CN110082805A - 一种三维定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种三维定位装置和方法，该装置包括全球导航卫星系统GNSS模块、姿态传感模块、车速采集模块、气压传感模块和CPU运算模块；所述GNSS模块用于测量车辆当前时刻的GNSS定位数据；所述姿态传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组姿态信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；所述车速采集模块用于测量车辆在当前时刻的速度信息；所述气压传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组气压信息；通过多个传感器同时测量数据，并通过方差对数据进行修正，得到的气压、姿态精度高，尤其气压传感器数据越多的情况下，精度越高；另外，通过国家气象中心实时校准气压，并实时修正海拔的计算。

Description

一种三维定位装置和方法

技术领域

本发明实施例涉及空间定位技术领域，尤其涉及一种三维定位装置和方法。

背景技术

3D定位是指包含了经度、纬度、海拔信息的空间定位技术，3D定位在军民行业均有广泛应用。在汽车行业，3D定位可以帮助车辆实现高精度导航、节油等关键功能。普通3D定位技术由GNSS定位和气压传感器组成，需要采用另外的补偿方法才可提高GNSS和气压的精度。当前的3D定位技术基本上是基于GNSS实现经纬度定位，融合气压传感器进行海拔定位，这种定位可应用于普通的需求，但易受干扰且受环境的影响比较大，无法满足有较高定位精度要求的应用。

普通GNSS定位主要有精度不足、卫星信号容易丢失和易受干扰这几个问题，解决精度问题可采用RTK或双频定位技术实现高精度定位，而卫星信号丢失和易受干扰问题就需要增加惯导方案。

惯导由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、车速等组成，通过融合GNSS坐标计算出经纬度，但陀螺仪、加速度计、电子罗盘等传感器本身也易受噪声干扰，虽然通过卡尔曼滤波可以得出较为准确的参数，但运算的结果还是有一定的偏差。同理，气压传感器也易受噪声干扰，且气压受天气、海拔、位置等影响，不同的天气、不同的时间点、不同的位置测量到的气压都存在着一定的偏差。

发明内容

本发明实施例提供一种三维定位装置和方法，用以解决现有技术三维定位中传感器本身也易受噪声干扰，气压受天气、海拔、位置等影响，不同的天气、不同的时间点、不同的位置测量到的气压都存在着一定的偏差的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种三维定位装置，包括全球导航卫星系统GNSS模块、姿态传感模块、车速采集模块、气压传感模块和CPU运算模块；

所述GNSS模块用于测量车辆当前时刻的GNSS定位数据；

所述姿态传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组姿态信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

所述车速采集模块用于测量车辆在当前时刻的速度信息；

所述气压传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组气压信息；

所述CPU运算模块用于对多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

第二方面，本发明实施例提供一种三维定位方法，包括：

获取车辆当前时刻的GNSS定位数据，以及多组姿态信息、速度信息和多组气压信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

对多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

本发明实施例提供的一种三维定位装置和方法，通过多个传感器同时测量数据，并通过方差对数据进行修正，得到的气压精度高，尤其气压传感器数据越多的情况下，精度越高；另外，通过国家气象中心实时校准气压，并实时修正海拔的计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的三维定位装置示意图；

图2为根据本发明实施例的三维定位方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

普通GNSS定位主要有精度不足、卫星信号容易丢失和易受干扰这几个问题，解决精度问题可采用RTK或双频定位技术实现高精度定位，而卫星信号丢失和易受干扰问题就需要增加惯导方案。惯导由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、车速等组成，通过融合GNSS坐标计算出经纬度，但陀螺仪、加速度计、电子罗盘等传感器本身也易受噪声干扰，虽然通过卡尔曼滤波可以得出较为准确的参数，但运算的结果还是有一定的偏差。同理，气压传感器也易受噪声干扰，且气压受天气、海拔、位置等影响，不同的天气、不同的时间点、不同的位置测量到的气压都存在着一定的偏差。因此本发明实施例通过多个传感器同时测量数据，并通过方差对数据进行修正，得到的气压精度高，尤其气压传感器数据越多的情况下，精度越高；另外，通过国家气象中心实时校准气压，并实时修正海拔的计算。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1示出了本发明实施例的一种三维定位装置，包括全球导航卫星系统GNSS模块10、姿态传感模块60、车速采集模块50、气压传感模块40和CPU运算模块20；

所述GNSS模块10用于测量车辆当前时刻的GNSS定位数据；

所述姿态传感模块60用于测量车辆在当前时刻的多组姿态信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

所述车速采集模块50用于测量车辆在当前时刻的速度信息；

所述气压传感模块40用于测量车辆在当前时刻的多组气压信息；

所述CPU运算模块20用于对多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

在本实施例中，GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)模块可根据定位精度的需要，采用双频高精度定位模块或支持RTK的高精度定位模块，用于实时获取车辆当前时刻的GNSS定位数据；基于姿态传感模块60、车速采集模块50和气压传感模块40分别测得多组姿态信息、速度信息和气压信息，利用统计学的原理，通过多个同类传感器提供数据进行计算，可进一步降低偏差，通过多个气压传感器的数据进行计算，可以得出相对准确的当前位置气压。解决了现有技术中用于采集的传感器受噪声干扰造成数据偏差的问题。

在上述实施例的基础上，所述姿态传感模块60包括多个3轴陀螺仪、多个3轴加速度计和多个3轴电子罗盘；所述3轴陀螺仪用于测量车辆的角度变化信息，所述3轴加速度计用于测量车辆的加速度变化信息，所述3轴电子罗盘用于测量车辆的方向变化信息。

在本实施例中，3D定位装置包括GNSS模块10、多个3轴陀螺仪(测量角度变化)、多个3轴加速度计(测量加速度变化)、多个3轴电子罗盘(测量方向变化)、多个气压传感器(测量气压，计算海拔)、车速采集模块50(车速采集)和CPU运算模块20等。其中GNSS模块10可根据定位精度的需要，采用双频高精度定位模块或支持RTK的高精度定位模块。3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴电子罗盘、气压传感器可采用MEMS传感器芯片，其中3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴电子罗盘也可称为姿态传感器，可采用集成或分体的芯片，每种传感器的数量越多则其测量的精度越高。速度采集电路通过CAN总线或脉冲采集的方式采集车辆的实时车速。

在上述各实施例的基础上，还包括通信模块30，所述通信模块30用于基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压。

在本实施例中，通信模块30用于向国家气象中心查询当前所处位置的气压(即标准气压)，也可用于A-GNSS或RTK的系统支持，以供气压传感器测量的数据对照从国家气象中心查询所得的数据进行修正。

在上述各实施例的基础上，所述CPU运算模块20还用于基于所述标准气压对多组所述气压信息进行实时校准。

在本实施例中，CPU运算模块20得到气压传感模块40采集的多组气压信息后，还需要通过国家气象中心查询当前所处位置的标准气压进行修正，以使气压数据更加精确，降低偏差。

在上述各实施例的基础上，所述CPU运算模块20具体用于分别获取多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息的方差，将其中方差大于设定阈值的数据去掉，并由对应的3轴陀螺仪、3轴加速度计或3轴电子罗盘上一次测量数据代替。

在本实施例中，需要利用统计学对多个传感器的数据进行分析修正，假设5个同类传感器取数据，这些数据呈离散分布，记录如下表1所示：

表1同一类传感器的一组数据

在本实施例中，分别获取多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息的方差，将其中方差大于设定阈值的数据去掉，并由对应的3轴陀螺仪、3轴加速度计或3轴电子罗盘上一次测量数据代替，通过国家气象中心查询当前所处位置的标准气压对气压传感器测得的气压信息进行修正。如表1中所示，如果5个样本数据的当次方差小于0.1，那么认为这个数据可信，以5个数据的平均值为当次测量值。如果方差大于0.1，那么认为这个数据不可信，由于样本采集频率很高，实际的角度、加速度、方向、气压等变化没有那么频繁，将不可信的数据直接舍弃，由上一次的数据代替。以此方法，测量出角度、加速度、方向、气压的数据。其中角度、加速度、方向根据初始的车辆姿态标定参数进行修正，气压测量的数据对照从国家气象中心查询所得的数据进行修正。将角度、加速度、方向等数据进行积分、矩阵等运算，得出车辆姿态，将这些数据、GNSS定位数据以及采集到的车速信息通过卡尔曼滤波，计算出最终的定位经纬度、气压，将气压数据转换为海拔高度，最终得到经度、纬度、海拔三维一体的空间坐标数据。

在上述各实施例的基础上，所述CPU运算模块20还用于基于已知海拔高度和东南西北方位的水平车辆停放地点，对车辆体态和海拔进行标定。

在本实施例中，首先采用本方法将GNSS模块10、多个3轴陀螺仪、多个3轴加速度计、多个3轴电子罗盘、多个气压传感器、速度采集电路、通信模块30、CPU运算模块20等组成的系统安装到车上，确保车辆的车速信号正确。再找一处水平的、已知海拔高度和东南西北方位的地点。将车辆移动到这个地点，确保车身平稳后，对车身姿态、海拔等进行标定。

标定完成后，车辆即可正常运行，系统根据得到的标定参数，按上述技术原理所述方法进行工作，并提供3D坐标数据。

在上述各实施例的基础上，所述CPU运算模块20还用于在车辆停止运行设定第一时间后，基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，并对所述气压信息进行修正，并保存车辆停止运行前设定第二时间内的海拔数据。

在本实施例中，由于气压数据的特殊性，不同的天气、不同的时间点、不同的位置测量到的气压都存在着一定的偏差，因此当车辆停止运行一段时间后，气压会发生变化，装置计算的海拔结果就会产生较大偏。装置可根据时间以及位置的变化向国家气象中心查询当前位置的气压进行修正。又因车辆停止较长时间的运营，气压的变化会导致计算海拔时产生偏差，因此装置需要将停止运行前一段时间的海拔数据进行保存，以便下次运行时可以利用这段数据进行计算的修正。

丢失GNSS信号或GNSS数据不可信的处理方式：

由于种种原因，GNSS卫星信号总会有一定的丢失概率，同样GNSS数据也会出现如跳变之类的不可信数据，这时利用3轴陀螺仪、3轴加速度计或3轴电子罗盘、车速信号仍可保证系统正常输出经纬度数据。

车辆运行过程中，在丢失GNSS信号的情况下，基于上一次正常定位的数据，本实施例中的装置仍可保证较高精度的经纬度输出，且姿态传感器数量越多，精度越高，可满足要求较高的应用需求。

本实施例还提供了一种三维定位方法，基于上述各实施例中的三维定位装置，如图2中所示，包括：

S1、获取车辆当前时刻的GNSS定位数据，以及多组姿态信息、速度信息和多组气压信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

S2、对多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

在上述各实施例的基础上，获取车辆当前时刻的GNSS定位数据后，还包括：

基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，基于所述标准气压对多组所述气压信息进行实时校准。

在上述各实施例的基础上，还包括：

S3、在车辆停止运行时保存当前的GNSS定位数据和气压数据，待再次启动时，基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，并对所述气压信息进行修正。

综上所示，本发明实施例提供一种三维定位装置和方法，通过多个传感器同时测量数据，并通过方差对数据进行修正，得到的气压、姿态精度高，尤其气压传感器数据越多的情况下，精度越高；另外，通过国家气象中心实时校准气压，并实时修正海拔的计算，车辆运行过程中，在丢失GNSS信号的情况下，基于上一次正常定位的数据，仍可保证较高精度的经纬度输出。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维定位装置，其特征在于，包括全球导航卫星系统GNSS模块、姿态传感模块、车速采集模块、气压传感模块和CPU运算模块；

所述GNSS模块用于测量车辆当前时刻的GNSS定位数据；

所述姿态传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组姿态信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

所述车速采集模块用于测量车辆在当前时刻的速度信息；

所述气压传感模块用于测量车辆在当前时刻的多组气压信息；

所述CPU运算模块用于对多组所述姿态信息、所述速度信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

2.根据权利要求1所述的三维定位装置，其特征在于，所述姿态传感模块包括多个3轴陀螺仪、多个3轴加速度计和多个3轴电子罗盘；所述3轴陀螺仪用于测量车辆的角度变化信息，所述3轴加速度计用于测量车辆的加速度变化信息，所述3轴电子罗盘用于测量车辆的方向变化信息。

3.根据权利要求1所述的三维定位装置，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块用于基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压。

4.根据权利要求3所述的三维定位装置，其特征在于，所述CPU运算模块还用于基于所述标准气压对多组所述气压信息进行实时校准。

5.根据权利要求2所述的三维定位装置，其特征在于，所述CPU运算模块具体用于分别获取多组所述姿态信息、多组所述速度信息和多组所述气压信息的方差，将其中方差大于设定阈值的数据去掉，并由对应的3轴陀螺仪、3轴加速度计或3轴电子罗盘上一次测量数据代替。

6.根据权利要求1所述的三维定位装置，其特征在于，所述CPU运算模块还用于基于已知海拔高度和东南西北方位的水平车辆停放地点，对车辆姿态和海拔进行标定。

7.根据权利要求1所述的三维定位装置，其特征在于，所述CPU运算模块还用于在车辆停止运行时的GNSS定位和气压数据，待下次启动时，基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，并对所述气压信息进行修正。

8.一种三维定位方法，其特征在于，包括：

获取车辆当前时刻的GNSS定位数据，以及速度信息、多组姿态信息和多组气压信息，所述姿态信息包括加速度信息、角度信息和方向信息；

对所述速度信息、多组所述姿态信息和多组所述气压信息进行修正，并将修正后得到的数据与GNSS定位数据通过卡尔曼滤波处理，得到车辆定位的经度数据、纬度数据和气压数据，将所述气压数据转换为海拔数据。

9.根据权利要求8所述的三维定位方法，其特征在于，获取车辆当前时刻的GNSS定位数据后，还包括：

基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，基于所述标准气压对多组所述气压信息进行实时校准。

10.根据权利要求8所述的三维定位方法，其特征在于，还包括：

在车辆停止运行时保存当前的GNSS定位数据和气压数据，待再次启动时，基于所述GNSS定位数据，向气象中心的查询当前位置的标准气压，并对所述气压信息进行修正。