CN107462242B - 车辆测速方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测速领域，公开了一种车辆测速方法及其装置，该方法包含以下步骤：气压计获取车辆的环境气压值，根据环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；根据海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。本发明能够在没有GPS信号的情况下，对上下坡的车辆通过惯性导航得到的车辆速度进行更好地修正。

Description

车辆测速方法及其装置

技术领域

本发明涉及测速领域，具体涉及车辆测速领域。

背景技术

近年来，全球定位技术得到了快速发展和应用。其中，车载航位推算(VehicleDead Reckoning，简称“VDR”)技术可以帮助手机在卫星信号由于隧道、地下车库等原因导致中断的环境中继续定位。

该技术主要利用手机内置MEMS传感器(Microelectro Mechanical Systems)通过捷联惯性导航的方式与全球定位系统(Global Position System，简称“GPS”)定位进行数据融合，可以实现手机定位的无缝连接。

但是，本发明的发明人发现，由于传感器的器件本身存在误差，该误差会在卫星信号中断的时间内不断的积累，使VDR定位精度随着时间的增加而不断发散，从而影响VDR定位的精确度。虽然在手机中应用图像辅助技术，理论上可以提高VDR定位的精确度，但是由于实现方式太复杂，因此手机上的图像辅助的VDR应用尚不成熟。

综上，目前尚未能够直接通过手机，以简单的方式提高VDR定位的精确度。

发明内容

本发明的目的就是提供一种车辆测速方法及其装置，可以在没有GPS信号的情况下对惯性导航的获得的车辆速度进行修正，得到更为精确的速度值。

在本发明的第一个方面，提供了一种车辆测速方法，包含以下步骤：

气压计获取车辆的环境气压值，根据环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；

根据海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；

根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在另一优选例中，气压计设置在移动终端内。

在另一优选例中，在计算车辆速度修正参数的步骤之前，还包含以下步骤：

根据预定时间内车辆的海拔高度变化值，获得海拔高度变化率，如果海拔高度变化率大于或等于预定阈值，则计算车辆速度修正参数。

在另一优选例中，获得海拔高度变化率的步骤包含：

根据预定时间内的海拔高度值，采用最小二乘法拟合得到海拔高度变化率。

在另一优选例中，在对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正的步骤之前，还包含以下步骤：

判断车辆是否处于无GPS信号的环境中，如果是，则对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在另一优选例中，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正的步骤中，使用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在另一优选例中，计算车辆速度修正参数的步骤进一步包括：

根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为预定时间。

本发明的第二个方面提供了一种车辆测速装置，包含：

海拔高度变化值获取模块，用于通过气压计获取车辆的环境气压值，根据环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；

车辆速度修正值获取模块，用于根据海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；

修正模块，用于根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在另一优选例中，修正模块使用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在另一优选例中，车辆速度修正值获取模块根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为预定时间。

本发明实施方式与现有技术相比，至少具有以下区别和效果：

本发明的车辆测速方法及其装置，利用气压值对惯性导航的获得的车辆速度进行修正，提高了修正效果，使车辆测速更加准确。具体说，根据气压值得到海拔高度变化值，再结合坡度值，计算得到车辆速度修正参数，并据此对惯性导航得到的车辆速度进行修正。

气压计和惯性导航装置都集成在移动终端中，只要有一个移动终端就可以方便地对车辆进行准确的测速。

对GPS的信号进行判断，在有GPS信号时使用GPS信号进行测速，在没有GPS信号时使用惯性导航进行测速，同时使用气压计的测量值对惯性导航的定位结果进行修正，可以使车辆无论有无GPS信号都可以得到准确的速度。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例的车辆测速方法的流程示意图；

图2示出了本发明的一个实施例中通过卡尔曼滤波实现车辆测试修正的原理示意图；

图3示出了本发明的一个实施例中通过卡尔曼滤波实现车辆测试修正的流程示意图；

图4示出了本发明的一个实施例的车辆测速装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，发现虽然目前通过手机中的气压计测得的气压值存在较大误差，但根据气压值得到的海拔高度变化值的误差在允许范围内，通过该海拔高度变化值与坡度值能够计算得到车辆速度修正参数，从而对惯性导航得到的车辆速度进行修正。由此，提高了车辆在隧道或地下车库等没有GPS，并且有上下坡时的车辆测速的准确性。

术语

如本文所用，术语“海拔高度变化值”指车辆在行驶过程中，在预定时间内的海拔高度的差值。

如本文所用，术语“海拔高度变化率”指车辆在行驶过程中，在预定时间内产生的海拔高度变化值与预定时间的比值。

如本文所用，术语“修正参数”指本发明中用于对惯性导航得到的车辆速度进行修正的参数。

如本文所用，术语“最小二乘法”是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例：车辆测速方法1

如图1所示，在本发明的一个实施例中，车辆测速方法包含以下步骤：

在步骤110：气压计获取车辆的环境气压值，根据环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值。

在本实施例中，气压计设置在移动终端内。具体地说，手机内置的气压计传感器可以用来测量大气压强，通过大气压强和海拔高度之间的数学关系即可计算出海拔高度。虽然大气压强易受天气、温度等因素的影响而发生变化，导致计算得出的绝对海拔高度值不稳定，变化范围较大，当车辆行驶中存在上下坡时，大气压强会在短时间发生变化，而气压计测量的大气压强变化比较准确，因此在本发明中，下文中还将提到，通过气压计来判断车辆是否在上下坡。

由于气压计测量噪声较大，可对气压计原始输出进行低通滤波，然后再计算海拔高，大气压强与海拔高度关系式如下：

其中，Altitude为海拨高度，p为气压测量值，p₀为标准大气压。

通过上式可以计算得到车辆的海拔高度，然后再计算海拔高度变化率。

在步骤120：根据预定时间内车辆的海拔高度变化值，获得海拔高度变化率，并判断海拔高度变化率是否大于或等于预定阈值，如果是，表明车辆在上下坡，则执行步骤130，否则，返回步骤110。

在本实施例中，可以根据预定时间内的海拔高度值，采用最小二乘法拟合得到海拔高度变化率。具体地说，设计一个10秒长度的滑动窗口，利用最小二乘法拟合直线得到直线的斜率，该斜率就可以反应高度变化率，然后设计一个阈值来判断车辆是否有上下坡。最小二乘拟合的公式如下：

其中，xi为海拔高度，yi为时间间隔，a为直线斜率。

需要指出的是，在其他实施例中，也可以不用最小二乘，如直接用高度差除以时间差，也可以用卡曼滤波等。

在另一实施方式中，步骤120也可以省略。

在步骤130：根据海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数。

在一个优选例中，根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为预定时间。

具体地说，当车辆进入隧道内时一般都伴随着下坡，当车辆驶出隧道时一般伴随着上坡，通过气压计测量的大气压强的变化即可判断出车辆在隧道内是否在上下坡，而对于隧道的上下坡，在工程建设上都有严格的要求，根据《公路纵断面的规范要求》可以知道隧道上下坡度在3％左右，即1.8度左右。

当车辆在隧道内处于上坡时，根据气压计测量的大气压强变化，利用上式可以计算得到相对高度变化，而坡度又是已知的，因此车辆前向的速度值可以通过上述公式计算。

在另一优选例中，车辆前向速读值可以直接用V＝a/sin(θ)计算。其中a是公式1的计算结果。

同样道理，当车辆在隧道内下坡时，可以计算出车辆的前向速度。

在步骤140：根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。例如，可以通过用上述车辆速度修正参数直接替代惯性导航得到的车辆速度进行修正，也可以通过对上述车辆速度修正参数和惯性导航得到的车辆速度取平均值进行修正，还可以使用三分量法进行修正，具体地说，可以将气压计所得的速度根据惯导提供的速度方向分解成三个分量，将这三个分量分别与惯导所得的速度的三个分量进行加权平均。在其他实施例中，还可使用卡尔曼滤波进行修正。

需要指出的是，在本发明的实施方式中，需要对车辆是否处于无GPS信号的环境中进行判断，如果判定无GPS信号，则对惯性导航得到的车辆速度进行修正，如果有GPS信号，则直接使用GPS信号计算所得的速度。在本发明中，既可以在对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正的步骤之前判断车辆是否处于无GPS信号的环境中，也可以在其他时机进行判断，例如，在步骤110之前进行判断。

发明人通过测试数据处理验证了上述技术方案的性能，对VDR定位精度提升效果显著，达到了最佳的实施效果。

实施例：车辆测速方法2

在本实施例中，基本步骤与上述实施例相同，在此不做赘述，本实施例与上述实施例的区别在于：在步骤140中，采用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

下面具体说明通过卡尔曼滤波实现气压计所得的速度对惯导所得的速度的修正。参见图2和图3：

在步骤310：气压计获取车辆的环境气压值；

在步骤320：对环境气压值进行低通滤波；

在步骤330：根据环境气压值计算海拔高度；

在步骤340：通过最小二乘拟合获得海拔高度变化率；

在步骤350：根据海拔高度变化率判断车辆是否是上下坡，如果是则执行步骤360，否则返回步骤340；

在步骤360：根据海拔高度变化率以及坡度值计算车辆速度修正参数。

此后，如图2所示，将通过惯性导航得到的车辆速度提供给主卡尔曼滤波器，将车辆速度修正参数提供给子卡尔曼滤波器，根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

在本发明的一个实施例中，卡尔曼滤波主要包含以下步骤：

步骤1：给定初始的状态以及协方差矩阵；

步骤2：根据状态转移矩阵预测状态；(其中状态转移矩阵由状态误差方程得到)，

步骤3：根据状态转移矩阵预测状态的协方差矩阵；

步骤4：根据预测的协方差矩阵、状态观测矩阵、观测量(气压计计算得到的速度)、观测噪声矩阵，计算增益矩阵(其中状态观测矩阵由观测方程得到)；

步骤5：根据增益矩阵可以计算状态误差(该状态误差即为惯性导航的状态误差包括速度误差)；

步骤6：更新状态的协方差矩阵用于步骤3中。

在本实施例中，通过卡尔曼滤波预测与更新可以计算出状态误差即惯性导航的速度误差，利用计算的速度误差即可修正惯性导航速度。

进一步的说，本发明计算出的速度与惯性导航推算的速度进行卡尔曼滤波融合，可以估计得到速度误差，对惯性导航速度进行反馈修正，提高前向速度精度，进而提高纵向位置精度。

进一步说，卡尔曼滤波算法主要有状态误差方程和观测方程组成，在本发明中，卡尔曼滤波状态表示位置、速度、姿态、陀螺零偏、加速度计零偏。

实施例：车辆测速装置1

如图3所示，本发明的车辆测速装置包含：

海拔高度变化值获取模块，用于通过气压计获取车辆的环境气压值，根据环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；

车辆速度修正值获取模块，用于根据海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；

修正模块，用于根据车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

另外，前述的实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与前述的实施方式互相配合实施。前述的实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在前述的实施方式中。

实施例：车辆测速装置2

本实施例与上述实施例基本相同，不做赘述，区别之处在于：修正模块使用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

车辆速度修正值获取模块根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为预定时间。

同样，上述实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

本发明的主要优点包括：

1)通过对气压值的利用，提升了VDR在隧道内的定位精度，并且能够通过手机，以简单的算法实现；

2)可以测量无gps信号环境下车辆上下坡的速度；

3)可以推广至无gps信号环境下物体存在上下运动时的速度；

4)发明中的上下坡判断可以用来识别上下高架。

综上，本发明提供的车辆测速方法和装置，显著提高了车辆在隧道内、车库内等上下坡的测速准确度和定位精度。在车辆测速领域有十分广阔的应用前景。

测试例

经过实验结果验证，当卫星信号中断60秒，本发明可以将VDR位置误差从87米降低到28米，提高幅度达到68％，具有显著的技术效果。上述测试例结果表明，采用本发明的车辆测速方法和装置，由于采用了气压信息对惯性导航的车辆速度进行修正，显著提高了测速准确度和定位精度。

需要说明的是，在本专利的权利要求书和说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的权利要求书和说明书中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种车辆测速方法，其特征在于，包含以下步骤：

气压计获取车辆的环境气压值，根据所述环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；

根据所述海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；

根据所述车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正；其中，

所述计算车辆速度修正参数的步骤进一步包括：

根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是所述预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为所述预定时间。

2.如权利要求1所述的车辆测速方法，其特征在于，所述气压计设置在移动终端内。

3.如权利要求1所述的车辆测速方法，其特征在于，在所述计算车辆速度修正参数的步骤之前，还包含以下步骤：

根据预定时间内车辆的海拔高度变化值，获得海拔高度变化率，如果所述海拔高度变化率大于或等于预定阈值，则计算车辆速度修正参数。

4.如权利要求3所述的车辆测速方法，其特征在于，所述获得海拔高度变化率的步骤包含：

根据预定时间内的所述海拔高度值，采用最小二乘法拟合得到海拔高度变化率。

5.如权利要求1所述的车辆测速方法，其特征在于，在所述对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正的步骤之前，还包含以下步骤：

判断所述车辆是否处于无GPS信号的环境中，如果是，则对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

6.如权利要求1所述的车辆测速方法，其特征在于，所述对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正的步骤中，使用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

7.一种车辆测速装置，其特征在于，包含：

海拔高度变化值获取模块，用于通过气压计获取车辆的环境气压值，根据所述环境气压值计算车辆的海拔高度，计算预定时间内车辆的海拔高度变化值；

车辆速度修正值获取模块，用于根据所述海拔高度变化值和预先设定的坡度值，计算车辆速度修正参数；

修正模块，用于根据所述车辆速度修正参数，对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正；其中，

所述车辆速度修正值获取模块根据以下公式计算车辆速度修正参数：

其中，V是车辆速度修正参数，Δh是所述预定时间内车辆的海拔高度变化值，θ为坡度值，Δt为所述预定时间。

8.如权利要求7所述的车辆测速装置，其特征在于，所述修正模块使用卡尔曼滤波对通过惯性导航得到的车辆速度进行修正。

Images