CN108387243A - 基于北斗和gps双模的智能车载终端 - Google Patents

基于北斗和gps双模的智能车载终端 Download PDF

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宋永端
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何致远
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Abstract

本发明公开了一种基于北斗和GPS双模的智能车载终端，包括：微处理器、与微处理器连接的北斗/GPS双定位模块、与微处理器连接的加速度传感器、与微处理器连接的陀螺仪、与微处理器连接的网络通信模块、以及电源模块。本发明不仅利用了北斗定位系统和GPS定位系统联合定位确定车辆所在位置，而且还通过微处理器将卫星定位信号、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息进行融合，进一步降低了卫星定位系统的定位误差，提高了车辆定位精度。同时其还能在深山、隧道等北斗/GP双定位模块获取卫星信号受阻的情况下，根据惯性导航原理得到车辆的当前位置信息，能避免车辆定位器在无法获取卫星信号时而失效的技术问题。

Description

基于北斗和GPS双模的智能车载终端
技术领域
本发明涉及智慧定位系统相关的物联网定位技术领域，特别涉及一种车载定位器。
背景技术
全球定位系统(英语：Global Positioning System，通常简称GPS)，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆形轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。
北斗定位系统是我国自主研发正在实施的全球卫星导航定位系统，缩写为BDS，北斗卫星导航定位系统包括北斗卫星导航实验系统(又“北斗一号”，目前已结束任务)和北斗导航定位系统(又称“北斗二号”)。可与美国的GPS、俄罗斯的格林纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用，与其他系统并称全球四大卫星导航系统。
但是不管是全球定位系统或者北斗定位系统等，单个的定位系统的定位精度都有限。并且在隧道、深山等复杂环境中，利用卫星的定位系统可能会因为无法获取信号而失效。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于北斗和GPS双模的智能车载终端，以解决现有车载定位器利用单个卫星定位系统，定位精度有限，以及车载定位器在隧道、深山等复杂环境中无法获取卫星信号，导致定位器失效等技术问题。
本发明基于北斗和GPS双模的智能车载终端，包括：微处理器、与微处理器连接的北斗/GPS双定位模块、与微处理器连接的加速度传感器、与微处理器连接的陀螺仪、与微处理器连接的网络通信模块、以及电源模块；
所述北斗/GP双定位模块用于接收卫星发送的车辆位置信号，并将得到的车辆位置信息输入微处理器；
所述加速度传感器用于获取车辆加速度，并将车辆加速度信息输入微处理器；
所述陀螺仪用于获取车辆的行驶方向信息，并将行驶方向信息输入微处理器；
所述微处理器用于根据北斗/GPS双定位模块输入的车辆位置信息、加速度传感器输入的车辆加速度信息、以及陀螺仪输入的车辆行驶方向信息计算获得车辆的位置信息，并对车辆位置信息进行打包，然后将打包信息传输给网络通信模块；
所述网络通信模块用于将接收到的车辆位置信息发送到网络；
所述微处理器通过如下方法计算车辆位置：
1)当车辆在初始时刻t0时有北斗/GPS信号，则利用北斗/GPS信号(Longt_BD,Lat_BD,Dir_BD,Vct_BD)和(Longt_GPS,Lat_GPS,Dir_GPS,Vct_GPS)，通过平均值计算来确定车辆的初始位置：
Lct_0＝(Longt_0,Lat_0,Dir_0,Vel_0)
＝1/2((Longt_BD+Longt_GPS),(Lat_BD+Lat_GPS),(Dir_BD+Dir_GPS),(Vct_BD+Vct_GPS))
然后转向第3)步；
2)当车辆初始位置无北斗/GPS信号时，则不进行定位，直到出现一次北斗/GPS信号时转向第1)步；
3)当下一时刻若有北斗/GPS信号，则微处理器根据获取的北斗定位信号(Longt_BD，Lat_BD，Dir_BD，Vct_BD)、GPS定位信号(Longt_GPS，Lat_GPS，Dir_GPS，Vct_GPS)、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息计算得到当前的车辆位置信息(Longt_RT,Lat_RT,Dir_RT,Vct_RT)，计算流程如下：
设x(k)为k时刻汽车的坐标信息即x(k)＝(Longt_RT,Lat_RT)，e(k)为过程噪声，维度和x(k)一样，
x(k+1)＝x(k)+u(k)+e(k) (1)
其中：
u(k)＝L(k)*[sin(a(k))，cos(a(k))]'是通过陀螺仪和加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻经度和纬度发生的改变量，式(1)表示陀螺仪和加速度传感器测量到的经纬度；
L(k)＝L(k-1)+Δt*Vct_RT(k)是通过加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻直线距离的改变量；
a(k)＝a(k-1)+Δt*w(k)是通过陀螺仪计算得到的角度，w(k)为k时刻的角速度；或者公式a(k)＝a(k-1)+Δt*w(k)中的w(k)也可采用w(k-1)和w(k)的平均值替换；
Δt为k时刻到k-1时刻中间的间隔时长；
设z(k)为k时刻测量值，其中v(k)为测量噪声，维度和z(k)一样，则
z(k)＝Hx(k)+v(k) (2)
其中
式(2)表示GPS和BD测量到的经纬度；
然后将式(1)和(2)直接套入卡尔曼滤波器公式计算得到车辆位置；
4)当车辆运行过程中进入北斗/GPS信号受阻的地方时，则以前一时刻位置为起始位置，利用陀螺仪和加速度传感器获取车辆的方向和加速度信息，从而计算出车辆当前的位置信息(Longitude_RT,Latitude_RT,Velocity_RT)，将该位置信息作为车辆定位信息发送到服务器；当车辆的北斗或者GPS信号恢复时，则转向步骤3)。
进一步，所述基于北斗和GPS双模的智能车载终端还包括与微处理器连接的蓝牙模块。
进一步，所述网络通信模块为GPRS通信模块。
本发明的有益效果：
1、本发明基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其不仅利用了北斗定位系统和GPS定位系统联合定位确定车辆所在位置，而且还通过微处理器A将北斗定位系统和GPS定位系统发送的车辆定位信号、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息进行融合，从而使得到得车辆当前位置信息更准确，进一步降低了卫星定位系统的定位误差，提高了车辆定位精度。
2、本发明基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其还能在深山、隧道等北斗/GP双定位模块获取卫星信号受阻的情况下，利用加速度传感器、陀螺仪传感器和卫星信号受阻前一刻的车辆位置信息，根据惯性导航原理得到车辆的当前位置信息，能避免车辆定位器在无法获取卫星信号时而失效的技术问题。
3、本发明基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其还具有蓝牙功能，能够与配套的智能车钥匙、智能手机等进行无线通讯，从而利用智能车钥匙或手机实现远距离唤醒智能车载终端。
附图说明
图1为基于北斗和GPS双模的智能车载终端的结构示意图。
附图标记说明：
1-微处理器，2-北斗/GPS双定位模块，3-加速度传感器，4-陀螺仪，5-网络通信模块，6-电源模块，7-蓝牙模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例基于北斗和GPS双模的智能车载终端，包括：微处理器1、与微处理器连接的北斗/GPS双定位模块2、与微处理器连接的加速度传感器3、与微处理器连接的陀螺仪4、与微处理器连接的网络通信模块5、以及电源模块6，电源模块用于向微处理器、北斗/GPS双定位模块、加速度传感器、陀螺仪和网络通信模块供电。
所述北斗/GP双定位模块用于接收卫星发送的车辆位置信号，并将得到的车辆位置信息输入微处理器。
所述加速度传感器用于获取车辆加速度，并将车辆加速度信息输入微处理器。
所述陀螺仪用于获取车辆的行驶方向信息，并将行驶方向信息输入微处理器。
所述微处理器用于根据北斗/GPS双定位模块输入的车辆位置信息、加速度传感器输入的车辆加速度信息、以及陀螺仪输入的车辆行驶方向信息计算获得车辆的位置信息，并对车辆位置信息进行打包，然后将打包信息传输给网络通信模块。
所述网络通信模块用于将接收到的车辆位置信息发送到网络。
所述微处理器通过如下方法计算车辆位置：
1)当车辆在初始时刻t0时有北斗/GPS信号，则利用北斗/GPS信号(Longt_BD,Lat_BD,Dir_BD,Vct_BD)和(Longt_GPS,Lat_GPS,Dir_GPS,Vct_GPS)，通过平均值计算来确定车辆的初始位置
Lct_0＝(Longt_0,Lat_0,Dir_0,Vel_0)
＝1/2((Longt_BD+Longt_GPS),(Lat_BD+Lat_GPS),(Dir_BD+Dir_GPS),(Vct_BD+Vct_GPS))
然后转向第3)步；
2)当车辆初始位置无北斗/GPS信号时，则不进行定位，直到出现一次北斗/GPS信号时转向第1)步；
3)当下一时刻若有北斗/GPS信号，则微处理器根据获取的北斗定位信号(Longt_BD，Lat_BD，Dir_BD，Vct_BD)、GPS定位信号(Longt_GPS，Lat_GPS，Dir_GPS，Vct_GPS)、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息计算得到当前的车辆位置信息(Longt_RT，Lat_RT，Dir_RT，Vct_RT)，计算流程如下：
设x(k)为k时刻汽车的坐标信息即x(k)＝(Longt_RT,Lat_RT)，e(k)为过程噪声，维度和x(k)一样，
x(k+1)＝x(k)+u(k)+e(k) (1)
其中：
u(k)＝L(k)*[sin(a(k)),cos(a(k))]'是通过陀螺仪和加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻经度和纬度发生的改变量，式(1)表示陀螺仪和加速度传感器测量到的经纬度；
L(k)＝L(k-1)+Δt*Vct_RT(k)是通过加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻直线距离的改变量；
a(k)＝a(k-1)+Δt*w(k)是通过陀螺仪计算得到的角度，w(k)为k时刻的角速度；或者公式a(k)＝a(k-1)+Δt*w(k)中的w(k)也可采用w(k-1)和w(k)的平均值替换；
Δt为k时刻到k-1时刻中间的间隔时长；
设z(k)为k时刻测量值，其中v(k)为测量噪声，维度和z(k)一样，则
z(k)＝Hx(k)+v(k) (2)
其中
式(2)表示GPS和BD测量到的经纬度；
然后将式(1)和(2)直接套入卡尔曼滤波器公式计算得到车辆位置；
4)当车辆运行过程中进入北斗/GPS信号受阻的地方时，则以前一时刻位置为起始位置，利用陀螺仪和加速度传感器获取车辆的方向和加速度信息，从而计算出车辆当前的位置信息(Longitude_RT，Latitude_RT，Velocity_RT)，将该位置信息作为车辆定位信息发送到服务器；当车辆的北斗或者GPS信号恢复时，则转向步骤3)。
本实施例中的微处理器优选为意法半导体32位微处理器STM32；GPS/北斗定位模块型号为SkyTra公司的GPS/北斗双模定位模块，使用有源天线，定位精度为2.5米，冷启动时间30秒左右，更新速率最快可达到20Hz，波特率最快可达230400；微处理器使用异步串行通信接口与北斗/GPS双定位模块通信，微处理器只需和模块发送指令即可和模块通信。网络通信模块与微处理器相连，使用异步串行通信的方式输出打包好的数据，网络通信模块型号为SIM800C，工作频段为850/900/1800/1900M，除内嵌TCP/IP协议可进行网络通信外，还具有拨号、接听、短信、蓝牙等功能。所述STM32是由存放在片内FLASH中的程序来设置其工作状态的，因此，工作是需要对片内的FLASH进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。同一片STM32，写入不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此，STM32的使用非常灵活。
在上述实施例中，所述STM32的将接收到的电平信号按照专有的通信协议打包，并转换为异步串行数据输出，所述专有的通信协议如表1所示，由17字节构成，包括帧头、功能字、长度字、数据和校验字。所述帧头用于表明一帧数据的开始；所述功能字用于区分该帧数据的功能类型，此处0x04表示该帧数据是上传数据；所述长度字用于表示该帧数据的字节数，此处0x0E表示该帧数据的长度为14字节；所述校验字用于对该帧数据进行校验，校验方法为求和校验。数据中，longitude表示经度，实际经度等于longitude/100000；ewhemi为一个字符，用于表示东经还是西经；latitude表示纬度，实际纬度等于latitude/100000；nshemi为一个字符，用于表示南纬还是北纬；altitude表示当前的海拔高度，speed表示当前速度。
表1
本实施例中基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其不仅利用了北斗定位系统和GPS定位系统联合定位确定车辆所在位置，而且还通过微处理器A将北斗定位系统和GPS定位系统发送的车辆定位信号、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息进行融合，从而使得到得车辆当前位置信息更准确，进一步降低了卫星定位系统的定位误差，提高了车辆定位精度。另外，其还能在深山、隧道等北斗/GP双定位模块获取卫星信号受阻的情况下，利用加速度传感器、陀螺仪传感器和卫星信号受阻前一刻的车辆位置信息，根据惯性导航原理得到车辆的当前位置信息，能避免车辆定位器在无法获取卫星信号时而失效的技术问题。
作为对本实施例的改进，本基于北斗和GPS双模的智能车载终端还包括与微处理器连接的蓝牙模块7。所述蓝牙模块用于与智能车钥匙、智能手机等进行无线通讯，从而可利用智能车钥匙实现远距离唤醒智能车载终端，利用智能手机对智能车载终端进行基本设置。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其特征在于，包括：微处理器、与微处理器连接的北斗/GPS双定位模块、与微处理器连接的加速度传感器、与微处理器连接的陀螺仪、与微处理器连接的网络通信模块、以及电源模块；
所述北斗/GP模块用于接收卫星发送的车辆位置信号，并将得到的车辆位置信息输入微处理器；
所述加速度传感器用于获取车辆加速度，并将车辆加速度信息输入微处理器；
所述陀螺仪用于获取车辆的行驶方向信息，并将行驶方向信息输入微处理器；
所述微处理器用于根据北斗/GPS双定位模块输入的车辆位置信息、加速度传感器输入的车辆加速度信息、以及陀螺仪输入的车辆行驶方向信息计算获得车辆的位置信息，并对车辆位置信息进行打包，然后将打包信息传输给网络通信模块；
所述网络通信模块用于将接收到的车辆位置信息发送到网络；
所述微处理器通过如下方法计算车辆位置：
1)当车辆在初始时刻t0时有北斗/GPS信号，则利用北斗/GPS信号(Longt_BD,Lat_BD,Dir_BD,Vct_BD)和(Longt_GPS,Lat_GPS,Dir_GPS,Vct_GPS)，通过平均值计算来确定车辆的初始位置
Lct_0＝(Longt_0,Lat_0,Dir_0,Vel_0)
＝1/2((Longt_BD+Longt_GPS),(Lat_BD+Lat_GPS),(Dir_BD+Dir_GPS),(Vct_BD+Vct_GPS))然后转向第3)步；
其中Longt_BD为北斗获取的车辆位置经度，Lat_BD为北斗获取的车辆位置纬度，Dir_BD为北斗获取的车辆行驶方向，Vct_BD为北斗获取的车辆行驶速度；Longt_GPS为GPS获取的车辆位置经度，Lat_GPS为GPS获取的车辆位置纬度，Dir_GPS为GPS获取的车辆行驶方向，Vct_GPSGPS获取的车辆行驶速度；
2)当车辆初始位置无北斗/GPS信号时，则不进行定位，直到出现一次北斗/GPS信号时转向第1)步；
3)当下一时刻若有北斗/GPS信号，则微处理器根据获取的北斗定位信号(Longt_BD,Lat_BD,Dir_BD,Vct_BD)、GPS定位信号(Longt_GPS,Lat_GPS,Dir_GPS,Vct_GPS)、陀螺仪和加速度传感器的检测信息、以及前一时刻车辆位置信息计算得到当前的车辆位置信息(Longt_RT,Lat_RT,Dir_RT,Vct_RT)，其中Longt_RT为当前车辆位置经度，Lat_RT为当前车辆位置纬度，Dir_RT为当前车辆行驶方向，Vct_RT为当前车辆行驶速度，计算流程如下：
设x(k)为k时刻汽车的坐标信息即x(k)＝(Longt_RT,Lat_RT)，e(k)为过程噪声，维度和x(k)一样，
x(k+1)＝x(k)+u(k)+e(k) (1)
其中：
u(k)＝L(k)*[sin(a(k)),cos(a(k))]'是通过陀螺仪和加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻经度和纬度发生的改变量，式(1)表示陀螺仪和加速度传感器测量到的经纬度；
L(k)＝L(k-1)+△t*Vct_RT(k)是通过加速度传感器得到的从k-1时刻到k时刻直线距离的改变量；
a(k)＝a(k-1)+△t*w(k)是通过陀螺仪计算得到的角度，w(k)为k时刻的角速度；或者公式a(k)＝a(k-1)+△t*w(k)中的w(k)也可采用w(k-1)和w(k)的平均值替换；
△t为k时刻到k-1时刻中间的间隔时长；
设z(k)为k时刻测量值，其中v(k)为测量噪声，维度和z(k)一样，则
z(k)＝Hx(k)+v(k) (2)
其中z(k)＝[Longt_BD(k),Lat_BD(k),Longt_GPS(k),Lat_GPS(k)]'
式(2)表示GPS和BD测量到的经纬度；
然后将式(1)和(2)直接套入卡尔曼滤波器公式计算得到车辆位置；
4)当车辆运行过程中进入北斗/GPS信号受阻的地方时，则以前一时刻位置为起始位置，利用陀螺仪和加速度传感器获取车辆的方向和加速度信息，从而计算出车辆当前的位置信息(Longitude_RT,Latitude_RT,Velocity_RT)，将该位置信息作为车辆定位信息发送到服务器；当车辆的北斗或者GPS信号恢复时，则转向步骤3)。
2.根据权利要求1所述的基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其特征在于：还包括与微处理器连接的蓝牙模块。
3.根据权利要求1所述的基于北斗和GPS双模的智能车载终端，其特征在于：所述网络通信模块为GPRS通信模块。
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