CN107505639A - 基于陀螺仪的弯道行驶过程中gps抓包时间间隔确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法，通过获取陀螺仪参数和变化矩阵计算得出弯道行驶中车辆初始位置总角速度；通过重启陀螺仪设备对获取的陀螺仪参数数据进行误差消除，重新得到初始位置的水平方向角速度；通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正；通过实车实验和正态分布计算得出车辆转弯时急转弯角速度的临界值，并对角速度数据进行统计比较；通过对GPS抓包时间间隔和急转弯数据之间的误差度分析得出在不同的角速度情况下GPS最小误差的抓包时间间隔。本发明能够提醒用户在行车的过程中及时减速，确保弯道中行车安全，同时能够使手机APP获取定位数据更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种GPS抓包时间的确定方法，特别是涉及一种基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法。
背景技术
随着现代社会快速发展，道路上车辆越来越多，同时对车辆的定位和人性化安全驾驶要求也越来越高，车辆在正常行驶中，有时会进行急转弯，也会连接gps卫星进行定位导航。当车辆在急转弯时，我们可以人性化的提示用户减速，告知用户正在进行急转弯。目前现实市场上gps定位抓包时间为5s获取一次车辆位置信息。车辆匀速直行的时候，绘制出来的行走路线与实际一般较为相近。在匀速转弯时候，半径比较大的弯道，绘制出来的行走路线与实际相差不大。但是，若转弯半径过小，绘制出来的行走路线与实际相差较大，出现回执路线不准确情况，如图2所示。在图2中，每个点是车辆每间隔5s获取的位置，实线为实际路径，虚线为绘制路径。可见AB(直线)、BC(大半径转弯)、CD(小半径转弯)三种情况下，AB、BC段基本没有误差，CD段绘制路径和实际路径严重不符。
所以，实际中车辆需要在转弯时候，需要获取gps定位的速度间隔小一点，获取的点多一点，进行弯道补偿，使得车辆gps定位的点能够绘制出正确的路径。因此，研究一种方法来确定弯道行驶过程中GPS最佳抓包时间间隔就变得尤为意义重大了。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法，基于该方法能够提醒用户在行车的过程中及时减速，确保安全，同时能够使手机APP获取定位数据更加精确。
为实现上述目的，本发明提供了基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法，所述GPS抓包时间间隔确定方法包括如下步骤：
步骤S101，通过获取陀螺仪参数和变化矩阵计算得出弯道行驶中车辆初始位置总角速度；
步骤S102，通过重启陀螺仪设备对获取的陀螺仪参数数据进行误差消除，重新得到初始位置的水平方向角速度；
步骤S103，通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正；
步骤S104，通过实车实验和正态分布计算得出车辆转弯时急转弯角速度的临界值，并对角速度数据进行统计比较；
步骤S105，通过对GPS抓包时间间隔和急转弯数据之间的误差度分析得出在不同的角速度情况下GPS最小误差的抓包时间间隔。
优选地，在步骤S101中，车辆初始位置角速度的获取步骤如下：
通过陀螺仪获取到车辆在XYZ三轴的瞬时角速度矢量，分别记为ωx1、ωy1、ωz1，则水平方向总角速度ω1以公式ω1＝ωx1+ωy1+ωz1计算获得，其中：
ωx1为当前位置S1车辆在X轴的瞬时角速度矢量，
ωy1为当前位置S1车辆在Y轴的瞬时角速度矢量，
ωz1为当前位置S1车辆在Z轴的瞬时角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量；
通过获得车辆初始位置S0到当前位置S1，车辆在自身坐标系下总角速度矢量通过坐标变换转换到初始位置时候的总角速度矢量，以公式ω0*R＝ω1计算获得，其中：
ω0为初始位置S0总角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量，
R为S0位置到S1位置的矢量转换坐标系的变换矩阵。
优选地，步骤S102中误差消除的方法包括：
初始位置S0总角速度矢量通过矢量转换坐标系的变换矩阵R转换公式获得初始位置水平方向总角速度矢量ω’，所述转换公式为：ω’*R＝ω0，ω’＝ω0*RT，R为矢量转换坐标系的变换矩阵。
优选地，所述矢量转换坐标系的变换矩阵R的转换过程包括：
车辆在任意初始位置时，车辆自身坐标系(B系)与世界坐标系(W系)XYZ三轴之间有欧拉角夹角(ψ，θ，φ)，根据航空次序欧拉角Z-Y-X的旋转顺序，得到世界坐标系(W系)：
其中，rB为车辆自身坐标系(B系)下的矢量
rW为世界坐标系(W系)下的矢量：
为欧拉角形式的方向余弦矩阵：
通过转换公式其中获得车辆自身坐标系(B系)矢量在世界坐标系(W系)里与之相对应的矢量。
优选地，在所述步骤S103中，通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正的步骤包括：
将ω’在Z轴上边投影获得车辆在初始位置水平修正后绕Z轴旋转的角速度矢量ω’z，所述角速度矢量ω’z即是车辆此时的水平转弯角速度ω，其中，ω’为初始位置水平方向总角速度矢量。
优选地，在步骤S104中，车辆转弯时急转弯角速度的临界值为0.4，若车辆行驶中连续3组水平转弯角速度值大于0.4，且车辆速度同时大于30km/h，则判断为车辆正在进行急转弯。
优选地，在步骤S105中，误差度、角速度、GPS抓包时间间隔的分析通过如下表格进行：
其中，ω为车辆转弯水平角速度。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明通过获取陀螺仪的角速度数据，变换矩阵，通过矩阵运算，向量分解，坐标系换算，统计正态分布，计算出急转弯角速度的临界值，同时根据急转弯角速度的临界值和误差度计算出最合适的GPS抓包时间。本发明充分利用了智能手机陀螺仪加速计原理，能够提醒用户在行车的过程中及时减速，确保弯道中行车安全，同时能够使手机APP获取定位数据更加精确。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法流程图；
图2为车辆弯道行驶路径示意图；
图3为包含陀螺仪的智能手机陀螺仪矢量坐标示意图；
图4为车辆自身坐标系(B系)与世界坐标系(W系)XYZ三轴关系示意图；
图5为实车弯道行驶实验数据表格统计图；
图6为实车弯道行驶实验数据直方图与正态分布图；
图7为以角速度确定急转弯流程示意图；
图8车辆GPS定位弯道补偿分析示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法，如图1、图3～图7所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。具体地，所述GPS抓包时间间隔确定方法包括如下步骤：
步骤S101，通过获取陀螺仪参数和变化矩阵计算得出弯道行驶中车辆初始位置总角速度。
步骤S102，通过重启陀螺仪设备对获取的陀螺仪参数数据进行误差消除，重新得到初始位置的水平方向角速度。
步骤S103，通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正。
步骤S104，通过实车实验和正态分布计算得出车辆转弯时急转弯角速度的临界值，并对角速度数据进行统计比较。
步骤S105，通过对GPS抓包时间间隔和急转弯数据之间的误差度分析得出在不同的角速度情况下GPS最小误差的抓包时间间隔。
车辆正常行驶情况下，将手机固定在汽车内，假设T0时刻在初始位置S0，T1时刻运动到S1位置。在S1位置，假设车头位置为手机顶端，车顶位置为手机显示屏，则车辆的坐标系如图3所示。此时可以获取到车辆在XYZ三轴的瞬时角速度矢量，分别记为ωx1ωy1ωz1。
优选地，在步骤S101中，车辆初始位置角速度的获取步骤如下：
通过陀螺仪获取到车辆在XYZ三轴的瞬时角速度矢量，分别记为ωx1、ωy1、ωz1，则水平方向总角速度ω1以公式ω1＝ωx1+ωy1+ωz1计算获得，其中：
ωx1为当前位置S1车辆在X轴的瞬时角速度矢量，
ωy1为当前位置S1车辆在Y轴的瞬时角速度矢量，
ωz1为当前位置S1车辆在Z轴的瞬时角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量；
通过获得车辆初始位置S0到当前位置S1，车辆在自身坐标系下总角速度矢量通过坐标变换转换到初始位置时候的总角速度矢量，以公式ω0*R＝ω1计算获得，其中：
ω0为初始位置S0总角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量，
R为S0位置到S1位置的矢量转换坐标系的变换矩阵。
由上述公式可以计算获得，任意时刻车辆在自身坐标系下总角速度矢量通过坐标变换转换到初始位置时候的总角速度矢量值。
由于本发明均是利用矩阵和向量的计算，在车辆行驶速度速度比较快时，用陀螺仪获取数据有一定的误差积累。所以，在车辆直行的时候，每间隔3秒钟重新给陀螺仪赋入实时位置作为新的初始位置，转弯情况下不作处理，直至车辆开始直行，以减小因为长时间车辆定位不准造成的误差积累。
为了便于阐述本发明的坐标变换，假设车辆自身坐标系(B系)与世界坐标系(W系)如图4所示。车辆在任意初始位置时，车辆自身坐标系(B系)与世界坐标系(W系)XYZ三轴之间有夹角(roll，pitch，yaw)，即为欧拉角。根据航空次序欧拉角Z-Y-X的旋转顺序，可以分析还原：一开始，B系和W系相重合，然后B系先绕ZB轴旋转一个角度φ(yaw)，然后绕YB轴旋转一个角度θ(pitch)，然后绕XB轴旋转一个角度ψ(roll),得到了B系。
经过转动,世界坐标系(W系)下的一个矢量rW＝(xW,yW,zW)与其对应的车辆自身坐标系(B系)下的矢量rB＝(xB,yB,zB)之间的关系可以表示为：
上述公式过于繁杂，可以简写为：
其中，rB为车辆自身坐标系(B系)下的矢量
rW为世界坐标系(W系)下的矢量：
为欧拉角形式的方向余弦矩阵，也为从W系到B系的变换矩阵：
通过转换公式其中获得车辆自身坐标系(B系)矢量在世界坐标系(W系)里与之相对应的矢量。基于上述转换方式，也就可以由ω0求出在此位置车辆水平放置时候的总的角速度矢量ω’。
优选地，步骤S102中误差消除的方法包括：
初始位置S0总角速度矢量通过矢量转换坐标系的变换矩阵R转换公式获得初始位置水平方向总角速度矢量ω’，所述转换公式为：ω’*R＝ω0，ω’＝ω0*RT，R为矢量转换坐标系的变换矩阵。此时，坐标转换后陀螺仪即为附图3所示相同，车头随影手机顶端，车顶对应智能手机屏幕。
进一步，在所述步骤S103中，由于坐标变换，需要通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正，其水平修正步骤包括：
将ω’在Z轴上边投影获得车辆在初始位置水平修正后绕Z轴旋转的角速度矢量ω’z，所述角速度矢量ω’z即是车辆此时的水平转弯角速度ω，其中，ω’为初始位置水平方向总角速度矢量。
车辆行驶中，任意时刻的车辆所处位置不同，坐标系不同，角速度无法比较。通过上述坐标系转换和水平修正后，换算出来车辆初始位置水平修正后的坐标系下，每一个瞬时的角速度，所有的值都在同一个坐标系下，可以进行比较大小，便于观测出车辆行驶中的数据变化。
经过实车测试，共计收集257组数据，具体数据结果如下：
通过对原始数据进行处理，得到附图5的实车弯道行驶实验数据表格统计图，以及附图6的实车弯道行驶实验数据直方图与正态分布图。通过分析数据、直方图及正态分布图分析后，可以知晓，角速度大于0.4的比例为15.4％，因此可以设定为角速度的临界值。
所以，如图7所示，当且仅当至少连续3组角速度数据大于0.4的时候，即车辆连续0.6s内都大于0.4，车辆行驶过程中，车速如果小于30km/h，则判断为低速行驶，此时不存在急转弯情况。若车辆行驶中连续3组水平转弯角速度值大于0.4，且车辆速度同时大于30km/h，则判断为车辆正在进行急转弯。
由以上分析可以得出，由实车测试中得出，车辆行驶过程中，连续3组角速度值大于0.4，即连续0.6秒车辆角速度大于0.4，此时，若车辆速度同时大于30km/h，则可以判断为车辆正在进行急转弯。
由于车辆行驶中，N时间段内抓包一次，车辆定位一次，若车辆绕着一个圆行驶，则定位的点连线为正多边形。用正多边形来绘制圆，边的数量越趋近于无限大，绘制结果越精确。将正多边形的一条边和与其对应的圆弧单独列取出来，得到图8：
其中，正多边形绘制出来的图形和外接圆最大误差：△r；圆半径：r；正多边形对应夹角：2θ。
得到，误差度△：△r/r＝(r-r*cosθ)/r＝1-cos，
简化为，误差度：△＝1-cosθ。
为了使得误差度△足够小，则θ应该趋近于0。实际应用中，θ不可能无限小，则必然会保留一定的误差。本发明在此处分情况配置误差度△为1‰，3‰，5‰。
当误差度△＝1‰时，根据△＝1-cosθ可以得出θ＝2.56°，则2θ＝5.12°，对应的正多边形每个边所对应夹角2θ＝5.12°，优化取值为5°。即每转弯5°，即π/36弧度。GPS定位一次，绘制出路径的误差为1‰。
此时GPS周期T定位一次，T＝(π/36)/|ω’z|。
当T变化值分别设置为：2，1，0.5，0.2，对应的|ω’z|值为：0.0436，0.0873，0.1745，0.4363，修正|ω’z|值为：0.04，0.08，0.17，0.4，则有：
0<＝|ω’z|<0.04，T＝5s；
0.04<＝|ω’z|<0.08，T＝2s；
0.08<＝|ω’z|<0.17，T＝1s；
0.17<＝|ω’z|<0.4，T＝0.5s；
0.4<＝|ω’z|，T＝0.2s。
当误差度△＝3‰时，根据△＝1-cosθ可以得出θ＝4.44°，则2θ＝8.88°，对应的正多边形每个边所对应夹角2θ＝8.88°，优化取值为9°。即每转弯9°，即π/20弧度。GPS定位一次，绘制出路径的误差为3‰。
此时GPS周期T定位一次，T＝(π/20)/|ω’z|。
当T变化值分别设置为：2，1，0.5，0.2，对应的|ω’z|值为：0.0785，0.1571，0.3142，0.7854，修正|ω’z|值为：0.08，0.16，0.31，0.79，则有：
0<＝|ω’z|<0.08，T＝5s；
0.08<＝|ω’z|<0.16，T＝2s；
0.16<＝|ω’z|<0.31，T＝1s；
0.31<＝|ω’z|<0.79，T＝0.5s；
0.79<＝|ω’z|，T＝0.2s。
当误差度△＝5‰时，根据△＝1-cosθ可以得出θ＝5.73°，则2θ＝11.46°，对应的正多边形每个边所对应夹角2θ＝11.46°，优化取值为12°。即每转弯12°，即π/20弧度。GPS定位一次，绘制出路径的误差为5‰。
此时GPS周期T定位一次，T＝(π/15)/|ω’z|。
当T变化值分别设置为：2，1，0.5，0.2，对应的|ω’z|值为：0.1047，0.2094，0.4189，1.0471，修正|ω’z|值为：0.10，0.21，0.42，1.05，则有：
0<＝|ω’z|<0.10，T＝5s；
0.10<＝|ω’z|<0.21，T＝2s；
0.21<＝|ω’z|<0.42，T＝1s；
0.42<＝|ω’z|<1.05，T＝0.5s；
1.05<＝|ω’z|，T＝0.2s。
此时可以根据误差度和角速度计算确定GPS的最佳抓包时间，优选地，误差度、角速度、GPS抓包时间间隔的分析通过如下表格进行：
其中，ω为车辆转弯水平角速度。
本发明的技术原理如下：
本发明通过获取陀螺仪参数数据和变化矩阵计算得出车辆初始位置水平方向角速度，在获取陀螺仪数据的过程中因为有误差因素，要进行误差消除，通过重启陀螺仪设备，重新获取初始位置的角速度来消除误差确保数据的精准性。通过空间几何坐标系的运算来对车辆初始位置转弯角速度进行水平修正，从而能对角速度数据进行统计比较。
同时经过成千上万次的实车实验和正态分布计算得出车辆转弯时急转弯角速度的临界值，从而能提醒用户适当减速转弯。通过对GPS抓包时间间隔和急转弯数据之间的误差度分析，得出在不同的角速度情况下，GPS定位系统最小误差的抓包时间，从而使定位绘图更加精确。
本发明通过获取陀螺仪的角速度数据，变换矩阵，通过矩阵运算，向量分解，坐标系换算，统计正态分布，计算出急转弯角速度的临界值，同时根据急转弯角速度的临界值和误差度计算出最合适的GPS抓包时间。本发明充分利用了智能手机陀螺仪加速计原理，能够提醒用户在行车的过程中及时减速，确保弯道中行车安全，同时能够使手机APP获取定位数据更加精确。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.基于陀螺仪的弯道行驶过程中GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：所述GPS抓包时间间隔确定方法包括如下步骤：
步骤S101，通过获取陀螺仪参数和变化矩阵计算得出弯道行驶中车辆初始位置总角速度；
步骤S102，通过重启陀螺仪设备对获取的陀螺仪参数数据进行误差消除，重新得到初始位置的水平方向角速度；
步骤S103，通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正；
步骤S104，通过实车实验和正态分布计算得出车辆转弯时急转弯角速度的临界值，并对角速度数据进行统计比较；
步骤S105，通过对GPS抓包时间间隔和急转弯数据之间的误差度分析得出在不同的角速度情况下GPS最小误差的抓包时间间隔。
2.根据权利要求1所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：在步骤S101中，车辆初始位置角速度的获取步骤如下：
通过陀螺仪获取到车辆在XYZ三轴的瞬时角速度矢量，分别记为ωx1、ωy1、ωz1，则水平方向总角速度ω1以公式ω1＝ωx1+ωy1+ωz1计算获得，其中：
ωx1为当前位置S1车辆在X轴的瞬时角速度矢量，
ωy1为当前位置S1车辆在Y轴的瞬时角速度矢量，
ωz1为当前位置S1车辆在Z轴的瞬时角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量；
通过获得车辆初始位置S0到当前位置S1，车辆在自身坐标系下总角速度矢量通过坐标变换转换到初始位置时候的总角速度矢量，以公式ω0*R＝ω1计算获得，其中：
ω0为初始位置S0总角速度矢量，
ω1为当前位置S1总角速度矢量，
R为S0位置到S1位置的矢量转换坐标系的变换矩阵。
3.根据权利要求2所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：步骤S102中误差消除的方法包括：
初始位置S0总角速度矢量通过矢量转换坐标系的变换矩阵R转换公式获得初始位置水平方向总角速度矢量ω’，所述转换公式为：ω’＊R＝ω0，ω’＝ω0＊RT，R为矢量转换坐标系的变换矩阵。
4.根据权利要求3所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：所述矢量转换坐标系的变换矩阵R的转换过程包括：
车辆在任意初始位置时，车辆自身坐标系(B系)与世界坐标系(W系)XYZ三轴之间有欧拉角夹角(ψ，θ，φ)，根据航空次序欧拉角Z-Y-X的旋转顺序，得到世界坐标系(W系)：其中，rB为车辆自身坐标系(B系)下的矢量
rW为世界坐标系(W系)下的矢量：
为欧拉角形式的方向余弦矩阵：
通过转换公式其中获得车辆自身坐标系(B系)矢量在世界坐标系(W系)里与之相对应的矢量。
5.根据权利要求2所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：在所述步骤S103中，通过空间几何坐标系的运算对弯道行驶中车辆初始位置转弯角速度进行水平修正的步骤包括：
将ω’在Z轴上边投影获得车辆在初始位置水平修正后绕Z轴旋转的角速度矢量ω’z，所述角速度矢量ω’z即是车辆此时的水平转弯角速度ω，其中，ω’为初始位置水平方向总角速度矢量。
6.根据权利要求5所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：在步骤S104中，车辆转弯时急转弯角速度的临界值为0.4，若车辆行驶中连续3组水平转弯角速度值大于0.4，且车辆速度同时大于30km/h，则判断为车辆正在进行急转弯。
7.根据权利要求5所述的GPS抓包时间间隔确定方法，其特征在于：在步骤S105中，误差度、角速度、GPS抓包时间间隔的分析通过如下表格进行：
其中，ω为车辆转弯水平角速度。
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| CN110316201A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 中科院微电子研究所昆山分所 | 一种急转弯识别方法、装置、系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107505639B (zh) | 2019-11-12 |
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