CN110632633A - 一种车载集成式高精度定位设备及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载集成式高精度定位设备，包括：包括RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，运算与处理模块，用于将上述的基于RTK的高精度位置信息、基于UWB的相对坐标和绝对坐标、基于IMU的独立三轴的加速度信号和角速度信号进行数据融合与后处理，最终输出车辆的实时定位和定向结果。本发明直接输出融合后的高精度位置信息，用户无需判断车辆是运行在室内还是室外，也无需开发任何室内外切换的算法和逻辑。

Description

一种车载集成式高精度定位设备及定位方法

技术领域

本发明属于车辆定位技术领域，具体涉及一种车载集成式高精度定位设备及定位方法。

背景技术

高精度定位技术是实现车辆自动驾驶的重要基础，自动驾驶领域常用的高精度定位系统包括：

1)基于实时动态差分(RTK)和惯性测量单元(IMU)的高精度定位系统；

2)基于超宽带(UWB)技术和IMU的高精度定位系统；

3)基于激光或视觉同步建图与定位(SLAM)和IMU的高精度定位系统。

其中1)通常应用于室外场景，需要有良好的卫星信号和本地基准站或连续运行参考站系统(CORS)的支持；2)通常应用于室内场景以及室外GNSS信号被遮挡的场景，需要部署一定数量的UWB基站；3)可应用于室外和室内场景，需要提前采集所应用场景的高精度地图，且受场景特征和运行环境的影响较大。

对于同时包含室内和室外运行路线，且所处场景特征和运行环境不太适合激光或视觉SLAM定位的自动驾驶车辆，通常需要在车上同时安装一套RTK/IMU组合定位系统和一套UWB/IMU组合定位系统来满足其高精度定位的需求。这种分体式的解决方案存在以下几点不足：

1)成本较高；

2)需要用户自行设计相关算法和逻辑来融合两套系统输出的定位结果，从而增加了用户开发和调试的工作量。

发明内容

本发明目的在于提供一种车载集成式高精度定位设备及定位方法，用于解决现有技术对于同时包含室内和室外运行路线，且所处场景特征和运行环境不太适合激光或视觉SLAM定位的自动驾驶车辆，通常需要在车上同时安装一套RTK/IMU组合定位系统和一套UWB/IMU组合定位系统来满足其高精度定位的需求，从而导致成本偏高的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种车载集成式高精度定位设备，包括RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，获得基于RTK的高精度位置信息，并将该基于RTK的高精度位置信息发送至运算与处理模块；

UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算所述UWB模块同各个基站之间的距离，并进一步求解UWB模块的相对坐标和绝对坐标，并将该相对坐标和绝对坐标发送至运算与处理模块；

IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号，并将该独立三轴的加速度信号和角速度信号发送至运算与处理模块；

运算与处理模块，作为所述车载集成式高精度定位设备的核心，用于将上述的基于RTK的高精度位置信息、基于UWB的相对坐标和绝对坐标、基于IMU的独立三轴的加速度信号和角速度信号进行数据融合与后处理，最终输出车辆的实时定位和定向结果。

优选的，还包括输入模块，所述输入模块和所述运算与处理模块连接，用于采集和处理所述车载集成式高精度定位设备的外部信号。

优选的，还包括输出模块，所述输出模块和所述运算与处理模块连接，用于将所述运算与处理模块得出的车辆实时定位和定向结果进行编码和封装，并通过通信接口发送至车辆自动驾驶控制单元。

优选的，还包括存储模块，所述存储模块和所述运算与处理模块连接，用于所述车载集成式高精度定位设备的数据存储和管理。

优选的，还包括无线通信模块，所述无线通信模块和所述运算与处理模块连接，用于建立所述车载集成式高精度定位设备同外界的无线通信链路。

优选的，还包括电源模块，车载电源通过所述电源模块给所述车载集成式高精度定位设备供电。

优选的，所述运算与处理模块进行数据融合与后处理的步骤包括：

步骤1：计算基于RTK/IMU的高精度位置信息的置信度C1以及基于UWB/IMU的相对坐标和绝对坐标的置信度C2；

步骤2：根据C1和C2确定基于RTK/IMU高精度位置信息的权重W1和确定基于UWB/IMU的相对坐标和绝对坐标的权重W2，即，W1＝C1/(C1+C2)，W2＝C2/(C1+C2)；

步骤3：基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值，最终得到车辆的实时定位和定向结果。

一种车载集成式高精度定位方法，包括以下步骤：

S1：将RTK模块、UWB模块和IMU模块进行初始化，若初始化过程正常完成后进入步骤S2，否则输出相应的故障提示信息并退出；

S2：通过UWB模块检测周围部署的UWB基站信号，若能同时接收到超过预设数量的基站稳定UWB脉冲信号，则判定基站信号良好，并基于UWB模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

S3：通过RTK模块检测GNSS卫星信号，若能同时接收到超过预设数量的卫星信号，则判定卫星信号良好，并基于RTK模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

S4：分别计算基于UWB模块和IMU模块输出结果的置信度C1和基于RTK模块和IMU模块输出结果的置信度C2，然后根据C1和C2确定基于UWB模块和IMU模块输出结果的权重W1和确定基于RTK模块和IMU模块输出结果的权重W2，即，W1＝C1/(C1+C2)，

W2＝C2/(C1+C2)；最后基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值得到车辆的实时定位和定向结果，并按照预先定义的接口和协议进行封装和输出；

S5：如果系统处于无信号的状态超过预先设定的时间周期，即UWB基站信号和卫星信号均未达到信号良好的条件，则输出相应的错误提示并退出；即，如果系统检测到UWB基站信号良好但长时间检测不到卫星信号，那么只输出UWB/IMU的解算结果(相当于W1＝1，W2＝0)；类似地，如果系统检测到卫星信号良好但长时间检测不到UWB基站信号，那么只输出RTK/IMU的解算结果(相当于W1＝0，W2＝1)；当系统同时检测到良好的UWB基站和卫星信号时(室内外过渡区域)，则根据S4中获取的具体权重(W1和W2)计算两套解算结果的加权平均值；当系统既未检测到UWB基站信号又未检测到卫星信号且持续时间超过预先设定的时间周期，则输出相应的错误提示并退出。

优选的，其中，RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，获得基于RTK的高精度位置信息；

UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算所述UWB模块同各个基站之间的距离，并进一步求解UWB模块的相对坐标和绝对坐标；

IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号。

本发明的有益技术效果是：1、采用One-box方案，便于用户进行装车集成。

2、直接输出融合后的高精度位置信息，用户无需判断车辆是运行在室内还是室外，也无需开发任何室内外切换的算法和逻辑。

3、同分体式的RTK和UWB定位系统相比有较大的成本优势，本方案中，RTK和UWB只需配置一套IMU，壳体、PCB制板、线束等相关成本也比分体式方案下降不少。

附图说明

图1显示为本发明的实施例1的结构示意图。

图2显示为本发明的实施例2的步骤流程示意图。

图3显示为本发明的实施例2中步骤S4的步骤流程示意图。

图4显示为本发明的实施例3的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1：

如图1所示，一种车载集成式高精度定位设备，包括：1)运算与处理模块负责监控和调度其他模块的运行，以及实现定位解算和融合的核心算法；

2)RTK模块(含一对GNSS天线)负责接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，输出高精度的位置信息；

3)UWB模块(含一对UWB天线)负责接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算模块同各个基站之间的距离，并进一步求解模块的相对坐标和绝对坐标；

4)IMU模块负责采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号，并将上述信号输出给运算与处理模块，用于估算车辆的位置和姿态；

5)输入模块负责采集和处理其他外部信号(来自CAN总线、以太网、模拟/数字输入通道等)；

6)输出模块负责将运算与处理模块得出的高精度位置信息进行编码和封装，并通过CAN总线、以太网等接口形式发送给自动驾驶控制单元；

7)电源模块负责整个系统的供电管理，包括电压变换与稳压、保护与隔离等；

8)存储模块负责整个系统的数据存储和管理；

9)无线通信模块(及通信天线)负责建立系统同外界的无线通信链路，用于支持RTK模块同本地基准站(或CORS系统)之间的信息交互，系统运行状态实时上传云端，远程控制指令下发，以及OTA远程升级等。

本实施例的工作原理简述：

通过UWB模块检测周围部署的UWB基站信号，若能同时接收到超过预设数量的基站稳定UWB脉冲信号，则判定基站信号良好，并基于UWB模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向；通过RTK模块检测GNSS卫星信号，若能同时接收到超过预设数量的卫星信号，则判定卫星信号良好，并基于RTK模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向；分别计算基于UWB模块和IMU模块输出结果的置信度C1和基于RTK模块和IMU模块输出结果的置信度C2，然后根据C1和C2确定基于UWB模块和IMU模块输出结果的权重W1和确定基于RTK模块和IMU模块输出结果的权重W2，即，W1＝C1/(C1+C2)，

W2＝C2/(C1+C2)；最后基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值得到车辆的实时定位和定向结果，并按照预先定义的接口和协议进行封装和输出。

实施例2：

如图2所示，一种车载集成式高精度定位方法，包括以下步骤：

S1：将RTK模块、UWB模块和IMU模块进行初始化，若初始化过程正常完成后进入步骤S2，否则输出相应的故障提示信息并退出；

S2：通过UWB模块检测周围部署的UWB基站信号，若能同时接收到超过预设数量的基站稳定UWB脉冲信号，则判定基站信号良好，并基于UWB模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

S3：通过RTK模块检测GNSS卫星信号，若能同时接收到超过预设数量的卫星信号，则判定卫星信号良好，并基于RTK模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

如图3所示，S4：分别计算基于UWB模块和IMU模块输出结果的置信度C1和基于RTK模块和IMU模块输出结果的置信度C2，然后根据C1和C2确定基于UWB模块和IMU模块输出结果的权重W1和确定基于RTK模块和IMU模块输出结果的权重W2，即，W1＝C1/(C1+C2)，W2＝C2/(C1+C2)；最后基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值得到车辆的实时定位和定向结果，并按照预先定义的接口和协议进行封装和输出；

S5：如果系统处于无信号的状态超过预先设定的时间周期，即UWB基站信号和卫星信号均未达到信号良好的条件，则输出相应的错误提示并退出；即，如果系统检测到UWB基站信号良好但长时间检测不到卫星信号，那么只输出UWB/IMU的解算结果(相当于W1＝1，W2＝0)；类似地，如果系统检测到卫星信号良好但长时间检测不到UWB基站信号，那么只输出RTK/IMU的解算结果(相当于W1＝0，W2＝1)；当系统同时检测到良好的UWB基站和卫星信号时(室内外过渡区域)，则根据S4中获取的具体权重(W1和W2)计算两套解算结果的加权平均值；当系统既未检测到UWB基站信号又未检测到卫星信号且持续时间超过预先设定的时间周期，则输出相应的错误提示并退出。

优选的，其中，RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，获得基于RTK的高精度位置信息；

UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算所述UWB模块同各个基站之间的距离，并进一步求解UWB模块的相对坐标和绝对坐标；

IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号。

实施例3：

如图4所示，在实施例1和实施例2的基础上进一步的，图中的无人运输车应用于某工厂的场内物料转运场景，本文所述的集成式高精度定位设备通过刚性连接安装于无人运输车的底盘上，车前和车后的UWB天线和GNSS天线分别通过相应的传输电缆同定位设备进行连接。无人运输车按照预先设计的路线往返于物料仓库和生产车间。物料仓库和生产车间均安装有一定数量的UWB基站。当车辆运行于室内环境(物料仓库和生产车间内部)时，定位设备通过前后两个UWB天线接收UWB基站发射的信号；当车辆运行于室外环境(物料仓库和生产车间之间的室外场地)时，则定位设备通过前后两个GNSS天线接收卫星发射的信号。

当无人运输车正常上电后，定位设备开始初始化，并自动检测附近UWB基站的信号和卫星信号。如果UWB基站信号满足定位所需条件，则通过第一个扩展卡尔曼滤波器对IMU和UWB模块各自输出的信息进行融合，解算车辆当前的位置和航向角；如果卫星信号满足定位所需条件，则通过第二个扩展卡尔曼滤波器对IMU和RTK模块各自输出的信息进行融合，解算车辆当前的位置和航向角。同时基于以下公式计算两种观测信号的置信度。

1)计算观测信号的置信距离d(k)：

x(k)，y(k)：k时刻x，y坐标的观测值

k时刻x，y坐标的真实值(用加权平均后的解算结果来近似)

2)根据经验拟合公式计算k时刻观测信号的置信度C(k)，式中的各项参数需要针对UWB系统和RTK系统分别进行设置和标定：

当无人运输车在室内运行时，定位设备检测到良好UWB基站信号但无法正常接收到卫星信号，因此将基于IMU和UWB模块解算车辆的位置和航向角，并输出给车辆控制系统，引导车辆按预设轨迹行驶。

当无人运输车行驶到室内外过渡区域时，定位设备可以同时检测到UWB基站信号和卫星信号，此时第一扩展卡尔曼滤波器(基于IMU和UWB)和第二扩展卡尔曼滤波器(基于IMU和RTK)同时工作，得到各自的解算结果，并根据各自观测信号的置信度(C1和C2)计算相应的权重(W1和W2)，以及计算最终的加权平均值。

随着无人运输车逐渐驶离UWB基站覆盖的范围，UWB/IMU观测信号的置信度C1将持续下降直至降为0，相应地，UWB/IMU输出结果的权重W1也将降到0。此后，车辆完全进入室外行驶状态，定位设备可以检测到良好的卫星信号但无法正常接收到UWB基站的信号，因此将基于IMU和RTK模块解算车辆的位置和航向角，并输出给车辆控制系统，引导车辆按预设轨迹行驶。

当无人运输车从室外再次进入到室内时，也将进行类似的模式切换和定位解算。

Claims (9)

1.一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，包括RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，获得基于RTK的高精度位置信息，并将该基于RTK的高精度位置信息发送至运算与处理模块；

UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算所述UWB模块同各个基站之间的距离，并进一步求解UWB模块的相对坐标和绝对坐标，并将该相对坐标和绝对坐标发送至运算与处理模块；

IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号，并将该独立三轴的加速度信号和角速度信号发送至运算与处理模块；

运算与处理模块，作为所述车载集成式高精度定位设备的核心，用于将上述的基于RTK的高精度位置信息、基于UWB的相对坐标和绝对坐标、基于IMU的独立三轴的加速度信号和角速度信号进行数据融合与后处理，最终输出车辆的实时定位和定向结果。

2.根据权利要求1所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，还包括输入模块，所述输入模块和所述运算与处理模块连接，用于采集和处理所述车载集成式高精度定位设备的外部信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，还包括输出模块，所述输出模块和所述运算与处理模块连接，用于将所述运算与处理模块得出的车辆实时定位和定向结果进行编码和封装，并通过通信接口发送至车辆自动驾驶控制单元。

4.根据权利要求3所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块和所述运算与处理模块连接，用于所述车载集成式高精度定位设备的数据存储和管理。

5.根据权利要求3所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，还包括无线通信模块，所述无线通信模块和所述运算与处理模块连接，用于建立所述车载集成式高精度定位设备同外界的无线通信链路。

6.根据权利要求5所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，还包括电源模块，车载电源通过所述电源模块给所述车载集成式高精度定位设备供电。

7.根据权利要求1所述的一种车载集成式高精度定位设备，其特征在于，所述运算与处理模块进行数据融合与后处理的步骤包括：

步骤1：计算基于RTK/IMU的高精度位置信息的置信度C1以及基于UWB/IMU的相对坐标和绝对坐标的置信度C2；

步骤2：根据C1和C2确定基于RTK/IMU高精度位置信息的权重W1和确定基于UWB/IMU相对坐标和绝对坐标的权重W2；即，W1＝C1/(C1+C2)，W2＝C2/(C1+C2)；

步骤3：基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值，最终得到车辆的实时定位和定向结果。

8.一种车载集成式高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将RTK模块、UWB模块和IMU模块进行初始化，若初始化过程正常完成后进入步骤S2，否则输出相应的故障提示信息并退出；

S2：通过UWB模块检测周围部署的UWB基站信号，若能同时接收到超过预设数量的基站稳定UWB脉冲信号，则判定基站信号良好，并基于UWB模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

S3：通过RTK模块检测GNSS卫星信号，若能同时接收到超过预设数量的卫星信号，则判定卫星信号良好，并基于RTK模块和IMU模块输出信号解算车辆实时位置和航向，然后进入步骤S4；

S4：分别计算基于UWB模块和IMU模块输出结果的置信度C1和基于RTK模块和IMU模块输出结果的置信度C2，然后根据C1和C2确定基于UWB模块和IMU模块输出结果的权重W1和确定基于RTK模块和IMU模块输出结果的权重W2，即，W1＝C1/(C1+C2)，W2＝C2/(C1+C2)；最后基于W1和W2计算RTK/IMU和UWB/IMU各自输出结果的加权平均值得到车辆的实时定位和定向结果，并按照预先定义的接口和协议进行封装和输出；

S5：如果系统处于无信号的状态超过预先设定的时间周期，即UWB基站信号和卫星信号均未达到信号良好的条件，则输出相应的错误提示并退出。

9.根据权利要求8所述的一种车载集成式高精度定位方法，其特征在于，其中，RTK模块，用于接收和处理GNSS原始观测信号，并基于无线通信链路从本地基准站或CORS系统获取差分数据，然后进行差分解算，获得基于RTK的高精度位置信息；

UWB模块，用于接收和处理不同基站发射的超宽带信号，以测算所述UWB模块同各个基站之间的距离，并进一步求解UWB模块的相对坐标和绝对坐标；

IMU模块，用于采集和处理车辆在载体坐标系下独立三轴的加速度信号，以及相对于导航坐标系独立三轴角速度信号。

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