CN103791916B

CN103791916B - 一种基于mems惯导的组合车载导航系统

Info

Publication number: CN103791916B
Application number: CN201410042460.0A
Authority: CN
Inventors: 王博; 李冰
Original assignee: Beijing Is Melted Chile And Is Reached Science And Technology Ltd
Current assignee: Beijing Is Melted Chile And Is Reached Science And Technology Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103791916A; WO2015113329A1

Abstract

本发明提供了一种基于MEMS惯导的组合车载导航系统，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块；还包括里程计信息处理模块、电子地图模块、存储模块、显示模块和中央处理器模块；所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述里程计信息处理模块分别与所述中央处理器模块连接；所述电子地图模块分别与所述中央处理器模块和所述存储模块连接，所述存储模块与所述显示模块连接。本发明的车载导航系统在卫星信号失锁情况下依然可以输出准确的导航信息，具有较高的精度和可靠性。

Description

一种基于MEMS惯导的组合车载导航系统

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别是一种车载导航系统。

背景技术

目前，大部分车辆上均安装了车载导航仪，这些导航仪主要利用卫星定位模块进行位置确定，得到的位置信息与电子地图模块进行匹配，在电子地图上进行位置显示、路径规划和导航。这种导航仪主要依赖卫星进行定位，例如GPS、GLONASS、Galileo和北斗。但这种导航仪存在的一个主要问题是，车辆在城市中行驶时，经常会在邻近高大建筑物或树林，或经过隧道时发生卫星信号失锁，其实质是卫星信号被上述障碍物遮挡，导致这类导航仪无法正常工作。

为了解决车载导航仪的上述问题，已有技术将惯性导航模块加入到车载导航仪中。惯性导航模块利用惯性元件(加速度计)来测量运载体(即车辆)本身的加速度，经过积分和运算得到运载体的速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。这样一来，当卫星信号失锁时，车辆仍可以依赖惯性导航模块输出的数据进行导航定位。

但引入惯性导航模块进行导航定位仍存在一定的问题：出于成本考虑，车载导航系统中不能采用昂贵的惯性导航模块，而低成本的惯性导航模块精度非常低，这就导致车载导航仪在卫星信号失锁时，输出的导航定位信息精度低，可靠性低。

发明内容

为了解决现有车载导航仪存在的在卫星信号失锁时，输出的导航定位信息精度低、可靠性低的问题，本发明提供了一种基于MEMS惯导的组合车载导航系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于MEMS惯导的组合车载导航系统，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块；还包括里程计信息处理模块、电子地图模块、存储模块、显示模块和中央处理器模块；

所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述里程计信息处理模块分别与所述中央处理器模块连接；所述电子地图模块分别与所述中央处理器模块和所述存储模块连接，所述存储模块与所述显示模块连接；

所述卫星导航模块向所述中央处理器模块输出的数据包括：速度和/或位置；

所述MEMS惯导模块向所述中央处理器模块输出的数据包括：速度、位置、航向和/或俯仰角；

所述里程计信息处理模块用于处理里程计信息，向所述中央处理器模块输出的数据包括：里程和/或速度；

所述中央处理器模块用于判断接收到的数据是否有效，并综合有效数据进行优化计算，向所述电子地图模块输出数据，所输出的数据包括：位置、速度、高度和/或航向；

所述电子地图模块用于接收所述中央处理器模块输出的数据并与所述存储模块存储的地图数据进行匹配，得到位置、速度、高度和/或航向数据，并输出给所述显示模块；

所述显示模块用于显示所述电子地图模块输出的数据；

所述中央处理器模块对所述卫星导航模块与所述MEMS惯导模块之间的杆臂误差进行消除；

消除所述杆臂误差的方法：采用低通滤波器对高频杆臂误差进行消除；

所述低通滤波器包括二阶巴特沃斯低通滤波器，离散传递函数为：

G (z) = \frac{2.463 \times 10^{- 6} + 4.925 \times 10^{- 6} z^{- 1} + 2.463 \times 10^{- 6} z^{- 2}}{1 - 1.996 z^{- 1} + 0.9956 z^{- 2}}

其中，z为Z变换。

所述车载导航系统还包括电子罗盘模块；所述电子罗盘模块与所述中央处理器模块连接；所述电子罗盘模块向所述中央处理器模块输出的数据包括航向和/或俯仰角；

所述中央处理器模块接收所述电子罗盘模块输出的数据进行相应处理。

所述车载导航系统还包括气压计模块；所述气压计模块与所述中央处理器模块连接；所述气压计模块向所述中央处理器模块输出的数据包括高度；

所述中央处理器模块接收所述气压计模块输出的数据进行相应处理。

以所述里程计信息处理模块输出的数据对所述MEMS惯导模块进行校正。

所述中央处理器模块在得到所述MEMS惯导模块与所述里程计信息处理模块输出速度差超过设定的速度阈值时，则判定MEMS惯导模块出现故障。

所述中央处理器模块在得到所述电子罗盘模块输出的俯仰角大于设定的俯仰角阈值时，则判定所述电子罗盘模块出现故障。

所述中央处理器模块在得到所述气压计模块单位时间内高度差异超过高度阈值时，则判定所述气压计模块出现故障。

所述中央处理器模块为所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述里程计信息处理模块、所述电子罗盘模块和所述气压计模块的输出分别分配权重系数；权重系数的大小根据模块的精度和/或可靠性大小进行分配。

所述中央处理器模块设置联邦卡尔曼滤波器对接收到的数据进行故障处理及优化计算；所述里程计信息处理模块输出的数据作为所述联邦卡尔曼滤波器的参考系。

本发明的技术效果：

本发明的车载导航系统，在卫星导航模块和MEMS惯性导航模块的基础上，增加了里程计信息处理模块。里程计信息处理模块接收来自车辆本身的里程计输出的数据并进行处理，得到里程、速度等信息。由于里程计是车辆上必备的测量装置，并且可靠性非常高，因此，这一测量数据的引入，能够弥补卫星导航模块、惯性导航模块本身由于可靠性低、精度低导致的输出数据准确度低的问题。中央处理器模块将得到的来自各模块(卫星导航模块、MEMS惯导模块、里程计信息处理模块)的测量数据进行综合，进行优化处理得出准确的结果。本领域技术人员能够知晓上述优化处理的方法具体实现手段，例如加权平均等，在此不再赘述。至此，本发明的车载导航系统实现了本发明的技术目的。

附图说明

图1为本发明基于MEMS惯导的组合车载导航系统第一个实施例的结构原理图。

图2为本发明基于MEMS惯导的组合车载导航系统第二个实施例的结构原理图。

图3为图2所示实施例的工作流程图。

图4为本发明采用的联邦卡尔曼滤波器的原理图。

具体实施方式

在对本发明的技术方案进行说明之前，对描述过程中的一些措辞先行进行解释：

本发明车载导航系统中各模块输出的数据，如速度、位置、航向、俯仰角等均是指装载所述车载导航系统的车辆的行驶参数，各个模块输出的同名数据，其物理含义相同，只不过由于各模块精度等因素的不同，同名数据相同时刻的量值会有不同。

卫星导航模块：与空间定位卫星进行信息交换以确定当前位置的硬件模块，例如基于GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星进行定位的导航模块。成熟产品例如瑞士u-blox公司生产的UBX-G6010-ST卫星导航模块。

MEMS惯导模块：MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的缩写，MEMS惯导模块是基于微机电系统的惯性导航系统。成熟产品例如美国AD公司生产的ADIS16300惯性测量模块。

里程计信息处理模块：机动车上一般均设置有里程计，通过测量车辆轮子的转动圈数计量车辆的行驶里程。里程计信息处理模块接收里程计输出的里程数据，通过微分可以进一步得到车辆的速度数据。

电子罗盘模块：电子罗盘，也叫数字指南针，是基于电子技术制作的利用地磁场来定方向的一种装置。成熟产品例如美国Honeywell公司生产的HMC5883L三轴电子罗盘。

气压计模块：通过测量车辆所处位置的气压得到车辆所在的高度。成熟产品例如美国MEAS公司生产的MS5607-02BA03气压高度计。

电子地图模块：以数据方式存储地图信息，并能将车辆的位置信息在地图信息中进行匹配，通过道路约束(例如位置信息显示车辆在地图标识的建筑物中，则显然车辆应当在建筑物旁边的道路上)输出测量的具体位置信息。例如谷歌地图。

显示模块：能将电子地图信息进行显示的模块，一般可以连接显示屏进行显示。

DSP处理器：即数字信号处理器，可以根据需要进行特定的数据处理，属于现有技术。

杆臂误差：也称为杆臂效应。由于卫星导航模块的天线需要安装在易于接受卫星信号的位置，一般是在车辆的顶部，而MEMS惯导模块一般位于驾驶室内。天线与MEMS惯导模块位置的差异导致两者解算出的速度和位置信息不同，这两者之间的偏差称为杆臂误差。

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1显示了本发明基于MEMS惯导的组合车载导航系统的一个实例。基于MEMS惯导的组合车载导航系统，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块、里程计信息处理模块、电子地图模块、存储模块、显示模块、输入输出模块和中央处理器模块。所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述里程计信息处理模块分别与所述中央处理器模块连接。所述电子地图模块也与所述中央处理器模块连接，同时所述电子地图模块和所述存储模块连接，所述存储模块与所述显示模块连接。所述输入输出模块分别与所述存储没空看和显示屏连接。卫星导航模块与安装在车辆上的天线连接，便于与卫星进行信号传输。里程计信息处理模块与车载里程计连接，获取车载里程计输出的数据。显示模块与显示屏连接，便于显示地图信息让操作者查看。所述输入输出模块用于操作者操作进行输入输出操作。在本实施例中，中央处理器模块优选方案包括DSP处理器。图1中虚线框所包含的模块可以集成在一个盒体内，以形成便携式系统。

所述卫星导航模块向所述中央处理器模块输出包括如下一个或两个数据：速度、位置。

所述MEMS惯导模块向所述中央处理器模块输出包括如下一个或多个数据：速度、位置、航向、俯仰角。

所述里程计信息处理模块用于处理里程计信息，向所述中央处理器模块输出包括如下一个或两个数据：里程、或速度。在本实施例中，所述中央处理器模块以所述里程计信息处理模块输出的数据对所述MEMS惯导模块进行校正。由于所述MEMS惯导模块出于成本考虑，精度不高，经过一定频次的循环后，误差累积而使得所述MEMS惯导模块输出数据的偏差较大，以所述里程计信息处理模块输出的数据对所述MEMS惯导模块进行校正，可以提高所述MEMS惯导模块输出数据的精度。

所述中央处理器模块用于判断接收到的来自卫星导航模块、MEMS惯导模块、里程计信息处理模块的数据是否有效(即判断卫星导航模块、MEMS惯导模块、里程计信息处理模块是否发生故障，如果判断发生故障，则输出的相应数据无效)，并综合有效数据进行优化计算，向所述电子地图模块输出数据。这里对有效数据的优化计算对本领域技术人员来说可以有多种已知手段实现，在此不再赘述。所述中央处理器模块向所述电子地图模块输出包括如下一个或多个数据：位置、速度、高度、航向。所述中央处理器模块可以采用包含以下之一处理器的方案：DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器。

接收到所述中央处理器模块输出的数据后，与存储的地图数据进行匹配，得到位置、速度、高度和/或航向数据，并输出给所述显示模块。

所述显示模块将所述电子地图模块输出的数据解析成可以显示的数据输出给显示屏进行显示，以便操作者直观查看。

图2显示了本发明基于MEMS惯导的组合车载导航系统的另一个实施例。该实施例与图1所示实施例不同之处在于：增加了电子罗盘模块和气压计模块。所述电子罗盘模块连接于中央处理器模块，气压计模块也连接于所述中央处理器模块。

所述电子罗盘模块向所述中央处理器模块输出包括如下一个或两个数据：航向、俯仰角。相应的所述中央处理器模块在处理数据时需要增加对所述电子罗盘模块输出数据的处理过程。

所述气压计模块向所述中央处理器模块输出的数据包括高度。相应的所述中央处理器模块在处理数据时需要增加对所述气压计模块输出数据的处理过程。

本领域技术人员根据本发明的思路，可以仅选择增加所述电子罗盘模块或所述气压计模块。图2中虚线框所包含的模块可以集成在一个盒体内，以形成便携式系统。

以下结合图3对图2所示实施例的工作过程进行说明。

1、开机自检。

首先本发明的车载导航系统开启，进行系统自检。

2、获得卫星导航定位数据作为初始位置。

卫星导航模块工作，获得卫星定位的初始位置。

3、MEMS惯导模块初始对准。

MEMS惯导模块开始工作，获得初始数据。

4、杆臂效应补偿。

前面已经分析过存在杆臂误差的原因，为了消除杆臂误差，本实施例中采用不需要事先测量杆臂长度(天线与MEMS惯导模块之间的距离)的低通滤波器进行误差补偿。通过确定滤波器的通带截止频率和阻带截止频率，设计巴特沃斯滤波器对MEMS惯导模块的输出进行滤波。对于车载导航系统来讲，杆臂误差导致的位置误差也就是杆臂长度，相比于车辆的定位误差范围(一般误差为几米至几十米)，杆臂位置误差可以忽略(一般不超过车体长度)。但是由于车辆在转弯时不同位置的加速度或角加速度差别比较大，因此杆臂误差导致的加速度误差不能忽略。由于车辆在城市道路上行驶时，加速度变化通常比较小，因此加速度频谱在低频段，匀速行驶时甚至是零。而车辆本身由于发动机的振动而导致的杆臂加速度一般分布在高频段。因此可以通过低通滤波器对高频的杆臂效应进行滤除。根据车辆行驶的经验，选择通带截止频率为0.02Hz，阻带截止频率为0.5Hz，通带衰减不得高于3db，阻带衰减不得低于60db。因此二阶巴特沃斯低通滤波器的离散传递函数形式为：

G (z) = \frac{2.463 \times 10^{- 6} + 4.925 \times 10^{- 6} z^{- 1} + 2.463 \times 10^{- 6} z^{- 2}}{1 - 1.996 z^{- 1} + 0.9956 z^{- 2}}

其中，z为Z变换。

5、中央处理器模块接收各模块的输出数据

在这一步骤中(图3中虚线框所包含的部分)包括如下分步骤：

获得卫星导航模块输出的位置、速度数据；获得MEMS惯导模块输出的速度、位置、航向、俯仰角数据；获得里程计模块输出的里程和速度数据；获得电子罗盘模块输出的俯仰角和航向数据；获得气压计模块输出的高度数据。

6、各模块输出是否存在故障。

在这一步骤中判断各模块是否存在故障，以便判断其输出的数据是否有效。具体的判断方法如下。

卫星导航模块在卫星信号失锁时能够输出相应的故障信号，可以作为该模块的故障判断信号。

由于车辆的里程计很少出现故障，因此可以将里程计信息处理模块输出的数据作为基准。MEMS惯导模块可以通过与里程计信息处理模块输出的速度数据对比来判断是否出现故障，根据实际车辆行驶情况，设定偏差的阈值为2m/s，即当MEMS惯导模块输出的速度数据与里程计信息处理模块输出的速度数据只差大于2m/s，则判断MEMS惯导模块出现故障。

在城市道路行驶时，路面的高度变化应满足相应的标准，以表1所示中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB01-2003)为例，最大纵坡应符合如下规定：

表1路面的高度变化标准

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								最大纵坡(％)	3	4	5	6	7	8	9

即车辆爬坡最大俯仰角度为9％≈5.04°。因此当电子罗盘模块或MEMS惯导模块所测量的车辆姿态中的俯仰角大于10°(为了留出输出信号噪声和路面颠簸的余量)时，可以认为相应的模块出现故障。

由于公路最大设计速度为120km/h≈33.3m/s，同样根据表1可得到车辆在路上行驶时高度变化的最大值为：33.3×sin(5.04°)≈2.9m/s。因此，当气压计模块输出的高度数据每秒的变化超过4m(为了留出输出信号噪声和路面颠簸的余量)时，可以认为出现故障。

7、隔离存在故障的模块输出；最优融合滤波，得到位置、速度和航向信息。

在判断某个模块出现故障，则执行“隔离存在故障的模块输出”；没有出现故障的模块输出的数据则被执行“最优融合滤波，得到位置、速度和航向信息”。这个步骤通过在中央处理器模块中设置的联邦卡尔曼滤波器实现。参考图4所示的联邦卡尔曼滤波器结构原理图。无反馈模式的联邦卡尔曼滤波器的主滤波器对各个模块的输出进行最优融合，并将最优融合的结果输出给电子地图模块。由于里程计信息处理模块的可靠性比较高，选择其为参考系统。联邦卡尔曼滤波器仅在初始时刻分配一次权重，各子滤波器单独工作，因此提供了最高的容错性能。当某一模块出现故障时，直接在主滤波器中剔除该导航模块的子滤波器即可。

联邦卡尔曼滤波器在初始时刻为每个模块分配的权重依据以下方式确定：最优融合滤波时需要根据不同模块的精度和可靠性水平来设置权重。对于一般的车载导航系统来说，卫星导航模块输出权重最高，设为1。里程计信息处理模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块和气压计模块虽然精度没有卫星导航模块精度高，但是可靠性好，本发明的应用对象大部分为城市道路行驶的车辆，因此以上模块的成本会限制其导航精度，可以设置为0.2～0.8。这里的权重系数大小可以根据不同模块的精度和/或可靠性的大小进行分配。

8、电子地图模块通过地图匹配获得具体位置信息。

在中央处理器模块得到最优融合的结果后，输出给电子地图模块。电子地图模块根据中央处理器模块输出的数据，利用存储的道路数据作为约束，在地图上显示车辆当前位置。

9、通过显示屏显示。

在显示屏上显示相应的地图，及车辆在地图上的位置(根据步骤8的位置信息而定)。

至此，本发明的基于MEMS惯导的组合车载导航系统完成一个周期的工作，进入下一个周期，即重复进行步骤5-9，以达成实时更新车辆在地图上的位置信息。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims

1.一种基于MEMS惯导的组合车载导航系统，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块；其特征在于：还包括里程计信息处理模块、电子地图模块、存储模块、显示模块和中央处理器模块；

所述显示模块用于显示所述电子地图模块输出的数据；

所述中央处理器模块对所述卫星导航模块与所述MEMS惯导模块之间的杆臂误差进行消除；消除所述杆臂误差的方法：采用低通滤波器对高频杆臂误差进行消除；

G (z) = \frac{2.463 \times 10^{- 6} + 4.925 \times 10^{- 6} z^{- 1} + 2.463 \times 10^{- 6} z^{- 2}}{1 - 1.996 z^{- 1} + 0.9956 z^{- 2}}

其中，z为Z变换。

2.根据权利要求1所述车载导航系统，其特征在于：还包括电子罗盘模块；所述电子罗盘模块与所述中央处理器模块连接；所述电子罗盘模块向所述中央处理器模块输出的数据包括航向和/或俯仰角；

3.根据权利要求2所述车载导航系统，其特征在于：还包括气压计模块；所述气压计模块与所述中央处理器模块连接；所述气压计模块向所述中央处理器模块输出的数据包括高度；

4.根据权利要求1所述车载导航系统，其特征在于：还包括气压计模块；所述气压计模块与所述中央处理器模块连接；所述气压计模块向所述中央处理器模块输出的数据包括高度；

5.根据权利要求1所述车载导航系统，其特征在于：以所述里程计信息处理模块输出的数据对所述MEMS惯导模块进行校正。

6.根据权利要求1所述车载导航系统，其特征在于：所述中央处理器模块在得到所述MEMS惯导模块与所述里程计信息处理模块输出速度差超过设定的速度阈值时，则判定MEMS惯导模块出现故障。

7.根据权利要求2所述车载导航系统，其特征在于：所述中央处理器模块在得到所述电子罗盘模块输出的俯仰角大于设定的俯仰角阈值时，则判定所述电子罗盘模块出现故障。

8.根据权利要求4所述车载导航系统，其特征在于：所述中央处理器模块在得到所述气压计模块单位时间内高度差异超过高度阈值时，则判定所述气压计模块出现故障。

9.根据权利要求3所述车载导航系统，其特征在于：所述中央处理器模块为所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述里程计信息处理模块、所述电子罗盘模块和所述气压计模块的输出分别分配权重系数；权重系数的大小根据模块的精度和/或可靠性大小进行分配。

10.根据权利要求4所述车载导航系统，其特征在于：所述中央处理器模块设置联邦卡尔曼滤波器对接收到的数据进行故障处理及优化计算；所述里程计信息处理模块输出的数据作为所述联邦卡尔曼滤波器的参考系。