CN102147262A - 用于纠正导航偏差的方法、及采用该方法的导航显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于纠正导航偏差的方法、及采用该方法的导航显示器。通过车辆的坐标运动及行驶方向，与已知的电子地图进行匹配，指出当前选择的道路，其中路段与车辆行驶方向作为一个参数，测量点到候选路段的欧氏距离作为另一个参数，通过匹配度函数得到候选路段的匹配度，选择匹配度最大的作为匹配路段。本发明解决了因陀螺的漂移造成的惯性系统的偏差，能实时修正误差，得出车辆所行驶的准确位置和方向。

Description

用于纠正导航偏差的方法、及采用该方法的导航显示器

技术领域

本发明涉及一种显示器，主要用于陆地车辆导航系统中的定位定向，除显示坐标方位、寻北等功能外还内置电子地图，具有地图匹配功能，可有效提高导航精度。

背景技术

由于现代战争所要求的机动性、快速性及灵活性，重武器必须要进入阵地就能打，打完就能撤；同时，对间接瞄准武器而言，进入阵地后要求知道其高精度的自身坐标和方位。这样，能快速确定自身方位和坐标的自主式陆地车辆导航系统便具有了非同寻常的意义。陆地车辆导航系统是一种自主式惯性导航系统，它可以不需要任何外界信息，自主地确定自身的精确位置，以及距各目标点的最佳航线，也可以以此在给定坐标系内将车辆从一个位置引导至另一个位置，从而实现车辆的安全自主驾驶。于现代战争所要求的机动性、快速性及灵活性，其配套输出设备亦被提出了小型化，功能化，专用化等特别的要求。

导航显示器是车载定位定向导航系统的组成部分之一，其作用是通过串行通信的方式从方位保持仪中的导航计算机获取导航数据，经适当处理后使之在EL平板显示屏上显示出来，使战车驾驶员能实时获取车辆的航向、位置坐标(包括54坐标和地心坐标)、速度、距目标的距离及预定的射向角等导航信息，同时考虑到其特定的使用环境，还要求航向指示仪具有抗干扰性强、可靠性高、平均无故障间隔时间长、操作简单、维护方便、结构坚固、环境适应性强等特点。

惯性导航会不可避免的产生陀螺的漂移，并且其随机漂移是随着时间累积的，从而影响惯性系统的工作精度。这就要求对惯性导航系统不停地进行修正，通过电子地图进行地图匹配纠正导航偏差就是一种很好的解决方案。

发明内容

鉴于上述现有技术的情况，本发明提供一种通过电子地图进行地图匹配纠正导航偏差的方法、及采用该方法的惯性导航系统、导航显示器。本发明的技术方案为：通过车辆的坐标运动及行驶方向，与已知的电子地图进行匹配，指出当前选择的道路；以候选路段方向与车辆行驶方向的差Δθ的值为论域X，令μ₁(x)为方向差，x隶属于模糊子集“路段与车辆行驶方向一致性好”的隶属度，如果候选路段与车辆行驶方向之差超过μ₁(x)，我们就认为该路段不可选，则取μ_Δθ(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|x\right|/{\mathrm{\μ}}_1,\left|x\right|\≤{\mathrm{\μ}}_1\\ 0,\left|x\right|>{\mathrm{\μ}}_1\end{array}\right.$

以测量点到候选路段的欧氏距离的值为论域Y，令μ₂(y)为距离，y隶属于模糊子集“测量点与候选路段接近度好”的隶属度，举例说当测量点距离候选路段超过μ₂(y)就认为该路段不可选，则取μ_d(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_d\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|y\right|/{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right),\left|y\right|\≤{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right)\\ 0,\left|y\right|>{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right)\end{array}\right.$

结合以上两个隶属度函数，路段的匹配度函数定义为

f(Δθ，d)＝w_Δθμ_Δθ(x)+w_dμ_d(y)

其中w_Δθ和w_d为方向夹角和投影距离在匹配度函数中所占的权重，可根据路况或经验值设定，此计算式可得到候选路段的匹配度，选择匹配度最大的作为匹配路段。

优选地，μ₁(x)是60°，μ₂(y)是30米。

优选地，还包括航向位置修正步骤，地图匹配后利用电子地图数据库中道路的方向来修正惯性导航系统INS的航向和位置信息。

优选地，还包括转弯点修正步骤，当惯性导航系统INS测量的车辆角速度大于某一阈值，并且惯性导航系统INS给出的位置信息接近于道路的节点时，认为汽车处于转弯行驶状态，此时可根据电子地图的节点信息对惯性导航系统INS进行校正。

本发明提供一种惯性导航系统，采用了上述纠正导航偏差的方法。

本发明提供一种航迹推算方法，其特征在于，第一步，完成寻北工作，取得最初的方位信息并把它发送到方位保持仪；第二步，寻北仪传送的数据初始化方位保持仪的方位，然后从车辆上的两个陀螺和实时更新的方位数据来跟踪车辆行驶轨迹，它们提供给汽车真正的方位角，里程计提供里程信息的电脉冲，所得脉冲数乘以里程反射系数K得出在一定时间内行驶的里程，再将这些信息与存储器中的电子地图向匹配，进行上述纠正导航偏差的方法以修正误差，得出车辆所行驶准确位置方向。

本发明提供一种导航显示器，包括嵌入式计算机模块、电子盘、嵌入式电源模块、显示屏，其中，计算机模块定期地从导航计算机获取导航数据，经处理后以图形的方式通过其上的平板显示器接口输出到显示屏。

优选地，嵌入式计算机模块是PC/104嵌入式计算机模块，其包含了一般PC/AT机的母板，采用了增强型的80486的处理器作CPU，包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中断控制器及定时器，ROM-BIOS，16M字节的DRAM及键盘、喇叭接口。

优选地，嵌入式电源模块把从外界输入的电压转换为稳定的供给嵌入式计算机模块和显示屏的电压。

优选地，显示屏是场致发光平板显示屏，用于显示导航数据。

优选地，电子盘是导航显示器上的存储设备，用于存储操作系统和软件程序。

优选地，导航显示器还采取了以下电磁兼容性措施：

①显示屏防护玻璃由普通有机玻璃更换为导电玻璃，它通过在两层普通玻璃中夹装金属网的方式制作完成，可有效防止电磁辐射通过；

②用带滤波器的电连接器，滤掉电源线中有害且无用的成分；

③壳体表面作导电氧化处理；

④壳体密封处由普通密封胶条更换为导电胶条。

本发明解决了因陀螺的漂移造成的惯性系统的偏差，能实时修正误差，得出车辆所行驶的准确位置和方向。

附图说明

图1显示导航显示器的硬件组成。

图2是导航显示器显示示例。

图3显示道路匹配流程图

具体实施方式

寻北仪在载体静止的工作条件下自动完成北向基准和载体姿态角的测量，为系统提供初始方位角；方位保持仪完成北向方位基准的记忆，并敏感载体运动时航向角的变化；里程计敏感载体行驶距离，为导航解算提供里程信息；高程计测量载体的高程信息，使系统具有三维定位功能；GPS/GLONASS接收机作为辅助部件，为系统提供参考位置信息，用于提高系统的导航定位精度；航向指示仪为车辆乘员显示航向、里程、位置等信息；导航控制显示器完成系统控制管理，实现与外部其它设备的信息交换。

显示器硬件外观为合金外壳，上有LED显示屏，两个USB接口和一个7针航空插头接口，内含PC/104堆栈电路板等元件，结构紧凑，坚固耐用。

PC/104计算机模块是显示器的核心部分，由于显示器在检测过程中不但要实时完成大量数据的收发任务，还要实时对获得的各种数据进行复杂的处理、分析和存储，因此要求其有尽可能高的性能。其CPU是一片X86兼容的64位第六代处理器，运行速度可达300MHz，内存支持128M 3.3V SDRAM，其图形处理器可支持各种LCD及TFT显示屏，2M内置显存最大支持至1280*1024、16.7M种颜色，同时支持PS/2等多种接口。其CPU内置有浮点运算协处理器，串行口为16C550等同高速串行口，能够快速可靠地进行RS-232串行通信，迅速准确地完成所赋予的各项功能。

电源模块采用可直接与PC/104 CPU模块及扩展模块相栈接的型号。其作用是把外界+6～+40V波动电压转换为稳定的+5V和+12V电源，供PC/104计算机模块、A/D采集模块和液晶显示屏使用，单元之间的信息通信主要是通过RS232串行端口进行传输的。

Windows XP-Embedded(嵌入式)操作系统以及MapX控制安装在PC 104，让地图匹配算法可以实现，匹配的基本方法是从基准电子地图中提取具有不变特征或明显特征的子区，或者用已知地面控制点作为模板，在所匹配的图中搜索与模板相似的区域。当匹配相似性测度达到最大，且超过预先规定的阈值时，即判定为找到了正确的匹配位置。选用了基于模糊逻辑的地图匹配算法，它由一个模糊的基础道路选择算法和预测算法组成，通过车辆的坐标运动及行驶方向，与已知的电子地图进行匹配，指出当前选择的道路。以候选路段方向与车辆行驶方向的差Δθ的值为论域X，令μ₁(x)为方向差，x隶属于模糊子集“路段与车辆行驶方向一致性好”的隶属度。举例说如果候选路段与车辆行驶方向之差超过60°，我们就认为该路段不可选，则取μ_Δθ(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|x\right|/60,\left|x\right|\≤60\\ 0,\left|x\right|>60\end{array}\right.$

以测量点到候选路段的欧氏距离的值为论域Y，令μ₂(y)为距离，y隶属于模糊子集“测量点与候选路段接近度好”的隶属度，举例说当测量点距离候选路段超过30m就认为该路段不可选，则取μ_d(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_d\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|y\right|/30,\left|y\right|\≤30\\ 0,\left|y\right|>30\end{array}\right.$

结合以上两个隶属度函数，路段的匹配度函数定义为

f(Δθ，d)＝w_Δθμ_Δθ(x)+w_dμ_d(y)

其中w_Δθ和w_d为方向夹角和投影距离在匹配度函数中所占的权重，可根据路况或经验值设定。此计算式可得到候选路段的匹配度，选择匹配度最大的作为匹配路段。

匹配算法的实现：

航位推算导航系统/地图匹配算法实现主要考虑道路匹配、航向位置修正和转弯点修正三个方面：

1)道路匹配：根据惯性导航系统INS给出的位置信息和航向信息，在移动窗口中寻找与车辆位置相差约定距离以内并且道路方向与车辆行驶方向接近的道路，附图3显示了道路匹配流程图。

2)航向位置修正：地图匹配后利用电子地图数据库中道路的方向来修正惯性导航系统INS的航向和位置信息。

3)转弯点修正：当惯性导航系统INS测量的车辆角速度大于某一阈值，并且INS给出的位置信息接近于道路的节点时，认为汽车处于转弯行驶状态，此时可根据电子地图的节点信息对惯性导航系统INS进行校正。

航迹推算的工作过程系统可以被描述为两个步骤：(1)寻北；(2)导航执行。第一步是完成寻北工作，取得了最初的方位信息并把它发送到方位保持仪；寻北过程由方位保持仪通过包含当前位置信息的命令序列来完成，然后到了第二个步骤；寻北仪传送的数据初始化方位保持仪的方位，然后从车辆上的两个陀螺和实时更新的方位数据来跟踪车辆行驶轨迹，它们可提供给汽车真正的方位角，里程计可以提供里程信息形式的电脉冲。所得脉冲数乘以里程反射系数K得出在一定时间内行驶的里程，再将这些信息与存储器中的电子地图向匹配，修正误差，得出车辆所行驶准确位置方向。

导航显示器硬件组成如图1所示。导航显示器的硬件组成以PC/104嵌入式计算机模块为核心，除此之外还包括电子盘、PC/104嵌入式电源模块、场致发光平板显示屏(EL)。

各组成部分的基本功能：

①PC/104嵌入式计算机模块

PC/104是一种高度集成、自栈结构、IBM-PC/AT兼容的PC/104CPU模块。它被设计成为可方便与其它周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其不仅包含了一般PC/AT机的母板，一～二块扩展板的功能。超小尺寸、单+5V供电、宽工作温度范围使其可独立作为一台PC/AT引擎或与其它PC/104模块一起构成嵌入式和便携式应用的理想方案。

采用了增强型的80486的处理器作CPU，包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中断控制器及定时器，ROM-BIOS，16M字节的DRAM及键盘、喇叭接口；外部接口包括一个PC/AT兼容的双向并行口、两个16550兼容的RS232串行口、一个用外接后备电池支持的实时时钟。提供了VGA显示适配器支持CRT及TFT LCD、EL等平板显示器；还提供软驱接口；与PC/AT标准完全兼容，在IBM-PC上运行的众多软件全部能在以PC/104为基础的系统中运行。使用该模块可使系统设计人员能在产品中实现PC/AT机的所有功能，但只占用微小的空间及极小的功耗。

本嵌入式模块使用增加了许多扩展功能的工业ROM-BIOS，这些功能包括：固态盘扩展、支持特有的串行控制台。串行控制台方式可以使用一个RS232端口与其它串行设备相联，取代通常的键盘和显示器。

PC/104计算机模块定期地通过RS-232串行口从导航计算机获取导航数据，经处理后以图形的方式通过其上的平板显示器接口输出到EL屏，驾驶员通过观察指示仪的指针和数据来获知各种导航信息。

②PC/104嵌入式电源模块

航向指示仪的PC/104电源模块和检测仪的电源模块完全相同，其作用是把从外界输入的+28V电压转换为稳定的+5V和+12V电压，分别供给PC/104嵌入式计算机模块和场致发光平板显示屏。把计算机模块栈接到电源模块上以后，电源模块可通过PC/104总线向计算机模块提供稳定的+5V电源。

③场致发光平板显示屏(EL)

场致发光平板显示屏是航向指示仪的输出设备，主要用于显示导航数据。PC104模块和EL屏之间的接线关系如表所示：

PC/104计算机模块和EL屏接线关系：

④电子盘

电子盘是航向指示仪上的存储设备，相当于计算机上的硬盘，用于存储操作系统和软件程序。

为提高航向指示仪的电磁兼容性水平，避免其对其它电子设备造成电磁干扰，同时也为了避免其受到其它电子设备的干扰，航向指示仪还采取了以下电磁兼容性措施：

①显示屏防护玻璃由普通有机玻璃更换为导电玻璃，它通过在两层普通玻璃中夹装金属网的方式制作完成，可有效防止电磁辐射通过；

②用带滤波器的电连接器，滤掉电源线中有害且无用的成分；

③壳体表面作导电氧化处理；

④壳体密封处由普通密封胶条更换为导电胶条。

Claims (9)

1.一种纠正导航偏差的方法，通过车辆的坐标运动及行驶方向，与已知的电子地图进行匹配，指出当前选择的道路；以候选路段方向与车辆行驶方向的差Δθ的值为论域X，令μ₁(x)为方向差，x隶属于模糊子集“路段与车辆行驶方向一致性好”的隶属度，如果候选路段与车辆行驶方向之差超过μ₁(x)，我们就认为该路段不可选，则取μ_Δθ(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|x\right|/{\mathrm{\μ}}_1,\left|x\right|\≤{\mathrm{\μ}}_1\\ 0,\left|x\right|>{\mathrm{\μ}}_1\end{array}\right.$

以测量点到候选路段的欧氏距离的值为论域Y，令μ₂(y)为距离，y隶属于模糊子集“测量点与候选路段接近度好”的隶属度，举例说当测量点距离候选路段超过μ₂(y)就认为该路段不可选，则取μ_d(x)为如下函数：

${\mathrm{\μ}}_d\left(y\right)=\left\{\begin{array}{c}1-\left|y\right|/{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right),\left|y\right|\≤{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right)\\ 0,\left|y\right|>{\mathrm{\μ}}_2\left(y\right)\end{array}\right.$

结合以上两个隶属度函数，路段的匹配度函数定义为

f(Δθ，d)＝w_Δθμ_Δθ(x)+w_dμ_d(y)

其中w_Δθ和w_d为方向夹角和投影距离在匹配度函数中所占的权重，可根据路况或经验值设定，此计算式可得到候选路段的匹配度，选择匹配度最大的作为匹配路段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，μ₁(x)是60°，μ₂(y)是30米。

3.根据权利要求1、2所述的方法，还包括航向位置修正步骤，地图匹配后利用电子地图数据库中道路的方向来修正惯性导航系统INS的航向和位置信息。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括转弯点修正步骤，当惯性导航系统INS测量的车辆角速度大于某一阈值，并且惯性导航系统INS给出的位置信息接近于道路的节点时，认为汽车处于转弯行驶状态，此时可根据电子地图的节点信息对惯性导航系统INS进行校正。

5.一种航迹推算方法，其特征在于，第一步，完成寻北工作，取得最初的方位信息并把它发送到方位保持仪；第二步，寻北仪传送的数据初始化方位保持仪的方位，然后从车辆上的两个陀螺和实时更新的方位数据来跟踪车辆行驶轨迹，它们提供给汽车真正的方位角，里程计提供里程信息的电脉冲，所得脉冲数乘以里程反射系数K得出在一定时间内行驶的里程，再将这些信息与存储器中的电子地图向匹配，进行权利要求1-4纠正导航偏差的方法以修正误差，得出车辆所行驶准确位置方向。

6.一种导航显示器，包括嵌入式计算机模块、电子盘、嵌入式电源模块、显示屏，其中，计算机模块定期地从导航计算机获取导航数据，经处理后以图形的方式通过其上的平板显示器接口输出到显示屏。

7.根据权利要求6所述的导航显示器，其特征在于，嵌入式计算机模块是PC/104嵌入式计算机模块，其包含了一般PC/AT机的母板，采用了增强型的80486的处理器作CPU，包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中断控制器及定时器，ROM-BIOS，16M字节的DRAM及键盘、喇叭接口。

8.根据权利要求6所述的导航显示器，其特征在于，电子盘是导航显示器上的存储设备，用于存储操作系统和软件程序。

9.根据权利要求6-8所述的导航显示器，其特征在于，导航显示器还采取了以下电磁兼容性措施：

①显示屏防护玻璃由普通有机玻璃更换为导电玻璃，它通过在两层普通玻璃中夹装金属网的方式制作完成，可有效防止电磁辐射通过；

②用带滤波器的电连接器，滤掉电源线中有害且无用的成分；

③壳体表面作导电氧化处理；

④壳体密封处由普通密封胶条更换为导电胶条。

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