CN103323013A - 三维定位仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维定位仪和方法，该三维定位仪包括：电子地图存储部，存储包含多个插值点的二维位置信息和高度信息的电子地图；地图匹配部，选择至少一个候补道路；高度检测部，算出与所述多个插值点单位对应的车辆相对高度；误差修正部，算出与包括之前插值点和当前位置的之后插值点之间地点的当前位置对应的所述至少一个候补道路的高度；三维匹配部，确认车辆相对高度之差距离是否在已设定的临界误差以内，并从所述至少一个候补道路中选择在所述临界误差以内的候补道路对所述当前位置实施地图匹配。本发明提高在高架道路、地下道路、建筑停车场等与平坦道路有高度差的道路上的地图匹配精确度，从而更加准确介绍路径，为驾驶者带来更多便利。

Description

三维定位仪及方法

技术领域

本发明涉及三维地图匹配，具体是能够提高三维地形匹配精确度的三维定位仪及方法。

背景技术

导航仪一般都利用GPS、车速和陀螺仪传感器，掌握车辆的当前位置，把掌握的车辆当前位置与地图数据匹配提供给驾驶者。

GPS信号一般分为民间目的SPS(StandardPositioningSystem)和军事目的的PPS(PrecisePositioningSystem)。但导航仪应用的是具有200m以内误差范围的SPS，通过“地图匹配”修正SPS的误差。

传统的导航仪，如果根据GPS信号计算的车辆位置不是道路，则通过考虑车辆以前位置或移动速度等因素的“地图匹配”将车辆位置修正到道路上。

但当车辆经过地下道路或者高架道路附近时，有可能因1m～2m的误差而经常发生地图匹配上的错误。例如，车辆没有进入地下道路，但因地图匹配而被误认为进入地下道路，或者实际进入高架道路却被认为进入高架道路的旁边道路。

如上所述，传统的导航仪在“地图匹配”时，如果车辆在高架道路、地下道路、建筑停车场或地下停车场附近，则无法准确导出车辆的当前位置。

发明内容

本发明以上述现有技术为背景进行创造，其目的在于提供一种根据车辆当前位置乃至插值点和插值点之间的车辆相对高度和车辆传感器的误差，对当前位置实施三维地图匹配的三维定位仪和方法。

本发明一方面涉及的三维定位仪，包括：电子地图存储部，存储包含多个插值点的二维位置信息和高度信息的电子地图；地图匹配部，利用所述电子地图，选择至少一个离从GPS接收器或者速度传感器和角速度传感器信号确认的车辆当前位置最接近的候补道路；高度检测部，利用所述角速度传感器或者G传感器的信号，算出与所述多个插值点的单位对应的车辆相对高度；误差修正部，利用距所述当前位置的之前插值点的行驶距离和连接所述之前插值点和所述当前位置的直线与水平线的倾斜度，算出与包括所述之前插值点和所述当前位置的之后插值点之间地点的所述当前位置对应的所述至少一个候补道路的高度；三维匹配部，确认与所述当前位置对应的所述候补道路的高度和与所述当前对应的所述车辆相对高度之差（difference）距离是否在已设定的临界误差以内，并从所述至少一个候补道路中选择在所述临界误差以内的候补道路对所述当前位置实施地图匹配（MapMatching）。

本发明另一方面涉及的定位仪的三维定位方法，其实施步骤包括：在包含多个插值点的二维位置信息和高度信息的电子地图上选择离根据GPS接收器或速度传感器和角速度传感器信号确认的车辆当前位置最接近的至少一个候补道路；利用所述角速度传感器或者G传感器的信号，算出与所述多个插值点的单位对应的车辆相对高度；利用从所述当前位置的之前插值点行驶的距离和连接所述之前插值点和所述当前位置的直线与水平线的倾斜度，算出与包含所述之前插值点和所述当前位置的之后插值点之间地点的所述当前位置对应的所述至少一个候补道路的高度；确认与所述当前位置对应的所述候补道路的高度和与所述当前位置对应的所述车辆相对高度之差（difference）距离是否在已设定的临界误差以内；利用所述至少一个候补道路中在所述临界误差以内的候补道路，对所述当前位置实施地图匹配（MapMatching）。

本发明的优点在于：

掌握传统电子地图上未包含的插值点和插值点之间的高度，与当前位置的高度比较实施三维地图匹配，从而提高在高架道路、地下道路、建筑停车场、地下停车场等与平坦道路有高度差的道路上的地图匹配精确度，从而更加准确介绍路径，为驾驶者带来更多便利的同时提高服务满意度。

附图说明

图1是本发明的三维定位仪结构图；

图2是本发明实施例中对于道路插值点之间与当前位置对应的高度计算方法图示；

图3是本发明利用误差临界值的地图匹配方法图示；

图4是本发明三维定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明中使用的术语仅用于说明实施例，并不是对本发明进行限制。本说明书中的单数形式，在文句中没有特别提示的前提下，也包含复数形式。说明书中使用的“包括（comprises）”或者“包括的(comprising)”不排除所涉及的构件、步骤、动作以及/或元件以外的一个以上的其它构件、步骤、动作以及/或元件的存在或者补充。

下面结合附图对本发明实施例详细进行描述。

图1是本发明的三维定位仪结构图。图2是本发明实施例中对于道路插值点之间与当前位置对应的高度计算方法图示。图2中插值点为黑色点，当前位置为白色点。图4是本发明的三维定位方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例的三维定位仪10包括电子地图存储部110、二维地图匹配部120、高度检测部130、误差修正部140和三维匹配部150。

电子地图存储部110用于存储电子地图，电子地图包含地图图像、路径信息、位置信息、交通信息或高度信息等。电子地图由分为多个插值点的二维线构成，包括表示各插值点位置的（x，y）坐标信息和各插值点的高度信息即z值。

二维地图匹配部120利用从GPS接收器、速度传感器和陀螺仪传感器接收的GPS信息、速度信息和角速度信息，掌握车辆的位置，把车辆的位置转换成电子地图插值点的位置坐标，从电子地图上选择最接近位置坐标的两个候补道路。二维地图匹配部120根据设置可以只选一个候补道路，也可以选择三个以上的候补道路。GPS接收器、速度传感器、陀螺传感器是可以被包含在二维地图匹配部120内，但也可以单独设置。

高度检测部130利用从G传感器或者三轴陀螺仪传感器的信号，掌握车辆的高度变化，将掌握的车辆的高度变化按已设置的时间单位（如1秒）取样后根据与电子地图的插值点对应的单位算出车辆的相对高度。

误差修正部140在电子地图上确认第一和第二候补道路的之前插值点和之后插值点的高度，算出之前插值点和之后插值点的高度与当前位置对应的第一和第二候补道路的高度。之前插值点和之后插值点是可以根据当前位置选定的。

根据图2，误差修正部140如下列数学式1，假设车辆在第一和第二候补道路上行驶，对于第一和第二候补道路，分别算出从之前插值点开始行驶的距离（L1d′,L2d′）和经过之前插值点和之后插值点的直线从水平线上的角度(θ1,θ2)，并利用L1d′、L2d′、θ1、θ2算出与当前位置对应的第一候补道路的高度（L1z′）和第二候补道路的高度（L2z′）。图2中，第一候补道路和第二候补道路分别假设成高架道路和平坦道路。在下列数学式中L1d′和L2d′的值有可能一致，也有可能根据道路的倾斜角的设置而不一致。

【数学式1】

L1z′=L1d′×sinθ1

L2z′=L2d′×sinθ2

误差修正部140是利用车辆传感器（G传感器或陀螺仪传感器）的信号，确认车辆在水平线上的倾斜度（θ），利用从之前插值点开始行驶的距离（Gd）、车辆倾斜度（θ）和已设定的车辆传感器的误差率（δ）根据下列数学式2算出临界误差（m）。

车辆传感器是因其误差率（δ）而测量出平坦道路也具有1m左右的高度，因此实际车辆的高度是在高架道路高度之下，在平坦道路高度之上。随之，误差修正部140可以如数学式2算出，包含平坦道路的高度1m的临界误差（m）。

【数学式2】

m=|1m+(Gd×sinθ)×δ|

三维匹配部150是算出与当前位置对应的车辆高度与候补道路的高度之间的相距距离，确认高度之间的相距距离是否在临界误差以内，从中选择高度之间相距距离在临界误差以内的候补道路实施地图匹配。三维匹配部150或其它构件是利用车辆从之前插值点行驶的距离和车辆的倾斜度算出与当前位置对应的车辆的高度。

三维匹配部150是在高度之间的相距距离超过临界误差时，确认是否符合任意匹配条件，符合任意匹配条件则从第一和第二候补道路中选择高度之间相距距离小的候补道路而对当前位置实施地图匹配。

例如，三维匹配部150是在高度之间的相距距离超过临界误差时，确认车辆从之前插值点行驶的距离是否达到离高架道路/地下道路交叉点的极限距离，则从第一和第二候补道路中选择高度之间相距距离小的候补道路而对当前位置实施地图匹配。

高度之间相距距离超过临界误差时，三维匹配部150会确认车辆倾斜度的变化是否超过已设定的临界角度，如果车辆的倾斜度变化超过临界角度，则从第一和第二候补道路中选择高度之间相距距离小的候补道路，实施地图匹配。

另一方面，如高度之间相距距离超过临界误差，行驶距离在从交叉点的极限距离以内，则三维匹配部150会将地图匹配过程重头开始重新实施。

高度之间相距距离超过临界误差时，三维匹配部150可以重新设定临界误差，并利用重新设定的临界误差，选择第一和第二候补道路中的某一个，对当前位置实施地图匹配。

下面根据图3，对本明实施例的三维匹配部的任意匹配条件进行说明。图3是本发明实施例的任意匹配条件图示。

如图3所示，三维匹配部150计算每秒的临界误差，确认第一和第二候补道路的高度与车辆高度之间的相距距离是否在临界误差以内。

高度之间相距距离超过临界误差时，三维匹配部150会确认是否符合任意匹配条件，如果符合任意匹配条件，则从第一和第二候补道路中选择相距距离小的候补道路实施地图匹配。任意匹配条件可能是从交叉点（或者之前插值点）的行驶距离超过100m或者车辆倾斜度变化超过一定值以上。

具体是，三维匹配部150在车辆从之前插值点行驶的距离超过100m或者车辆倾斜度快速变化程度达到已设定的临界角度以上时，则从第一和第二候补道路中选择相距距离小的候补道路而实施地图匹配。

下面根据图4，对本发明实施例的三维定位方法进行说明。图4是本发明实施例的三维定位方法的流程图。

根据图4，三维定位仪10利用GPS信号、车速和车辆角速度算出车辆的当前位置（步骤S410）。

三维定位仪10从电子地图上选择与当前位置对应的至少一个候补道路（步骤S420）。

三维定位仪10利用从车辆传感器（G传感器陀螺仪传感器）发送的信号算出车辆的相对高度（步骤S430）。三维定位仪10可以与电子地图的插值点单位相对应地算出车辆相对高度。

三维定位仪10利用车辆的相对高度对与当前位置对应的至少一个候补道路的高度进行修正（步骤S440）。就是说，电子地图仅在指定的单位插值点具有（x、y、z）值，因此三维定位仪10会利用从之前插值点行驶的距离和连接之前插值点和之后插值点的直线从水平线上的倾斜度，算出插值点和插值点之间的高度而修正至少一个候补道路的高度。

三维定位仪10利用车辆传感器的误差、车辆与水平线的倾斜度和从之前插值点行驶的距离等因素，算出临界误差（步骤S450），并计算出与当前位置对应的至少一个候补道路的高度和与当前位置对应的车辆的高度之间的相距距离（步骤S460）。

三维定位仪10确认至少一个候补道路和车辆高度之间的相距距离是否在临界误差以内（步骤S470）。而且可以利用车辆从之前插值点行驶的距离和车辆倾斜度等因素算出与当前位置对应的车辆的高度。

至少一个候补道路和车辆高度之间的相距距离在临界误差以内时，三维定位仪10选择该候补道路而对当前位置实施地图匹配（步骤S480）。

至少一个候补道路与车辆高度之间的相距距离超过临界误差时，三维定位仪10确认车辆从交叉点行驶的距离或者车辆的倾斜度，确认是否符合任意匹配条件（步骤S490）。任意匹配条件是指从交叉点行驶的距离超过100m或者车辆倾斜度变化超过一定值等。

符合任意匹配条件时，三维定位仪10从已选定的至少一个候补道路中选择高度之间相距距离最小的候补道路，对当前位置实施地图匹配（步骤S500）。

至少一个候补道路和车辆高度之间的相距距离超过临界误差，不符合任意匹配条件时，三维定位仪10会重新实施地图匹配过程，或者重新选择临界误差而实施地图匹配过程。

如上所述，本发明是掌握传统的电子地图上未包含的插值点和插值点之间的高度，与当前位置的高度比较实施三维地图匹配而提高在高架道路、地下道路、建筑停车场、地下停车场等与平坦道路有高度差的道路上的地图匹配精确度，从而更加准确介绍路径，为驾驶者带来更多便利，并提高服务满意度。

以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。本发明的保护范围应根据下述的权利要求范围进行解释，而且在其同等范围内的所有技术方案应都属于本发明的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种三维定位仪，其特征在于，包括：

电子地图存储部，存储包含多个插值点的二维位置信息和高度信息的电子地图；

地图匹配部，利用所述电子地图，选择至少一个离根据GPS接收器或者速度传感器和角速度传感器信号确认的车辆当前位置最接近的候补道路；

高度检测部，利用所述角速度传感器或者G传感器的信号，算出与所述多个插值点的单位对应的车辆相对高度；

误差修正部，利用所述当前位置的之前插值点行驶的距离和连接所述之前插值点和所述当前位置的直线与水平线的倾斜度，算出与包括所述之前插值点和所述当前位置的之后插值点之间地点的所述当前位置对应的所述至少一个候补道路的高度；

三维匹配部，确认与所述当前位置对应的所述候补道路的高度和与所述当前对应的所述车辆相对高度之差距离是否在已设定的临界误差以内，并从所述至少一个候补道路中选择在所述临界误差以内的候补道路对所述当前位置实施地图匹配。

2.根据权利要求1所述的三维定位仪，其特征在于，

所述三维匹配部是，在所述之差距离超过所述临界误差时，确认是否符合已设定的任意匹配条件，符合所述任意匹配条件，则从所述至少一个候补道路中选择所述之差距离小的候补道路而对所述当前位置实施地图匹配。

3.根据权利要求2所述的三维定位仪，其特征在于，

所述任意匹配条件是，至少包含所述车辆从交叉点行驶100m以上和所述车辆的倾斜度变化在已设定的临界角以上中的一个。

4.根据权利要求2所述的三维定位仪，其特征在于，

所述三维匹配部是，在超过所述临界误差但不符合所述任意匹配条件时，则通知所述地图匹配部；

所述地图匹配部是，在超过所述临界误差但不符合所述任意匹配条件时，则重新选择所述至少一个候补道路。

5.根据权利要求2所述的三维定位仪，其特征在于，

所述三维匹配部是，在所述之差距离超过所述临界误差时，重新设定所述临界误差，并利用重新设定的所述临界误差选择所述至少一个候补道路中的某一个。

6.根据权利要求1所述的三维定位仪，其特征在于，

所述临界误差是，根据利用所述车辆相对高度算出与所述水平线的车辆倾斜度、据所述之前插值点的行驶距离和所述角速度传感器或者所述G传感器的误差算出。

7.一种三维定位方法，其特征在于，作为利用定位仪实施的三维定位方法，其实施步骤包括：

从包含多个插值点的二维位置信息和高度信息的电子地图上，选择离根据GPS接收器或速度传感器和角速度传感器信号确认的车辆当前位置最接近的至少一个候补道路的步骤；

利用所述角速度传感器或者G传感器的信号，算出与所述多个插值点的单位对应的车辆相对高度的步骤；

利用距所述当前位置的之前插值点的行驶距离和连接所述之前插值点和所述当前位置的直线与水平线的倾斜度，算出与包含所述之前插值点和所述当前位置的之后插值点之间地点的所述当前位置对应的所述至少一个候补道路高度的步骤；

确认与所述当前位置对应的所述候补道路的高度和与所述当前位置对应的所述车辆相对高度之差距离是否在已设定的临界误差以内的确认步骤；

利用所述至少一个候补道路中在所述临界误差以内的候补道路，对所述当前位置实施三维地图匹配步骤。

8.根据权利要求7所述的三维定位方法，其特征在于，

所述三维地图匹配步骤还包括：

所述之差距离超过所述临界误差时，确认是否符合已设定的任意匹配条件，符合所述任意匹配条件，则从所述至少一个候补道路中选择所述之差距离小的候补道路；或者

重新设定所述临界误差，利用重新设定的所述临界误差，选择所述至少一个候补道路中的某一个。

9.根据权利要求8所述的三维定位方法，其特征在于，

选择所述之差距离小的候补道路的步骤中还包括：

超过所述临界误差但不符合所述任意匹配条件，则重新实施所述选择步骤、所述车辆相对高度的计算步骤；所述候补道路的高度计算步骤和所述确认步骤。

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