CN105301621A - 一种车辆定位装置及一种智能驾考系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆定位装置及智能驾考系统，其中的车辆定位装置包括GPS/MEMS组合定位单元、辅助定位单元和数据处理单元；本发明只需要在驾考车辆上安装一个GPS天线即可，成本明显比与双GPS系统有所降低。另外，在驾考场地中设置至少一个标志点，辅助定位单元可以根据对任意标志点进行跟踪定位，并根据定位跟踪结果获得车辆的姿态信息，因此即使驾考车辆在运行过程中GPS信号丢失，也能确保航向角测量的连续性，确保了考试过程的高可靠性，不受环境等因素的干扰。

Description

一种车辆定位装置及一种智能驾考系统

技术领域

本发明涉及一种驾校考试系统，具体涉及一种使用摄像头辅助GPS对车辆进行定位的智能驾校考试系统。

背景技术

现有技术中的驾驶人考试系统主要利用差分GPS的高精度位置测量原理实现对考试车辆与考试场地的高精度位置测量，从而实现两者之间的位置比较并进行考试评判。该系统首先利用差分GPS对考试场地进行厘米级测绘，测绘得到数字化的考试场地地图并存储在驾考评判计算机中；此外，利用GPS/惯性组合式定位系统来测量车辆的位置、航向角、俯仰角、横滚角等信息，结合考试车辆的几何参数信息，可以计算得到考试车辆轮廓线的三维坐标值，并将坐标参数输入到驾考评判计算机，驾考评判计算机将车辆轮廓信息与考试场地信息进行比较评判，并根据预先存储的考试规则信息，对考试结果进行评判。

这种考试系统很好地解决了传统考试方式的一些缺点，如无需对考试场地进行改造，大大降低了场地的改造成本和改造时间，同时也降低了考试场地传感器的维护成本。而且这种考试方式利用软件的方式实现驾考评判，因此，当考试项目和考试规则发生改变时，无需对考试场地进行二次改造。但这种单纯基于GPS的驾考方式也往往存在如下问题：

1、由于需要确定考车的航向角，一般需要在考试车辆上安装2个GPS天线，并需要安装定向型GPS接收机，由于GPS定向接收机对GPS信号的要求较高，当GPS信号受到干扰时，定向信号非常容易受到干扰甚至中断，从而导致车辆无法继续考试；2、在车辆考试过程中，需要将考试车辆的考试状态信息和车辆内外的实时监控视频信号利用无线传输的方式实时传输至考试监控中心，当前所有的传输方式都采用全向天线的方式，为了传输同样带宽的信号，全向天线相比定向天线的功率较大，同时传输距离受限，传输可靠性较低；3、定向型GPS接收机及2个GPS天线的成本相对较高。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于现有技术中的驾驶人考试系统在GPS定向信号丢失时考试无法继续。

本发明所要解决的另一个技术问题在于现有技术中的驾驶人考试系统采用全向天线传输功率大、距离受限且可靠性低。

本发明所要解决的又一个技术问题在于现有技术中的驾驶人考试系统成本较高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种车辆定位装置,包括:

GPS/MEMS组合定位单元，用于获取驾考车辆的第一位置信息、第一俯仰角、第一横滚角；

辅助定位单元，用于对至少一个预设标志点进行瞄准跟踪；

数据处理单元，接收所述GPS/MEMS组合定位单元及所述辅助定位单元发送的数据，根据瞄准跟踪结果获取车辆的第一航向角、第二俯仰角和第二横滚角；并根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角、所述第一航向角、所述第二俯仰角、所述第二横滚角获取车辆的位置信息、航向角、俯仰角和横滚角，根据所述位置信息、航向角、俯仰角和横滚角结合车辆自身的几何关系得到车辆边缘轮廓的位置。

优选地，上述车辆定位装置中，所述辅助定位单元包括：

双轴框架，包括俯仰轴和方位轴；

光电摄像机，设置于所述双轴框架上，可绕俯仰轴、方位轴旋转，实现对固定和活动目标的实时图像跟踪；

码盘，设置于俯仰轴和方位轴轴系上，用于输出俯仰轴和方位轴的转角信息作为瞄准跟踪结果。

优选地，上述车辆定位装置中，所述辅助定位单元还用于接收所述GPS/MEMS组合定位单元发送的数据，根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角隔离车体运动的姿态变化。

优选地，上述车辆定位装置中，所述辅助定位单元还包括：

定向型无线电天线，用于实现驾考车辆与外界的高速率高带宽定向通信。

优选地，上述车辆定位装置中，每一所述预设标志点与驾考场地中心点连线之间的夹角为360°/n，n表示预设标志点的个数。

优选地，上述车辆定位装置中，每一所述预设标志点上设置有无线电天线，用于与辅助定位单元上设置的所述定向型无线电天线进行高速率高带宽定向通信。

优选地，上述车辆定位装置中，所述预设标志点的数量为3个。

本发明还提供一种智能驾考系统，包括以上所述的车辆定位装置，用于对驾考车辆进行实时、连续、准确的定位，得到驾考车辆的车辆边缘轮廓的位置；以及信息处理中心；

所述信息处理中心内部存储有驾考场地的地图数据信息和驾考评判标准信息；所述信息处理中心将所述车辆边缘轮廓的位置与驾考场地的地图数据信息在同一坐标系下进行位置比较，获得二者的相对位置关系，同时结合驾考评判标准信息，输出驾考结果。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的车辆定位装置及智能驾考系统，其中的车辆定位装置包括GPS/MEMS组合定位单元、辅助定位单元和数据处理单元；其中GPS/MEMS组合定位单元用于获取驾考车辆的第一位置信息、第一俯仰角、第一横滚角；辅助定位单元用于对至少一个预设标志点进行瞄准跟踪；数据处理单元用于接收所述GPS/MEMS组合定位单元及所述辅助定位单元发送的数据，根据瞄准跟踪结果获取车辆的第一航向角、第二俯仰角和第二横滚角；并根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角、所述第一航向角、所述第二俯仰角、所述第二横滚角获取车辆的位置信息、航向角、俯仰角和横滚角，根据所述位置信息、航向角、俯仰角和横滚角结合车辆自身的几何关系得到车辆边缘轮廓的位置。因此，本发明只需要在驾考车辆上安装一个GPS天线即可，成本明显比与双GPS系统有所降低。另外，在驾考场地中设置至少一个标志点，辅助定位单元可以根据对任意标志点进行跟踪定位，并根据定位跟踪结果获得车辆的姿态信息，因此即使驾考车辆在运行过程中GPS信号丢失，也能确保航向角测量的连续性，确保了考试过程的高可靠性，不受环境等因素的干扰。

(2)本发明所述的车辆定位装置及智能驾考系统，其中的辅助单元上安装定向型无线电天线，实现驾考车辆与外界的的高可靠性高带宽定向通信，减小对传输距离的限制，提高传输可靠性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明所述车辆定位装置的原理图；

图2是本发明所述GPS/MEMS组合定位单元的原理图；

图3是本发明所述的辅助定位单元的结构示意图；

图4是本发明所述用于确定车辆初始航向角的原理示意图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的阐述。

本发明是以GPS卫星定位技术为基础，而GPS提供的民用精度最高只能达到分米级，显然无法满足驾校路考厘米级的误差精度指标。本发明下述实施例中采用国际上先进的GPS测绘技术—RTK技术，提供高精度的位置服务来实现GPS卫星定位技术在驾校车辆中的应用。RTK技术由一个基准站和移动站来实现。基准站提供差分GPS基站信息，将GPS差分更正数传送给移动站使用，移动站接收到基站发来的差分信息、并将其与基站公有的误差抵消，以提高定位精度，其定位误差范围能够控制在1-2厘米范围，足以满足驾校路考的应用要求。

实施例1

本实施例提供了一种车辆定位装置,如图1所示,包括:

GPS/MEMS组合定位单元1，用于获取驾考车辆7的第一位置信息、第一俯仰角、第一横滚角。

辅助定位单元2，用于对至少一个预设标志点4进行瞄准跟踪；在驾考场地中可以设置若干个预设标志点4，并事先测量得到每一个预设标志点的精确坐标位置，通过RTK的方式将每个预设标志点的三维位置坐标测量到厘米级，优选每一所述预设标志点与驾考场地中心点连线之间的夹角为360°/n，理论上只要有一个预设标志点便可以采用本发明提供的方案实现，但考虑到实际考试过程中预设标志点有可能被遮挡，一般可以设置2个、3个甚至更多，这样当某一个预设标志点被遮挡时，辅助定位单元2可以自动切换跟踪到另外一个预设标志点，从而保证数据连续性。图中所示为预设标志点为3个情况。

数据处理单元3，接收所述GPS/MEMS组合定位单元1及所述辅助定位单元2发送的数据，根据瞄准跟踪结果获取车辆的第一航向角、第二俯仰角和第二横滚角；并根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角、所述第一航向角、所述第二俯仰角、所述第二横滚角获取车辆的位置信息、航向角、俯仰角和横滚角，根据所述位置信息、航向角、俯仰角和横滚角结合车辆自身的几何关系得到车辆边缘轮廓的位置。

由于卫星技术受周围遮挡环境的影响很大，如果驾校场地上有高的指示牌或者树木会对GPS的位置解算有很大的影响，所以本发明使用了GPS/MEMS组合定位单元1来解决车辆的位置测量和俯仰角、横滚角的测量。在周围环境不佳的情况下，GPS导航结合MEMS惯导推算能够抵消引起GPS位置偏差的位置估算数据，如此得出的位置既能够达到高的精度还能够避免GPS容易受到周围环境的影响。

图2为GPS/MEMS组合定位单元1原理图，如图所示，GPS/MEMS组合定位单元1进一步包括GPS接收机101，可以得到GPS位置、速度、姿态、方位等信息；MEMS惯导102，惯性导航解算模块104，MEMS惯导102测得的信息经惯性导航解算模块(INS)104处理之后可以得到INS位置、速度、姿态、方位等信息；INS/GPS组合导航Kalman滤波器103，对GPS接收机101和惯性导航解算模块(INS：InertialNavigationSystem)104的数据进行处理，并将处理后的结果反馈至惯性导航解算模块(INS)104，以实现误差修正。GPS/MEMS组合定位单元1可以利用GPS接收机101的信息来修正MEMS惯导102的测量误差，从而来实现高精度的俯仰角、横滚角测量；同时，利用MEMS惯导102来解决GPS信号被遮挡或者被干扰时系统的高精度、连续的位置测量难题。

本实施例中的所述辅助定位单元2包括双轴框架、光电摄像机和码盘，如图3所示，双轴框架包括俯仰轴201和方位轴202；光电摄像机203，设置于所述双轴框架上，可绕俯仰轴201、方位轴202旋转，实现对固定和活动目标的实时图像跟踪；码盘，设置于俯仰轴201和方位轴202轴系上，用于输出俯仰轴201和方位轴202的转角信息作为瞄准跟踪结果。

优选地，所述辅助定位单元2还用于接收所述GPS/MEMS组合定位单元1发送的数据，根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角隔离车体运动的姿态变化。

优选地，本实施例中，辅助定位单元2还包括定向型无线电天线，用于实现驾考车辆与外界的高速率高带宽定向通信。与之对应的，每一所述预设标志点4上设置有无线电天线，用于与辅助定位单元上设置的所述定向型无线电天线进行高速率高带宽定向通信。

本实施例还提供一种智能驾考系统，如图1所示，包括以上所述的车辆定位装置，用于对驾考车辆进行实时、连续、准确的定位，得到驾考车辆的车辆边缘轮廓的位置，还包括信息处理中心3，所述信息处理中心内部存储有驾考场地的地图数据信息5和驾考评判标准信息6。

所述信息处理中心3将所述车辆边缘轮廓的位置与考场地的地图数据信息在同一坐标系下进行位置比较，获得二者的相对位置关系，同时结合驾考评判标准信息得出扣分信息，输出驾考结果。需要说明的是，图中所示的信息处理中心3以辐射环的形状进行描绘，表示信息处理中心以通信方式接收车辆定位装置发送的数据信息，在具体实现时其可以设置于驾考场地内/外的监控中心内。

具体地，本实施例所述的智能驾考系统可采用如下技术方案来实现：

(1)在驾考车辆上安装一套高精度GPS/MEMS组合定位单元1，并通过差分GPS定位技术，实现驾考车辆的高精度厘米级定位，结合MEMS惯导系统来实现驾考车辆的俯仰角、横滚角的测量，系统一般采用MEMS惯导系统，成本较低，通过图2所示的组合导航算法，一般可以将车辆的姿态测量精度控制在0.5°左右；

(2)在考试场地的n个不同的方向设置n个固定的预设标志点4，并通过事先测量得到n个预设标志点4的精确坐标位置，通过RTK的方式将每个标志点的三维位置坐标测量到厘米级。

(3)在车顶上安装辅助定位单元2，例如一套双轴光电跟踪装置，该装置可以通过光电摄像机对考试场地内预先设定的预设标志点进行瞄准跟踪，也可以对考试场地的状况进行实时动态摄像记录；

(4)光电跟踪装置通过对n个预设标志点中的任何一个标志点的精确瞄准来计算得到车辆的初始航向、姿态信息；

(5)光电跟踪装置通过对n个预设标志点中的任何一个标志点的跟踪瞄准来实时测量车辆的航向角、俯仰角和横滚角；

(6)信息处理中心3与GPS/MEMS组合定位单元、光电跟踪装置连接，接收GPS/惯性组合式定位系统输出的位置、俯仰角、横滚角等信号，同时接收光电跟踪装置输出的转角信号，信息处理中心3将上述位置与转角信息综合，得到车辆的位置、航向角、俯仰角、横滚角等信息，并根据车辆的自身的几何关系信息，计算车辆边缘轮廓在某一特定坐标系中的位置信息；

(7)信息处理中心3内部存有已经测绘完成的驾考场地的地图数据信息和驾考评判标准信息，并将车辆边缘轮廓的位置坐标与驾考场地的地图数据信息在同一坐标系下进行位置匹配比较，得到两者的相对位置关系，同时结合考试规则扣分信息，最终输出考试的结果。

上述的基于GPS与光电跟踪装置的智能驾考系统，其所述的光电跟踪装置可以接收GPS/MEMS组合定位单元输出的车辆位置以及俯仰角、横滚角信息，GPS/MEMS组合定位单元的信息可以控制光电跟踪装置隔离车体运动的姿态信息，并可以对固定和活动目标进行实时图像跟踪，光电跟踪装置同时可以输出俯仰轴、方位轴的转角信息，光电跟踪装置上除了安装CCD摄像机之外，还可以安装一个用于数据通信的无线电定向天线。

上述的基于GPS与光电跟踪装置的智能驾考系统，其所述的n个预设标志点的布置以确保车载光电跟踪装置在驾考场地任何位置均可以探测到为原则，为了确保航向角计算精度，n个预设标志点与驾考场地中心点连线之间的夹角在360°/n左右，从理论上来讲，n可以选为1，这样只需要布置一个预设标志点，但考虑到实际场地内预设标志点被遮挡的情况，我们可以选的n＝2或者n＝3。

上述的基于GPS与光电跟踪装置的智能驾考系统，所述的车辆第一航向角计算的方法包括如下步骤：

(1)通过GPS测量得到光电跟踪装置的精确的位置坐标；

(2)在驾考车辆静止状态下，控制光电跟踪装置瞄准某一个预设标志点，在瞄准后分别记录光电跟踪装置的俯仰转角、方位转角和驾考车辆的俯仰角、横滚角等信息；

(3)结合光电跟踪装置的位置坐标、预设标志点的精确的空间坐标、瞄准时刻光电跟踪装置的俯仰转角、方位转角，驾考车辆的俯仰角，横滚角，通过空间几何约束公式，可以计算得到驾考车辆的初始航向角，其计算原理如图4所示：当驾考车辆的俯仰角、横滚角为零时，其方位角计算公式如式1所示，当驾考车辆的俯仰角、横滚角不为零时，其计算公式需要考虑到空间角度的转换关系，相对比较复杂而且这并不是本发明的发明点所在，且属于现有现有算法，因此不再详细描述。

式1

前述的基于GPS与光电跟踪装置的智能驾考系统，其所述的驾考车辆的航向角、姿态角实时计算的方法及步骤如下：

光电跟踪装置在车辆运动过程中实时跟踪任何一个预设标志点，并输出相对的俯仰轴、方位轴转角信息，信息处理中心利用车辆的初始航向、姿态信息，并结合光电跟踪装置输出的俯仰轴、方位轴转角信息，通过空间矩阵变换算法得到车辆的实时航向角、俯仰角、横滚角等信息。当驾考车辆的俯仰角、横滚角为零时，其方位角计算公式如下式2所示，其中φ_t为光电跟踪装置跟踪预设标志点过程中实时输出的轴系转角信息。当车辆的俯仰角、横滚角不为零时，其计算公式需要考虑到空间角度的转换关系，相对比较复杂而且这并不是本发明的发明点所在，且属于现有现有算法，因此不再详细描述。

式2

前述的基于GPS与光电跟踪装置的驾驶人智能考试系统，其所述的光电跟踪装置跟踪预设标志点的光路被驾考内的其他设施遮挡的时刻，光电跟踪装置可以在跟踪过程中实时切换并跟踪其他预设标志点，系统可以根据不同标志点之间的相对位置关系来实时切换车辆位置、姿态、航向计算的公式，从而确保车辆考试过程的连续性和抗干扰性。由于两个标志点之间的相关位置关系是固定的，因此，在更换到新的预设标志点时，车辆航向角只需要在原先计算得到的航向角基础上加减一个固定的偏差角便可以。

前述的基于GPS与光电跟踪装置的驾驶人智能考试系统，当光电跟踪装置上安装有一个定向型无线电天线，预设标志点处安装有一个无线电天线，车辆可以实时与位置预设标志点处的天线进行高带宽的定向通信。

上述实施例公布的是本发明较佳的实施方式，并非穷举。本领域技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车辆定位装置,其特征在于,包括:

GPS/MEMS组合定位单元，用于获取驾考车辆的第一位置信息、第一俯仰角、第一横滚角；

辅助定位单元，用于对至少一个预设标志点进行瞄准跟踪；

数据处理单元，接收所述GPS/MEMS组合定位单元及所述辅助定位单元发送的数据，根据瞄准跟踪结果获取车辆的第一航向角、第二俯仰角和第二横滚角；并根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角、所述第一航向角、所述第二俯仰角、所述第二横滚角获取车辆的位置信息、航向角、俯仰角和横滚角，根据所述位置信息、航向角、俯仰角和横滚角结合车辆自身的几何关系得到车辆边缘轮廓的位置。

2.根据权利要求1所述的车辆定位装置，其特征在于，所述辅助定位单元包括：

双轴框架，包括俯仰轴和方位轴；

光电摄像机，设置于所述双轴框架上，可绕俯仰轴、方位轴旋转，实现对固定和活动目标的实时图像跟踪；

码盘，设置于俯仰轴和方位轴轴系上，用于输出俯仰轴和方位轴的转角信息作为瞄准跟踪结果。

3.根据权利要求2所述的车辆定位装置，其特征在于：

所述辅助定位单元还用于接收所述GPS/MEMS组合定位单元发送的数据，根据所述第一位置信息、所述第一俯仰角、所述第一横滚角隔离车体运动的姿态变化。

4.根据权利要求2或3所述的车辆定位装置，其特征在于，所述辅助定位单元还包括：

定向型无线电天线，用于实现驾考车辆与外界的高速率高带宽定向通信。

5.根据权利要求1-4任一项所述的车辆定位装置，其特征在于：

每一所述预设标志点与驾考场地中心点连线之间的夹角为360°/n，n表示预设标志点的个数。

6.根据权利要求5所述的车辆定位装置，其特征在于：

每一所述预设标志点上设置有无线电天线，用于与辅助定位单元上设置的所述定向型无线电天线进行高速率高带宽定向通信。

7.根据权利要求5或6所述的车辆定位装置，其特征在于：

所述预设标志点的数量为3个。

8.一种智能驾考系统，其特征在于：

包括权利要求1-6任一项所述的车辆定位装置，用于对驾考车辆进行实时、连续、准确的定位，得到驾考车辆的车辆边缘轮廓的位置；以及信息处理中心；

所述信息处理中心内部存储有驾考场地的地图数据信息和驾考评判标准信息；所述信息处理中心将所述车辆边缘轮廓的位置与驾考场地的地图数据信息在同一坐标系下进行位置比较，获得二者的相对位置关系，同时结合驾考评判标准信息，输出驾考结果。