CN106643712A - 一种车载组合导航系统 - Google Patents

Abstract

一种车载组合导航系统，包括：运算处理器以及与运算处理器分别连接的卫星定位模块、IMU模块、车轮传感器、气压高度表、磁航向偏角及车轮周长校准开关和三轴电子罗盘校准开关，所述IMU模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。本发明的优越效果在于：能够有效的提高卫星的定位精度，同时，能够实现在无卫星定位情况下的惯性导航和在卫星有跳点的前提下，对其进行有效规避。

Description

一种车载组合导航系统

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种车载组合导航系统。

背景技术

中国的车载导航产业起步于2002年，最近几年，随着中国汽车产业的高速发展，私家车的不断普及，车载导航行业也随之快速成长。车载导航技术经过十多年的市场培育，用户目标与需求已逐步明确，技术的研发、市场的培育逐步完善，车用导航装置应用市场也日臻成熟，现在已进入行业的快速发展时期。车载导航产品从早先单纯的功能、基于单片机、CD/DVD光驱等构造起来的简单系统，发展到现在应用功能多样化、并基于更高性能处理器及支持丰富应用的操作系统(如WinCE和ANDROID)的嵌入式信息处理和应用系统，车载导航产品的技术性逐渐体现。

目前，中国能够使用的卫星定位方式有GPS和北斗，中国国内的大部分导航系统也是基于这两种系统，采用卫星定位必须将天线放置在有可视卫星的地方，这样就决定了如果单纯采用卫星来定位就无法实现在大楼内部、地下停车场、涵洞、隧道等特殊区域的定位问题，而且卫星定位也存在跳点、低速运动定位精度偏低等问题。

随着市场的不断扩大，市场需求的不断变化，越来越多的车载导航系统被研发出来。

例如，中国专利申请号201310428760.8公开了一种车载组合导航方法及导航系统，该组合导航方法包括步骤：分别获取卫星信号信息、车辆角度变化信息，通过对卫星信号进行解算得出当前车辆的位置及速度信息，通过车辆角度变化信息获得实时角速度信息；输出相应信息供车载终端使用；其特征在于，通过OBD获取行车电脑的车速信息，并将所述卫星信号解算出的速度信息与所述OBD车速信息进行比较选择；若卫星信号接收不好，输出所述OBD车速信息。该方法可以在不提高硬件成本的基础上，较大程度地保证组合导航系统的连续性和可靠性。

再如，中国专利申请号201410123943.3公开了一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，该组合车载导航定位系统由北斗二代-全球卫星导航系统、惯性导航系统、地理信息系统和数据融合与控制系统四部分构成；其中，惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；数据融合与控制系统包括处理器及接口，处理器中集成有卡尔曼滤波模块。本发明通过研发一种基于GIS技术的实时、稳定、高精度北斗二代与GP/INS组合车载导航定位系统，实现车载北斗二代和GPS导航定位终端的兼容使用并且与INS组合，用户既能接受到北斗二代信号，又能接受GPS信号，兼容使用，互相自动切换，提高了导航定位的精度和可靠性。

显然，如上的现有技术中没有解决在无可视卫星的情形的导航工作，也没有解决过滤卫星跳点的问题。

现有技术中存在如上缺陷，难以适应当今导航市场的发展趋势和实际需要。为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明人结合多年的设计和生产经验，提出一种车载组合导航系统。

发明内容

本发明是通过如下技术方案实现的：一种车载组合导航系统，包括：运算处理器以及与运算处理器分别连接的卫星定位模块、IMU模块、车轮传感器、气压高度表、磁航向偏角及车轮周长校准开关和三轴电子罗盘校准开关，所述IMU模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

进一步地，所述运算处理器包括三轴电子罗盘校准程序、磁航向偏角及车轮周长校准程序、车体姿态解算程序、车体速度解算程序、车体位置解算程序和传感器融合定位算法程序。

为了进一步的提高车载导航系统的导航精度，本发明还包括对三轴电子罗盘进行校准的步骤，所述三轴电子罗盘的校准步骤如下：

(1)、闭合三轴电子罗盘校准开关，收集三轴电子罗盘采集的数据，通过三轴电子罗盘，采集各个时刻三个轴相对应的磁场强度数据；

(2)、驾车行驶一段平坦且闭合的路径；

(3)、采集三轴电子罗盘水平两轴输出的最大值和最小值；

(4)、解算三轴电子罗盘水平两轴的偏置及比例系数；

(5)、将三轴电子罗盘的水平两轴的偏置及比例系数保存到运算处理器中。

为了进一步的提高车载导航系统的导航精度，本发明还包括对磁航向偏角和车轮周长进行校准的步骤，所述磁航向偏角和车轮周长的校准步骤如下：

(1)、闭合磁航向偏角及车轮周长校准开关；

(2)、在卫星正常定位的情况下，选取行驶过程中的一个随机点A，直线行驶一段距离至B点，所述A点为行驶过程中的起点，所述B点为行驶过程中的终止点，通过卫星定位模块给出A点和B点之间的航向角和距离，通过IMU模块和车轮传感器给出A点和B点之间的航向角和距离；

(3)、比较上述两种不同模块解算出来的航向角和距离，通过运算处理器解算出两种不同模块给出的航向角差值和距离差值；

(4)、将通过运算处理器解算出的航向角差值和距离差值保存到运算处理器中。

进一步地，所述车载组合导航系统还包括Kalman滤波器，所述Kalman滤波器连接于所述卫星定位模块、IMU模块和车轮传感器。

为了进一步的提高车载导航系统的导航精度，本发明还包括对卫星定位模块的卫星定位数据进行过滤的步骤如下：

(1)、导航系统正常工作时，将卫星定位模块解算出的位置信息X和IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息Y分别输入到Kalman滤波器中；

(2)、在导航系统中设定一个位置信息常值Z，将X和Y的差值与Z比较；

(3)、当X-Y>Z时，判定位置信息差别大，输出IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息；当X-Y≦Z时，判定位置信息差别小，输出Kalman滤波器解算出的位置信息。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

1、本发明所述的车载组合导航系统，通过车体行驶一个闭合路径，经过三轴电子罗盘校准程序能够准确解算三轴电子罗盘各轴的磁偏置及比例系数。

2、本发明所述的车载组合导航系统，通过汽车行驶一直线距离，由卫星定位模块和IMU模块同时给出的起止点的航向角和距离，经过运算处理器解算出两种不同模块给出的航向角差值和距离差值，能够准确解算磁航向偏角及车轮周长。

3、本发明所述的对卫星定位数据进行过滤的步骤，能够在卫星定位信息存在跳点时，对其进行有效规避。

附图说明

图1为本发明所述的车载组合导航系统的示意图；

图2为本发明所述的三轴电子罗盘校准步骤的示意图；

图3为本发明所述的磁航向偏差和车轮周长校准步骤的示意图；

图4为本发明所述的对卫星定位数据进行过滤的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如附图1所示，一种车载组合导航系统，包括：运算处理器以及与运算处理器分别连接的卫星定位模块、IMU模块、车轮传感器、气压高度表、磁航向偏角及车轮周长校准开关和三轴电子罗盘校准开关，所述IMU模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

所述卫星定位模块将其确定的位置和速度信息输出到运算处理器模块；

所述IMU模块将其测得的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘的数据输出到运算处理器；

所述车轮传感器将其测得的车轮转动数据输出到运算处理器；

所述气压高度表和卫星定位模块的输出，将其共同测得的高度数据输出到运算处理器，通过运算处理器的解算处理，能够解算出车体的高度；

所述IMU模块和车轮传感器的输出，通过运算处理器的解算处理，能够解算出车体的姿态、水平速度、水平位置。

这样既能够解决一定时间内没有卫星信号的情况下的车体定位问题，同时在卫星定位信息存在跳点时，也能够对其进行有效规避。

进一步地，所述运算处理器包括三轴电子罗盘校准程序、磁航向偏角及车轮周长校准程序、车体姿态解算程序、车体速度解算程序、车体位置解算程序和传感器融合定位算法程序。

所述三轴电子罗盘校准程序，能够确定三轴电子罗盘各轴的磁偏置及比例系数；

所述磁航向偏角及车轮周长校准程序，能够确定当地磁航向偏角及车轮周长；

所述车体姿态解算程序能够实时解算出车体的姿态；

所述车体速度解算程序能够实时解算出车体的速度；

所述车体位置解算程序能够实时解算出车体的位置；

所述传感器融合定位算法程序，综合各传感器的实时输出值，通过Kalman滤波器给出满足指标要求的车体的姿态、速度、位置。

如附图2所示，为了进一步提高车载组合导航系统的导航精度，本发明还包括对三轴电子罗盘进行校准的步骤，所述三轴电子罗盘的校准步骤如下：

(1)、闭合三轴电子罗盘校准开关，收集三轴电子罗盘采集的数据，通过三轴电子罗盘，采集各个时刻三个轴相对应的磁场强度数据；

(2)、驾车行驶一段平坦且闭合的路径；

(3)、采集三轴电子罗盘水平两轴输出的最大值和最小值；

(4)、解算三轴电子罗盘水平两轴的偏置及比例系数；

(5)、将三轴电子罗盘的水平两轴的偏置及比例系数保存到运算处理器中。

由于本发明主要用到水平两轴的输出数据，故在校准过程中可行驶一平坦闭合路径，如果校准过程中路面有上下坡还需要反方向行驶一周，以消除坡度带来的影响。

如附图3所示，为了进一步提高车载组合导航系统的导航精度，本发明还包括对磁航向偏角和车轮周长进行校准的步骤，所述磁航向偏角和车轮周长的校准步骤如下：

(1)、闭合磁航向偏角及车轮周长校准开关；

(2)、在卫星正常定位的情况下，选取行驶过程中的一个随机点A，直线行驶一段距离至B点，所述A点为行驶过程中的起点，所述B点为行驶过程中的终止点，通过卫星定位模块给出A点和B点之间的航向角和距离，通过IMU模块和车轮传感器给出A点和B点之间的航向角和距离；

(3)、比较上述两种不同模块解算出来的航向角和距离，通过运算处理器解算出两种不同模块给出的航向角差值和距离差值；

(4)、将通过运算处理器解算出的航向角差值和距离差值保存到运算处理器中。

由于地磁的磁航向偏角在各地不尽相同，车轮周长不尽相同，在用磁指明方向时，需首先确定当地磁航向偏角，同时，车轮周长也需确定，本发明通过汽车行驶一直线距离，可同时确定磁航向偏角和车轮周长。

所述卫星定位模块、IMU模块以及车轮传感器解算的位置及速度信息是通过运算处理器模块实现的。

如附图4所示，所述车载组合导航系统还包括Kalman滤波器，所述Kalman滤波器连接于所述卫星定位模块、IMU模块和车轮传感器。

为了进一步提高车载组合导航系统的导航精度，本发明还包括对卫星定位模块的卫星定位数据进行过滤的步骤如下：

(1)、导航系统正常工作时，将卫星定位模块解算出的位置信息X和IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息Y分别输入到Kalman滤波器中；

(2)、在导航系统中设定一个位置信息常值Z，将X和Y的差值与Z比较；

(3)、当X-Y>Z时，判定位置信息差别大，输出IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息；当X-Y≦Z时，判定位置信息差别小，输出Kalman滤波器解算出的位置信息。所述卫星定位模块、IMU模块以及车轮传感器解算的位置信息是通过运算处理器模块实现的。

X仅代表卫星定位模块解算出的某点的位置信息，Y仅代表IMU模块及车轮传感器解算出的该点的位置信息，Z的设置根据所述车载组合导航系统的要求精度而定。

在组合导航定位工作时，为提高导航定位精度，卫星定位模块需要实时准确的给出定位信息，当卫星定位模块丢失或数据存在跳点时，会严重影响最终导航定位的精度，本发明通过单独卫星定位与单独IMU定位相比较的方式，规避了卫星定位信息存在跳点时，定位精度不准的问题。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种车载组合导航系统，其特征在于，包括：运算处理器以及与运算处理器分别连接的卫星定位模块、IMU模块、车轮传感器、气压高度表、磁航向偏角及车轮周长校准开关和三轴电子罗盘校准开关，所述IMU模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

2.根据权利要求1所述的车载组合导航系统，其特征在于，所述运算处理器包括三轴电子罗盘校准程序、磁航向偏角及车轮周长校准程序、车体姿态解算程序、车体速度解算程序、车体位置解算程序和传感器融合定位算法程序。

3.根据权利要求1所述的车载组合导航系统，其特征在于，三轴电子罗盘的校准步骤如下：

(1)、闭合三轴电子罗盘校准开关，收集三轴电子罗盘采集的数据，通过三轴电子罗盘，采集各个时刻三个轴相对应的磁场强度数据；

(2)、驾车行驶一段平坦且闭合的路径；

(3)、采集三轴电子罗盘水平两轴输出的最大值和最小值；

(4)、解算三轴电子罗盘水平两轴的偏置及比例系数；

(5)、将三轴电子罗盘的水平两轴的偏置及比例系数保存到运算处理器中。

4.根据权利要求2所述的车载组合导航系统，其特征在于，磁航向偏角和车轮周长校准步骤如下：

(1)、闭合磁航向偏角及车轮周长校准开关；

(2)、在卫星正常定位的情况下，选取行驶过程中的一个随机点A，直线行驶一段距离至B点，所述A点为行驶过程中的起点，所述B点为行驶过程中的终止点，通过卫星定位模块给出A点和B点之间的航向角和距离，通过IMU模块和车轮传感器给出A点和B点之间的航向角和距离；

(3)、比较上述两种不同模块解算出来的航向角和距离，通过运算处理器解算出两种不同模块给出的航向角差值和距离差值；

(4)、将通过运算处理器解算出的航向角差值和距离差值保存到运算处理器中。

5.根据权利要求1或2所述的车载组合导航系统，其特征在于，所述车载组合导航系统还包括Kalman滤波器，所述Kalman滤波器连接于所述卫星定位模块、IMU模块和车轮传感器。

6.根据权利要求5所述的车载组合导航系统，其特征在于，卫星定位模块的卫星定位数据过滤步骤如下：

(1)、导航系统正常工作时，将卫星定位模块解算出的位置信息X和IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息Y分别输入到Kalman滤波器中；

(2)、在导航系统中设定一个位置信息常值Z，将X和Y的差值与Z比较；

(3)、当X-Y>Z时，判定位置信息差别大，输出IMU模块及车轮传感器解算出的位置信息；当X-Y≦Z时，判定位置信息差别小，输出Kalman滤波器解算出的位置信息。