CN104007459B - 一种车载组合定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车载组合定位装置，设置在移动的车辆上，包括卫星导航单元，还包括RFID定位单元和中心处理单元；中心处理单元分别与卫星导航单元和RFID定位单元连接；卫星导航单元接收导航卫星信号并输出第一当前位置信息到中心处理单元；RFID定位单元中设置有阅读器，阅读器识别预先设置在车辆经过的路径的应答器，并根据应答器对应的位置信息解读出第二当前位置信息；中心处理单元对接收到的第一当前位置信息、第二当前位置信息进行综合得到车辆的当前位置信息。本发明应用于车辆导航领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种组合定位装置，特别是一种设置在移动的车辆上的车载组合定位装置。
背景技术
现在，在汽车上装载卫星导航定位装置非常普遍，为驾驶者提供了极大的便利，特别是在陌生环境驾驶，这种便利更加有益。
但卫星导航定位装置存在的一个问题是：在不能接收到卫星信号的地域，例如隧道、高楼密集的地方卫星导航定位装置会失效。在现代城市，这种不易接收到卫星信号的地域越来越广，以至于驾驶者无法依赖卫星导航定位装置进行导航。
人们开发出多种技术以解决上述问题，例如在卫星导航装置上引入惯性导航设备，在失去卫星信号时依赖惯性导航设备提供的导航信息进行弥补。出于成本考虑，惯性导航设备难以采用高精度的惯性导航系统，其精度较低，这在一定程度上降低了导航系统的准确性。
发明内容
为了解决卫星导航定位装置在不能接收卫星信号的情况下仍能提供高精度的导航信息，本发明提供了一种车载组合定位装置。
本发明的技术方案如下：
一种车载组合定位装置，设置在移动的车辆上，包括卫星导航单元，还包括RFID定位单元和中心处理单元；所述中心处理单元分别与所述卫星导航单元和所述RFID定位单元连接；
所述卫星导航单元接收导航卫星信号并输出第一当前位置信息到所述中心处理单元；
所述RFID定位单元中设置有阅读器，所述阅读器识别预先设置在所述车辆经过的路径的应答器，并根据所述应答器对应的位置信息解读出第二当前位置信息；
所述中心处理单元对接收到的所述第一当前位置信息、所述第二当前位置信息进行综合得到所述车辆的当前位置信息。
所述车载组合定位装置还包括与所述中心处理单元连接的地图信息单元；所述地图信息单元以所述第一当前位置信息作为输入，根据存储的地图信息进行校正，获取第三当前位置信息；所述中心处理单元接收所述第三当前位置信息进行数据融合得到所述车辆的当前位置信息。
所述车载组合定位装置还包括与所述中心处理单元连接的传感器单元；所述传感器单元包括陀螺仪和加速度计；所述传感器单元根据事先装订的初始位置信息，及所述陀螺仪和所述加速度计输出的数据计算出第四当前位置信息；所述中心处理单元接收所述第四当前位置信息并进行数据融合得到所述车辆的当前位置信息。
所述中心处理单元先判断卫星导航单元是否获取到卫星定位信号，如果没获取所述卫星定位信号，则采集所述第四当前位置信息、所述第三当前位置信息和所述第二当前位置信息进行所述数据融合。
所述数据融合的方法包括卡尔曼滤波。
所述卡尔曼滤波的状态方程为：
其中，为所述传感器单元的状态量，δLI、δλI分别为纬度误差和经度误差，δVE、δVN分别为东向和北向速度误差，φE、φN、φU为东向、北向和高度方向三个方向的失准角，为所述加速度计的等效零偏，εx、εy、εz为所述陀螺仪的等效零偏，WI＝[wax way wgx wgy wgz]为所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，其中wax和way为加速度计噪声，wgx、wgy和wgz为陀螺仪噪声；
ωie为地球自转角速度，VE、VN分别为所述车辆的东向速度和北向速度，L为当地纬度，R为地球半径；fU为天向加速度计输出比力，fN为北向加速度计输出比力，fE为东向加速度计输出比力；c11,c22,c33,c12,c21,c31,c13,c23,c32为坐标转换矩阵中的项；XR＝[δLR δλR]为所述第二当前位置信息与所述第三当前位置信息的误差，该误差表示为：
其中τLR和τλR为相关时间常数，wLR和wλR为零均值高斯白噪声，
观测方程：
其中HIR＝[I2×2 02×10 -I2×2]为观测方程系数矩阵，vL和vλ为观测量中的零均值高斯白噪声。
所述卫星导航单元包括北斗导航接收机和GPS接收机。
所述RFID定位单元根据对应的应答器获取该应答器的绝对位置信息，同时根据该应答器发出信号的强度计算出所述RFID定位单元与该应答器的相对位置，从而解读出所述第二当前位置信息。
或者所述地图信息单元以所述车辆的当前位置信息作为所述输入。
本发明的技术效果：
RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。具体的是RFID的阅读器通过天线与RFID的应答器进行上述无线通信。
在本发明的车载组合定位装置中，除了常规的卫星导航单元通过接收卫星信号进行导航定位外，还设置了RFID定位单元。RFID定位单元利用前述RFID技术获取车载组合定位装置(即所在的车辆)的当前位置。这需要预先在不易接收卫星信号的道路旁设置好RFID的应答器，该应答器与其所在位置的位置信息对应。RFID定位单元的阅读器与该应答器建立通信联系后，识别该应答器及其对应的位置信息，于是，RFID定位单元即可得到需要的位置信息。此时如果卫星信号接收不畅，卫星导航定位单元不能输出当前位置信息，而RFID定位单元能够给出当前位置信息。RFID定位单元给出的当前位置信息是基于所述应答器对应的位置信息，且应答器安装位置可以精确控制，因此，RFID定位单元给出的位置信息精度高，实现了本发明的目的。
另外，本发明采用RFID技术对车辆进行导航，RFID硬件成本低廉，采用本发明的技术，对现有车辆导航系统的技术改进成本也低，因此可以广泛布置，利于为车辆导航进行广泛应用。
附图说明
图1为本发明车载组合定位装置的第一个实施例的原理图。
图2为本发明车载组合定位装置的第二个实施例的原理图。
图3为图2中RFID定位单元的流程图。
图4为图2中传感器单元的流程图。
图5为图2中地图信息单元的流程图。
图6为图2中中心处理单元的流程图。
具体实施方式
在对本发明的技术方案进行详细说明之前，为避免歧义，对采用的一些措辞进行统一说明，如果没有特别说明，所涉及的措辞含义均以本部分说明为准。
当前位置信息：由于本发明的车载组合定位装置是装载在可移动的车辆上，其(或其中的某个单元)输出的当前位置信息均是指所述车辆当前所处位置的信息，例如经度、纬度。
车辆：装载本发明车载组合定位装置的车辆。
车辆的当前位置信息：如果没有特别说明，是指中心处理单元进行处理后得到的车辆的当前位置信息。
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明的第一个实例。图1所示的车载组合定位装置包括卫星导航单元、RFID定位单元和中心处理单元。中心处理单元分别与卫星导航单元和RFID定位单元连接。
其中，卫星导航单元属于已有技术，通过与卫星进行通讯以确定当前位置，并输出当前位置信息(为了与后面提及的其他单元输出的当前位置信息区别，卫星导航单元输出的信息命名为第一当前位置信息)。卫星导航单元包括例如北斗导航接收机或GPS接收机，这意味着可以采用北斗导航卫星系统或GPS(全球定位系统，Global Positioning System的简称)卫星系统进行定位。
RFID定位单元采用RFID技术进行定位，在卫星导航单元由于失去卫星信号不能工作时进行弥补，以期能够持续得到当前位置信息。具体的，在车辆经过的不能接收卫星信号的位置预先设置RFID的应答器(或称为智能标签)，而在RFID定位单元上设置阅读器。所述应答器具有唯一标识属性(在RFID技术中这是常识性知识)，将该唯一标识与其所在的位置进行对应。所述阅读器与所述应答器建立通讯联系后，或者在应答器传送来的信息中就包含了应答器所在位置信息，或者阅读器在识别该应答器后，通过后台数据库得到该应答器所在位置信息。由于阅读器与应答器在相距一定距离时上述通讯就已建立，因此，还需要进一步换算才能得到当前位置信息。在本发明中，根据阅读器从应答器接收到的信号的强弱即可推算出两者之间的距离，从而换算出当前位置信息(命名为第二当前位置信息)。
中心处理单元接收第一当前位置信息和第二当前位置信息。当无法获取第一当前位置信息，则将第二当前位置信息作为车辆的当前位置信息(最终输出结果)。当然，图1所示实例的基础上，可以增加与中心处理单元连接的提供方向信息的单元(例如电子罗盘单元，由其中的电子罗盘提供方向信息)以提供更多的定位依据。在图1所示实例的基础上可以组合加入多种测量定位单元以形成多种技术方案，均属于利用本发明的思想衍生出来的方案，可以在无法获取卫星定位信号的环境下仍能为车辆提供定位信息。
图2显示了本发明车载组合定位装置的第二个实例。与图1显示的车载组合定位装置不同之处在于：增加了传感器单元和地图信息单元，传感器单元和地图信息单元分别与中心处理单元连接。
地图信息单元存储地图信息，以第一当前位置信息作为输入，根据存储的地图信息进行校正。这里所说的校正过程如下：当第一当前位置信息偏离了地图信息中的道路，则将将当前位置校正到最近的道路上。这一校正过程基于这样的事实：车辆应当行驶在道路上，如果第一当前位置信息偏离了道路，则一定是测量出现了误差，因此通过地图信息单元校正到最近的道路上是合理的纠偏方式。校正后，地图信息单元输出一个当前位置信息(第三当前位置信息)给中心处理单元。当第一当前位置信息失效时，则地图信息单元将中心处理单元最近一次得到的车辆的当前位置信息作为输入。
传感器单元包括陀螺仪和加速度计。传感器单元预先装订车辆的位置、速度和姿态信息，然后采集所述陀螺仪和加速度计的输出数据，通过解算得到车辆的当前位置信息(第四当前位置信息)并传送给中心处理单元。
中心处理单元接收第一当前位置信息、第二当前位置信息、第三当前位置信息和第四当前位置信息，利用数据融合方法对接收到的数据进行处理，得到最终车辆的当前位置信息。即利用RFID定位单元、地图信息单元、传感器单元对卫星导航单元进行补充与修正，然后由中心处理单元利用数据融合方法对这些单元的输出数据进行优化处理得到最终优化的结果(最终车辆的当前位置信息)。当然，本领域技术人员能够通过对图1和图2所示实施例的基础上，结合本发明的思想设计出其他类似的技术方案，例如在图1所示车载组合定位装置上仅增加地图信息单元或传感器单元，同时对中心处理单元的数据融合方法进行适应性修正即可。
在本实施例中，数据融合的方法采用卡尔曼滤波。卡尔曼滤波的状态方程为：
其中，为所述传感器单元的状态量，δLI、δλI分别为纬度误差和经度误差，δVE、δVN分别为东向和北向速度误差，φE、φN、φU为东向、北向和高度方向三个方向的失准角，为所述加速度计的等效零偏，εx、εy、εz为所述陀螺仪的等效零偏，WI＝[wax way wgx wgy wgz]为所述加速度计和所述陀螺仪的噪声；
ωie为地球自转角速度，VE、VN分别为车辆的东向速度和北向速度，L为当地纬度，R为地球半径；XR＝[δLR δλR]为所述第二当前位置信息与所述第三当前位置信息的误差，该误差表示为：
其中τLR和τλR为相关时间常数，wLR和wλR为零均值高斯白噪声，
观测方程：
其中HIR＝[I2×2 02×10 -I2×2]为观测方程系数矩阵，vL和vλ为观测量中的零均值高斯白噪声。
图3显示了RFID定位单元的工作流程。以下对图3中各步骤进行说明。
RFID定位单元通过发出信号(发送读RFID请求)查看是否有应答器响应来判断周围是否放置了应答器。如果没有“收到响应”，则继续发出信号查看；如果“收到响应”，则可以通过阅读器读取应答器反馈的位置坐标(读取位置信息)。进一步的，RFID定位单元通过响应信号的强度计算阅读器与应答器两者的相对位置(计算相对位置)，综合形成所述第二当前位置信息，并把第二当前位置信息输出到中心处理单元(发送位置信息到中心处理单元)。然后，RFID定位单元重新回到发送读RFID请求，并重复以上步骤。RFID应答器是安装在道路上的，其位置信息是可以事先精确测量的，即RFID应答器对应一个精确的位置信息。当RFID阅读器识别出RFID应答器时，根据相互通讯的信号强度就计算出与RFID应答器之间的距离。由于道路是已知的，因此将RFID应答器的位置与RFID应答器到RFID阅读器的距离进行计算，就能够得到RFID阅读器的位置信息(即车辆的位置信息)。
图4显示了传感器单元的工作流程。以下对图4中各步骤进行说明。
首先，传感器单元需要“装订初始信息”。所谓装订是指将车辆的位置、速度和姿态信息等初始信息输入传感器单元。然后传感器单元“读取陀螺仪和加速度计数据”，即采集陀螺仪和加速度计的输出数据(例如车辆的加速度和角速度数据)。接下来的“解算得到位置信息”步骤是指传感器单元通过四元数法或旋转矢量法解算得到车辆的当前位置信息(第四当前位置信息)。“发送位置信息到中心处理单元”步骤即第四当前位置信息被传输到中心处理单元。然后，重新回到“读取陀螺仪和加速度计数据”步骤开始重复进行上述步骤。
图5显示了地图信息单元的工作流程。以下对图5中各步骤进行说明。
地图信息单元首先要“获取位置信息”。这一步骤是指地图信息单元以第一当前位置信息或最近一次得到的车辆的当前位置信息作为输入(后一种情况是卫星信号不良，卫星导航单元无法获取第一当前位置信息)。
“获取道路位置信息”是指：地图信息单元根据存储的地图信息与获取的位置信息进行匹配，利用地图匹配算法得到第三当前位置信息。
“发送位置信息到中心处理单元”是指：将第三当前位置信息传输给中心处理单元，由中心处理单元进行数据融合处理。
图6显示了中心处理单元的工作流程。以下对图6中各步骤进行说明。
“卫星信号良好”：本步骤判断卫星信号是否接收正常。如果卫星信号接收正常，则以卫星导航单元输出的第一当前位置信息作为最终的车辆的当前位置信息(即直接执行“得到车辆的当前位置信息”步骤)。如果卫星信号不能正常接收，则执行“获取传感器单元数据”步骤。
“获取传感器单元数据”：是指中心处理单元从传感器单元获取第四当前位置信息。
“获取地图信息单元数据”：是指中心处理单元从地图信息单元获取第三当前位置信息。
“有RFID信号”：在此步骤，通过RFID定位单元判断是否存在RFID信号。如果没有RFID信号，则执行“数据融合”步骤。如果有RFID信号，则执行“获取RFID定位单元数据”步骤。
“获取RFID定位单元数据”：是指中心处理单元从RFID定位单元获取第二当前位置信息。
“数据融合”：是指中心处理单元将接收到的信息通过数据融合方法进行处理(例如前述卡尔曼滤波方法)，得到最终的车辆的当前位置信息(即“得到车辆的当前位置信息”步骤)。
以上仅是本发明的较佳实施例，但本发明并不限于以上描述，对于本领域技术人员而言，任何对该系统进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种车载组合定位装置，设置在移动的车辆上，包括卫星导航单元，其特征在于：还包括RFID定位单元和中心处理单元；所述中心处理单元分别与所述卫星导航单元和所述RFID定位单元连接；
所述卫星导航单元接收导航卫星信号并输出第一当前位置信息到所述中心处理单元；
所述RFID定位单元中设置有阅读器，所述阅读器识别预先设置在所述车辆经过的路径的应答器，并根据所述应答器对应的位置信息解读出第二当前位置信息；
所述中心处理单元对接收到的所述第一当前位置信息、所述第二当前位置信息进行综合得到所述车辆的当前位置信息；
还包括与所述中心处理单元连接的地图信息单元；所述地图信息单元以所述第一当前位置信息作为输入，根据存储的地图信息进行校正，获取第三当前位置信息；所述中心处理单元接收所述第三当前位置信息进行数据融合得到所述车辆的当前位置信息；
还包括与所述中心处理单元连接的传感器单元；所述传感器单元包括陀螺仪和加速度计；所述传感器单元根据事先装订的初始位置信息，及所述陀螺仪和所述加速度计输出的数据计算出第四当前位置信息；所述中心处理单元接收所述第四当前位置信息并进行数据融合得到所述车辆的当前位置信息；
所述中心处理单元先判断卫星导航单元是否获取到卫星定位信号，如果没获取所述卫星定位信号，则采集所述第四当前位置信息、所述第三当前位置信息和所述第二当前位置信息进行所述数据融合；
所述数据融合的方法包括卡尔曼滤波；
所述卡尔曼滤波的状态方程为：
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其中，为所述传感器单元的状态量，δLI、δλI分别为纬度误差和经度误差，δVE、δVN分别为东向和北向速度误差，φE、φN、φU为东向、北向和高度方向三个方向的失准角，为所述加速度计的等效零偏，εx、εy、εz为所述陀螺仪的等效零偏，WI＝[wax way wgx wgy wgz]为所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，其中wax和way为加速度计噪声，wgx、wgy和wgz为陀螺仪噪声；
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ωie为地球自转角速度，VE、VN分别为所述车辆的东向速度和北向速度，L为当地纬度，R为地球半径；fU为天向加速度计输出比力，fN为北向加速度计输出比力，fE为东向加速度计输出比力；c11,c22,c33,c12,c21,c31,c13,c23,c32为坐标转换矩阵中的项；XR＝[δLR δλR]为所述第二当前位置信息与所述第三当前位置信息的误差，该误差表示为：
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其中τLR和τλR为相关时间常数，wLR和wλR为零均值高斯白噪声，
观测方程：
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其中HIR＝[I2×2 02×10 -I2×2]为观测方程系数矩阵，vL和vλ为观测量中的零均值高斯白噪声。
2.根据权利要求1所述车载组合定位装置，其特征在于：所述卫星导航单元包括北斗导航接收机和GPS接收机。
3.根据利要求1所述车载组合定位装置，其特征在于：所述RFID定位单元根据对应的应答器获取该应答器的绝对位置信息，同时根据该应答器发出信号的强度计算出所述RFID定位单元与该应答器的相对位置，从而解读出所述第二当前位置信息。
4.根据利要求1所述车载组合定位装置，其特征在于：或者所述地图信息单元以所述车辆的当前位置信息作为所述输入。
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