技术来对汽车进行控制，运用了很多的传感器检测汽车的运行状态，方向盘转角传感器是其中之一。同时控制器局域网(CAN)已经作为许多汽车的标准的数据传输方式。在CAN总线上有大量的汽车运行信息，其中包括车速和方向盘转角。

汽车运行的轨迹可以由车轮转向角度确定，而车轮转向角度与方向盘的转向角度存在一定的关系，因此，可以利用方向盘的转角和车速数据计算得到汽车的位置。

发明内容

本发明提供汽车导航器在全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)导航信号缺失时的辅助定位方法。当GPS接收机接收的GPS导航信号不能满足定位要求时，汽车导航器根据汽车CAN总线上的汽车车速数据和方向盘转角数据，计算汽车的当前位置，起到辅助定位的功能。

GPS接收机接收GPS信号，除了可以得到经度、纬度、海拔高度、速度、航向、时间等定位信息外，还有能收到信号的卫星数量等信息。

在GPS接收机能正常接收3颗或以上GPS卫星的信号时，汽车导航器将汽车的当前位置以及行驶方向标示在汽车导航器内置的导航地图上，并通过导航软件用图像和语音引导司机按设定的线路行驶。

当GPS接收机接收到的GPS信号小于3颗卫星信号时，汽车导航器无法根据GPS信号对汽车进行定位。本发明利用汽车CAN总线上的方向盘转角数据和汽车车速数据，推导汽车行驶轨迹，并计算出汽车的当前位置和行驶方向，将其标示在汽车导航器内置的导航地图上，起到辅助定位作用。

本发明的效果：

当车辆在隧道，山谷，高架道路，密集的高大建筑区域行驶时，卫星导航信号会部分或全部被遮蔽，普通的卫星导航装置将不能正常工作。本发明的汽车导航装置及其辅助定位方法可以在导航卫星信号部分或全部被遮蔽时，利用汽车CAN总线上的车速和方向盘转角数据对汽车进行辅助定位，可以更好地对汽车进行导航定位。

附图说明

附图是对本发明的进一步说明

图1、汽车导航装置的系统框图

图2、汽车导航装置数据处理运算框图

图3、辅助导航汽车轨迹计算示意图

图4、辅助导航汽车位置和航线计算示意图

在图1中，汽车导航器1是一个包括GPS接收机2、CAN接口5、存储器6、控制处理器7、显示器9、扬声器10、操作机构12以及导航软件8、电子地图11的一个汽车导航装置系统。其中GPS接收机2用来接收GPS卫星导航信号，对汽车进行定位，使本装置的主要导航手段。CAN接口是用来接收汽车CAN总线上的汽车运行数据，主要用来接收汽车方向盘转角，汽车车速，是本装置的辅助导航手段。其它部分对定位数据进行处理操作。汽车CAN总线4时汽车上的一个控制器局域网总线，该总线上传输许多汽车运行数据，包括车速、发动机转速等、一些车辆还有方向盘转角等。GPS天线3接收GPS卫星信号并传到GPS接收机上。操作机构12用来对汽车导航信息和途径进行设置和查询的设备。

具体实施方式

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

用于实现上述功能的汽车导航器的系统图示于图1。

参考图1，汽车导航器1有一个GPS接收机2通过GPS天线3接收来自GSP导航卫星的信号，同时，汽车导航器1有一个CAN总线接口5，连接到汽车CAN总线4上，接收来自于汽车CAN总线4上的汽车方向盘转角和汽车车速数据。当卫星数大于等于3时，控制处理器7将经度、纬度、海拔高度、速度、航向以及汽车CAN总线4上的汽车方向盘转角和汽车车速数据等数据存入存储器6，并根据GPS相关数据对汽车进行定位和导航。当GPS接收机接收到可用卫星数量小于3时，控制处理器7从存储器6获得前一时间的经度、纬度、海拔高度航向数据，根据方向盘转角计算汽车运行轨迹，并根据车速以及间隔时间计算汽车行驶距离，获得汽车位移和航向变化，并根据位移和航向变化换算为当前的经度、纬度、航向，并将此时的经度、纬度、航向、可用卫星数量等信息存入存储器6。

控制处理器7在将经度、纬度、航向、可用卫星数量等信息存入存储器6的同时，将汽车的当前位置显示在汽车导航器的显示器的电子地图上，并通过导航软件用图像和语音引导驾驶员到达目的地。

图2说明系统的执行过程，首先GPS接收机2接收GPS卫星的数据，如果卫星信号良好，可用卫星数量大于等于3，则直接用GPS接收机2收到的经度、纬度、航向等数据为汽车导航；如果卫星信号被全部或部分遮挡时，可用卫星数量小于3，则通过汽车CAN总线4上的方向盘转角和车速数据，计算出汽车当前位置和航向，并将位置和航向数据换算成与GPS系统相同的数据格式，为汽车导航。如此周而复始。

图3说明汽车方向盘转角与汽车轨迹之间的关系。通常，汽车转向时左右轮的转角并不相同，为计算方便，将左右轮转角的平均值作为车轮转角，并且车轮转向点在前轴中点。车轮的转角可以认为与方向盘转角成正比关系，即

θ′＝Kθ                                         (1)

而当汽车车轮转向角度固定在一个位置时，可以计算出理论的汽车前轴中点的轨迹。对于汽车导航来说，汽车前轴中点可以认为是汽车的位置。实际该点轨迹由于车轮滑移随x车速不同而有所差异，但对于汽车定位这种差异可以忽略。

当汽车方向盘固定不动时，方向盘转角不为零时，汽车将沿一个圆弧行驶，其轨迹如图3所示，图中：

$R=\frac{L}{\sin \mathrm{\θ}\′}=\frac{L}{\sin \left(\mathrm{K\θ}\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{\mathrm{\πvt}}{3.6\×180L}\×\sin \left(\mathrm{K\θ}\right)---\left(3\right)$

参考图4，根据汽车方向盘转角、速度计算轨迹和位置，汽车当前位置相对于参考点位移(参考点是指汽车前一时间点的位置，包括根据GPS确定的位置，或者根据方向盘转角、车速计算的位置)：

Δy＝R·[sin(180-α₁-Δα)-sinα₁]              (4)

Δx＝R·[cos(180-α₁-Δα)+cosα₁]              (5)

当方向盘转角为零时，汽车轨迹是一条直线，当前位置相对于参考点位移：

$\mathrm{\Δy}=\frac{\mathrm{vt}}{3.6}\·\cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)---\left(6\right)$

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{vt}}{3.6}\·\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)---\left(7\right)$

由于地球是一个椭球体，GPS系统采用WGS84坐标系，其椭球体的长半轴为6378137m，短半轴为6356752.3142m。因此：

$R_Q=\frac{6378137\×6356752}{\sqrt{{6356752}^2+{6378137}^2\·{\mathrm{tg}}^2\left({\mathrm{Lat}}_1\right)}}+H\×\cos \left({\mathrm{Lat}}_1\right)---\left(10\right)$

当前位置和航向为：

Lat₂＝Lat₁+ΔLat                        (11)

Long₂＝Long₁+ΔLong                     (12)

α₂＝α₁+Δα                              (13)

以上公式中的符号意义如下：

θ′车轮转角(度)

θ汽车方向盘转角(度)

K汽车转向系统传动比的倒数

L汽车的轴距(米)

Δα汽车航向变化角(度)

R汽车轨迹曲率半径(米)

v汽车车速(千米/小时)

t两次定位的时间间隔(秒)

Δx：东西方向位移(米)

Δy：南北方向位移(米)

ΔLong：经度变化(度)

ΔLat：纬度变化(度)

Long₁：参考点经度(度)

Long₂：当前点经度(度)

Lat₁：参考点纬度(度)

Lat₂：当前点纬度(度)

H：海拔高度(米)

R_Q汽车当前位置到地球轴的距离(米)

实际上，汽车行驶时时，方向盘转角和速度是根据路况不断变化。当采样时间间隔较小时，可以认为在采样间隔时间内，方向盘转角和车速基本不变，可以采用上述公式。当采样时间间隔较大时，在采样时间间隔内，方向盘转角和车速变化较大，为提高定位精度，可以根据参考点的方向盘转角、速度和当前点方向盘转角、速度数据的平均值计算轨迹和位置。

以上实施例中用美国全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)来说明本发明，但其实质精神同样可以用在俄罗斯的全球定位系统(GLONASS)，欧洲的伽利略卫星定位系统以及中国的北斗卫星定位系统。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种用于汽车导航的装置，其特征包括：

全球定位系统接收器。通过一个卫星天线接收来自全球导航卫星系统的信号，获取汽车当前位置的信息；

控制器局域网模块，用来接收汽车控制器局域网总线上的车速和方向盘转角数据；

存储器，存储来自全球定位系统数据和来自汽车控制器局域网总线的方向盘转角和车速数据

控制处理器，处理来自全球定位系统的数据、汽车控制器局域网总线上的数据、电子地图数据、导航途径计算；

显示和语音系统，为驾驶员提供导航指示。

2.如权利要求1所述的汽车导航装置，其特征在于当全球定位系统接收器接收到的导航卫星信号无法满足导航要求时，利用汽车控制器局域网总线上的方向盘转角、车速数据，为汽车导航提供辅助的定位和导航。

3.一种用于在导航系统中确定汽车位置的方法，该方法包括以下步骤：

接收全球定位系统卫星信号的同时，接收来自汽车控制器局域网总线上的方向盘转角和车速数据；

将全球定位系统定位信息数据和汽车控制器局域网总线上的方向盘转角和车速存入存储器

判断能接收到卫星信号的卫星数量是否大于一定的数量；

如果能接收到卫星信号的卫星数量大于等于3，则直接利用全球定位系统定位信息数据作为汽车当前位置和航向；

如果能接收到卫星信号的卫星数量小于3，则根据汽车控制器局域网总线上的方向盘转角数据计算汽车的运行轨迹，并结合汽车控制器局域网总线上的车速，计算汽车当前位置和航向。

4.如权利要求3所述的方法，当能接收到卫星信号的卫星数量小于3，利用存储在存储器中前一时间的位置和航向数据，作为参考点数据。根据汽车方向盘转角计算汽车行驶轨迹和汽车速度计算汽车相对于参考点位移和航向变化。并将计算所得的当前位置和航向以全球定位系统的数据格式存入存储器，作为下一次计算的参考点数据。

5.如权利要求1和权利要求2所述的汽车导航装置，对权利要求3和权利要求4所述的存储器中的汽车当前位置和航向数据进行处理定位，并结合电子地图和语音系统为驾驶员提供导航指示。

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