CN108051839B - 一种车载三维定位装置及三维定位的方法 - Google Patents

一种车载三维定位装置及三维定位的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种车载三维定位装置，包括：卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，气压高度计，处理器；卫星定位模块接收卫星导航信号；无线通信模块连接云端服务器；车载诊断系统包括车辆里程计；惯性传感器包括陀螺和加速度计；卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计均与处理器电性连接。本发明还公开一种三维定位方法，包括：对车载三维定位装置进行标定；确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置和高度信息；将水平二维位置和高度信息发送给云端服务器。本发明提供的技术方案能够对车辆进行三维定位，提高导航精度；并且在没有卫星信号的情况下，也能对车辆进行精确地导航。

Description

一种车载三维定位装置及三维定位的方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种车载三维定位装置及三维定位的方法。
背景技术
目前，车载导航技术发展迅猛，惯性导航、卫星导航、特征匹配导航(如地磁匹配、重力匹配、图像匹配等)、多传感器组合导航等诸多技术都已用于车辆的精准定位，然而，高精度的导航技术往往依赖于昂贵的仪器、复杂的计算和特定的条件，这极大地制约了其在车载导航中的应用。随着卫星导航定位系统的日渐成熟和车辆导航系统向小型化不断发展的趋势，以及惯性传感器的快速发展和应用，利用低成本的传感器进行卫星/微惯性/里程计组合导航为车载导航技术提供了新的发展方向。
在众多基于低成本传感器的车载导航方法中，应用较为广泛的是GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)/INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)/里程计二维的航位推算方法，其通过当前时刻车辆的位置、速度和航向信息推算出未来时刻车辆的位置。该方法虽然实现简单，但其不能得到车辆所有的位置(如精确的高度信息)和姿态(如俯仰角、滚动角等)信息，不利于车辆的精准导航。而在许多的应用场景，如高架桥，地下停车场等，迫切的需要精确测量车辆的高度信息和姿态信息，以进行更加精准的导航。
发明内容
本发明旨在提供一种车载三维定位装置及三维定位的方法，能够对车辆进行三维定位，提高导航精度；并且在没有卫星信号的情况下，也能对车辆进行精确地导航。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种车载三维定位装置，包括：卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，高度计，处理器；所述卫星定位模块接收卫星导航信号；所述无线通信模块连接云端服务器；所述车载诊断系统包括车辆里程计；所述惯性传感器包括陀螺和加速度计；所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和高度计均与所述处理器电性连接。
优选地，所述卫星定位模块为GNSS接收机；所述无线通信模块为2G和/或3G和/或4G和/或WIFI和/或NB-IOT模块；所述惯性传感器为六轴惯性传感器，所述六轴惯性传感器包括：三轴陀螺和三轴加速度计；所述高度计为气压高度计。
进一步地，所述处理器包括：标定单元，采集单元，计算单元；所述采集单元接收所述卫星定位模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计的输出数据；所述标定单元和计算单元均接收所述采集单元的数据；所述计算单元还接收所述标定单元的数据；所述计算单元的输出端连接所述无线通信模块。
优选地，所述处理器为组合导航信息处理器，所述组合导航信息处理器为微处理器。
一种根据所述车载三维定位装置实现三维定位的方法，包括：对所述车载三维定位装置进行标定，所述标定包括计算所述车载三维定位装置相对于车体的安装角偏差，所述安装角偏差包括水平安装角偏差和方位安装角偏差；确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置；确定标定后的车载三维定位装置的高度信息；将所述水平二维位置和所述高度信息发送给预设的云端服务器。
优选地，所述计算所述车载三维定位装置相对于车体的安装角偏差的方法包括：在所述车体处于水平静止的状态下，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值as：
Figure BDA0001447767110000031
其中，s表示车载三维定位装置的传感器坐标系，
Figure BDA0001447767110000032
分别为传感器坐标系中x,y,z方向的加速度值；根据所述加速度计的输出值计算所述车载三维定位装置相对于所述车体的水平安装角偏差：
Figure BDA0001447767110000033
Figure BDA0001447767110000041
其中，θroll_error为滚动角偏差，θpitch_error为俯仰角偏差；在所述车体向前加速运动的状态下，假设所述方位安装角偏差为零，根据所述水平安装角偏差得到所述车载三维定位装置相对于所述车体的姿态矩阵；在所述车体向前加速运动的状态下，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值，称为第二加速度计输出值；根据所述姿态矩阵将所述第二加速度计输出值转换到车体坐标系：
Figure BDA0001447767110000042
其中，b表示车载三维定位装置的车体坐标系，
Figure BDA0001447767110000043
分别为车体坐标系中x,y,z方向的加速度值；根据所述车体坐标系中x,y,z方向的加速度值计算所述方位安装角偏差θyaw_error：
Figure BDA0001447767110000044
优选地，所述确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置的方法包括：获取所述车体在车体坐标系中的加速度；获取所述车体的姿态信息；当所述车载三维定位装置能够接收卫星信号时，根据所述卫星信号、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置；当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，获取所述车体的里程数，根据所述车体的里程数、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置。
优选地，所述确定标定后的车载三维定位装置的高度信息的方法包括：获取所述车载三维定位装置中气压高度计的输出值，称为第一高度值；当所述车载三维定位装置能够接收卫星信号时，获取卫星信号的高度测量值，称为第二高度值；用所述第一高度值平滑所述第二高度值，得到有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，用所述第一高度值的变化量加上所述有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息，得到无卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；所述第一高度值的变化量为当前时刻相对于卫星失锁时刻第一高度值的变化量。
本发明实施例提供的车载三维定位装置及三维定位的方法，设置了卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，气压高度计和处理器，所述卫星定位模块接收卫星导航信号，所述无线通信模块连接云端服务器，所述车载诊断系统包括车辆里程计，所述惯性传感器包括陀螺和加速度计，所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计均与所述处理器电性连接，并且，将本装置安装到车体上时，不仅能定位车体的二维水平位置，还能通过气压高度计来获取车体的相对高度信息；并且当接收不到卫星信号时，通过惯性传感器获取车体的加速度和姿态信息，通过车辆里程计获取车体的里程数和速度信息，进而推算出车体在下一时刻的二维水平位置，因此，本发明提供的技术方案不仅能够对车辆进行三维定位，提高导航精度；而且在没有卫星信号的情况下，也能对车辆进行精确地导航。
附图说明
图1为本发明车载三维定位装置的系统原理框图；
图2为本发明三维定位的方法流程图；
图3为本发明实施例中车体和车载三维定位装置的相对位置示意图；
图3中，1为车体，2为车载三维定位装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
图1为本发明车载三维定位装置的系统原理框图，包括：卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，高度计，处理器；所述卫星定位模块接收卫星导航信号；所述无线通信模块连接云端服务器；所述车载诊断系统包括车辆里程计；所述惯性传感器包括陀螺和加速度计；所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和高度计均与所述处理器电性连接；所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器、高度计和处理器均封装在一个封闭的壳体内。
本实施例中，所述卫星定位模块为GNSS(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)接收机；所述无线通信模块为2G和/或3G和/或4G和/或WIFI和/或NB-IOT模块；所述惯性传感器为六轴惯性传感器，所述六轴惯性传感器包括：三轴陀螺和三轴加速度计；所述高度计为气压高度计，气压高度计对于高度的测量比其它高度计更加准确。
本实施例中，所述处理器包括：标定单元，采集单元，计算单元；所述采集单元接收所述卫星定位模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计的输出数据；所述标定单元和计算单元均接收所述采集单元的数据；所述计算单元还接收所述标定单元的数据；所述计算单元的输出端连接所述无线通信模块。具体地，所述处理器为组合导航信息处理器，所述组合导航信息处理器为微处理器。
本实施例中，所述车载诊断系统通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线与微处理器连接；所述惯性传感器通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)或者I2C总线与微处理器连接；所述气压高度计通过I2C总线与微处理器连接。
图2为本发明三维定位的方法流程图，具体步骤包括：
步骤101，将所述车载三维定位装置安装于车体上；
步骤102，对所述车载三维定位装置进行标定，三维定位装置的标定是将惯性传感器测得的数据从传感器坐标系转换到车体坐标系。在实际操作中，通过使车体静止和前向加速运动的方式来实现。所述标定包括计算所述车载三维定位装置相对于所述车体的安装角偏差，所述安装角偏差包括水平安装角偏差和方位安装角偏差，具体步骤包括：
步骤一：在所述车体处于水平静止的状态下，利用重力分量确定三维定位装置的水平安装角偏差。当车体水平静止时，车体的俯仰角和滚动角近似为零，将三维定位装置任意安装，假设车体和三维定位装置的相对位置如图3所示，此时，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值as：
Figure BDA0001447767110000081
其中，s表示车载三维定位装置的传感器坐标系，
Figure BDA0001447767110000082
分别为传感器坐标系中x,y,z方向的加速度值。
若三维定位装置水平放置于车体上，则加速度计x轴和z轴的输出为零，此时根据所述加速度计的输出值计算所述车载三维定位装置相对于所述车体的水平安装角偏差。以三维定位装置坐标轴逆时针转动到车体坐标轴为正方向，以下公式中的负号用于定义偏差角的方向：
Figure BDA0001447767110000083
其中，θroll_error为滚动角偏差，θpitch_error为俯仰角偏差。
步骤二：在所述车体向前加速运动的状态下，利用车体加速度确定三维定位装置的方位安装角偏差。具体地，假设所述方位安装角偏差为零，根据已得到的水平安装角偏差得到所述车载三维定位装置相对于所述车体的姿态矩阵；在所述车体向前加速运动的状态下，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值，称为第二加速度计输出值；根据所述姿态矩阵将所述第二加速度计输出值转换到车体坐标系：
Figure BDA0001447767110000091
其中，b表示车载三维定位装置的车体坐标系，
Figure BDA0001447767110000092
分别为车体坐标系中x,y,z方向的加速度值；
根据所述车体坐标系中x,y,z方向的加速度值计算所述方位安装角偏差θyaw_error，公式中的负号用于定义误差角的方向：
Figure BDA0001447767110000093
步骤103，确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置。由于选用的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)器件的精度较低，误差随时间积累较快，因而还不足以独立作为车辆航位推算设备。GNSS定位精度高且不随时间发散，但其动态可靠性差。将二者相组合，既能显著提高MEMS的精度，又能克服GNSS易受干扰的问题，从而提高整个航位推算系统的精度和可靠性，同时在卫星不可用的情况下，使用汽车OBD(On-Board Diagnostic，车载诊断系统)的提供的里程计数据。
具体方法包括：获取所述车体在车体坐标系中的加速度；获取所述车体的姿态信息；当所述车载三维定位装置在开阔地带能够接收卫星信号时，根据所述卫星信号、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置，即系统工作在GNSS/INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)航位推算模式；当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，或卫星信号被遮挡时，获取所述车体的里程数，根据所述车体的里程数、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置，即系统工作在INS/ODO航位推算模式。
步骤104，确定标定后的车载三维定位装置的高度信息；
具体方法包括：获取所述车载三维定位装置中气压高度计的输出值，称为第一高度值；当所述车载三维定位装置能够接收卫星信号时，获取卫星信号的高度测量值，称为第二高度值；用所述第一高度值平滑所述第二高度值，得到有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，用所述第一高度值的变化量加上所述有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息，得到无卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；所述第一高度值的变化量为当前时刻相对于卫星失锁时刻第一高度值的变化量。
步骤105，将所述水平二维位置和所述高度信息发送给预设的云端服务器。
本发明实施例提供的车载三维定位装置及三维定位的方法，设置了卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，气压高度计和处理器，所述卫星定位模块接收卫星导航信号，所述无线通信模块连接云端服务器，所述车载诊断系统包括车辆里程计，所述惯性传感器包括陀螺和加速度计，所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计均与所述处理器电性连接，将本装置安装到车体上时，不仅能定位车体的二维水平位置，还能通过气压高度计来获取车体的相对高度信息；并且当接收不到卫星信号时，通过惯性传感器获取车体的加速度和姿态信息，通过车辆里程计获取车体的里程数和速度信息，进而推算出车体在下一时刻的二维水平位置，因此，本发明提供的技术方案不仅能够对车辆进行三维定位，提高导航精度；而且在没有卫星信号的情况下，也能对车辆进行精确地导航。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用车载三维定位装置实现三维定位的方法，其特征在于，所述车载三维定位装置包括：卫星定位模块，无线通信模块，车载诊断系统，惯性传感器，高度计，处理器；所述卫星定位模块接收卫星导航信号；所述无线通信模块连接云端服务器；所述车载诊断系统包括车辆里程计；所述惯性传感器包括陀螺和加速度计；所述卫星定位模块、无线通信模块、车载诊断系统、惯性传感器和高度计均与所述处理器电性连接；
所述卫星定位模块为GNSS接收机；所述无线通信模块为2G和/或3G和/或4G和/或WIFI和/或NB-IOT模块；所述惯性传感器为六轴惯性传感器，所述六轴惯性传感器包括：三轴陀螺和三轴加速度计；所述高度计为气压高度计；
所述处理器包括：标定单元，采集单元，计算单元；所述采集单元接收所述卫星定位模块、车载诊断系统、惯性传感器和气压高度计的输出数据；所述标定单元和计算单元均接收所述采集单元的数据；所述计算单元还接收所述标定单元的数据；所述计算单元的输出端连接所述无线通信模块；
所述处理器为组合导航信息处理器，所述组合导航信息处理器为微处理器；
所述的利用车载三维定位装置实现三维定位的方法，包括：
对所述车载三维定位装置进行标定，所述标定包括计算所述车载三维定位装置相对于车体的安装角偏差，所述安装角偏差包括水平安装角偏差和方位安装角偏差；
所述计算所述车载三维定位装置相对于车体的安装角偏差的方法包括：
在所述车体处于水平静止的状态下，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值as：
Figure FDA0003280701470000021
其中，s表示车载三维定位装置的传感器坐标系，
Figure FDA0003280701470000022
分别为传感器坐标系中x,y,z方向的加速度值；
根据所述加速度计的输出值计算所述车载三维定位装置相对于车体的水平安装角偏差：
Figure FDA0003280701470000023
其中，θroll_error为滚动角偏差，θpitch_error为俯仰角偏差；
在所述车体向前加速运动的状态下，假设所述方位安装角偏差为零，根据所述水平安装角偏差得到所述车载三维定位装置相对于所述车体的姿态矩阵；
在所述车体向前加速运动的状态下，获取所述车载三维定位装置中加速度计的输出值，称为第二加速度计输出值；
根据所述姿态矩阵将所述第二加速度计输出值转换到车体坐标系：
Figure FDA0003280701470000031
其中，b表示车载三维定位装置的车体坐标系，
Figure FDA0003280701470000032
分别为车体坐标系中x,y,z方向的加速度值；
根据所述车体坐标系中x,y,z方向的加速度值计算所述方位安装角偏差θyaw_error：
Figure FDA0003280701470000033
确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置；
确定标定后的车载三维定位装置的高度信息；
将所述水平二维位置和所述高度信息发送给预设的云端服务器；
所述确定标定后的车载三维定位装置的高度信息的方法包括：
获取所述车载三维定位装置中气压高度计的输出值，称为第一高度值；
当所述车载三维定位装置能够接收卫星信号时，获取卫星信号的高度测量值，称为第二高度值；用所述第一高度值平滑所述第二高度值，得到有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；
当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，用所述第一高度值的变化量加上所述有卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息，得到无卫星时标定后的车载三维定位装置的高度信息；所述第一高度值的变化量为当前时刻相对于卫星失锁时刻第一高度值的变化量。
2.根据权利要求1所述的利用车载三维定位装置实现三维定位的方法，其特征在于，所述确定标定后的车载三维定位装置的水平二维位置的方法包括：
获取所述车体在车体坐标系中的加速度；
获取所述车体的姿态信息；
当所述车载三维定位装置能够接收卫星信号时，根据所述卫星信号、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置；
当所述车载三维定位装置不能接收卫星信号时，获取所述车体的里程数，根据所述车体的里程数、所述车体在车体坐标系中的加速度和所述车体的姿态信息，确定所述水平二维位置。
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