CN110657811A - 基于gps惯性导航的车载指南针实现方法及系统 - Google Patents

基于gps惯性导航的车载指南针实现方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车导航技术领域，尤其是一种基于GPS惯性导航的车载指南针显示方法及系统。所述系统包括顺次连接的获取模块、GPS惯性导航模块和解析模块；所述方法包括：S1、获取车速信息和档位信息；S2、GPS惯性导航模块实时产生预测定位信号以及实时接收车速信息、档位信息和GPS定位信号，根据上一次产生的预测定位信号以及车速信息、档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算出该时刻的预测定位信号；S3、根据GPS定位信号的强度修正预测定位信号的权重；S4、解析模块获取汽车航行方向和汽车地理位置，计算汽车航行方向与汽车地理位置正北方之间的偏转角度。本发明利用车载车机系统具有的功能实现具有高抗干扰性能和高精准性的指南针功能。

Description

基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车导航技术领域，尤其是一种基于GPS惯性导航的车载指南针显示方法及系统。
背景技术
目前，市场上的车载指南针系统通常是通过6轴传感器(磁力计+加速度计)或者9轴传感器(磁力计+加速度计+陀螺仪)来实现的，以上这两种方案均需要使用磁力计，因此存在以下缺点：
1、磁力计在使用一段时间后需要校准，否则会出现较大误差；
2、磁力计属于敏感元件，而汽车内部存在多种干扰源，影响磁力计自身的准确性。
发明内容
本发明的目的是克服现有车载电子指南针因自身组成结构及车内干扰源影响而产生较大误差的缺陷。
为了实现上述目的，本发明公开一种基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，包括以下步骤：
S1、获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息，并将车速信息和档位信息发送至GPS惯性导航模块；
S2、GPS惯性导航模块实时产生预测定位信号以及实时接收车速信息、档位信息和GPS定位信号，根据上一次产生的预测定位信号以及当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算出该时刻的预测定位信号；
S3、GPS惯性导航模块根据GPS定位信号的强度修正预测定位信号的权重，并将修正后的预测定位信号输出至解析模块；
S4、解析模块解析预测定位信号，获取汽车航行方向和汽车地理位置，调取预置的指南针应用程序，计算汽车航行方向与汽车地理位置正北方之间的偏转角度，并将偏转角度转换为方向角信息。
在一个实施例中，上述步骤S1的具体步骤如下：
获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息；
将车速信息转换为占空比恒定的PWM波形信号，计算PWM发生频率；
并将档位信息转换为档位电平信号，并定义档位信息中的前进档位和后退档位分别代表的其中一种档位电平信号；
获取模块将PWM波形信号和档位电平信号发送至GPS惯性导航模块。
作为优选，所述PWM发生频率的计算公式为f＝v/l，其中，f为PWM发生频率，v为车速信息，l为每个PWM脉冲之间的平均间距。所述PWM波形信号的占空比为50％，所述平均间距为2cm。
在一个实施例中，上述步骤S2中，GPS惯性导航模块以上一时刻输出的预测定位信号为基准，对当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息进行积分运算，推算出本次时刻的预测定位信号。
在一个实施例中，上述步骤S4中，偏转角度的偏转方向为顺时针方向。
本发明还公开一种基于GPS惯性导航的车载指南针系统，适用于上述基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，包括：
获取模块，用于从CAN总线获取、解析、输出车速信息和档位信息；
GPS惯性导航模块，用于获取车速信息、档位信息以及实时的GPS定位信号，还用于根据车速信息、档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算预测定位信号，并且输出预测定位信号；
解析模块，用于解析预测定位信号，获取预测定位信号分别包含的汽车地理位置和汽车航行方向，并将汽车航行方向转换为方向角信息；
所述获取模块与CAN总线通讯连接，获取模块、GPS惯性导航模块和解析模块顺次通讯连接，所述解析模块内置有指南针应用程序。
作为优选，获取模块还用于将车速信息转换为PWM波形信号，将档位信息转换为电平信息，以及输出PWM波形信号和电平信息；GPS惯性导航模块内置有加速度计和陀螺仪，加速度计用于检测实时的车速变化情况，所述陀螺仪用于检测车辆的转向角度。
本发明的有益效果：利用车载车机系统具有的功能以及GPS定位信息，实现了具有高抗干扰性能的指南针功能；结合GPS惯性导航的特性，通过采集车速、档位、加速度和陀螺仪偏转等信息，在一定时间内未接收到GPS定位信息也能准确指向，提高了指南针精准性。
附图说明
图1：本发明基于GPS惯性导航的车载指南针系统的结构示意图。
图2：本发明基于GPS惯性导航的车载指南针显示方法的结构示意图。
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晰，下面将结合实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于GPS惯性导航的车载指南针系统的结构示意图。该系统包括获取模块、GPS惯性导航模块和解析模块，其中，获取模块与CAN总线通讯连接，获取模块、GPS惯性导航模块和解析模块顺次通讯连接，解析模块内置有指南针应用程序，用于通过UI界面将解析结果直观地向用户反馈。
具体地，获取模块用于从CAN总线获取、解析、输出车速信息和档位信息，将车速信息转换为PWM波形信号，将档位信息转换为电平信息，并输出至GPS惯性导航模块。优选地，获取模块为STM32系列单片机。GPS惯性导航模块内置有独立进行检测的加速度计和陀螺仪，其中，加速度计用于检测实时的车速变化情况，陀螺仪用于检测车辆的转向角度。优选地，GPS惯性导航模块的型号为ubloxM8L。解析模块用于解析由GPS惯性导航模块输出的预测定位信号，获取预测定位信号包含的汽车航行方向和汽车地理位置，并将汽车航行方向转换为方向角信息。优选地，解析模块为IMX6系列的SOC芯片。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，以应用于上述电子设备来举例说明，该方法包括以下步骤：
S1、获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息，并将车速信息和档位信息发送至GPS惯性导航模块。
具体地，获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息；然后将车速信息转换为占空比恒定的PWM波形信号，计算PWM发生频率，将档位信息转换为档位电平信号，并定义档位信息中的前进档位和后退档位分别代表的其中一种档位电平信号；最后将PWM波形信号、PWM发生频率和档位电平信号发送至GPS惯性导航模块。
本实施例中，通过PWM波形信号和PWM发生频率来反映车速信息，限定有效的PWM波形信号的条件为：占空比为50％，每个脉冲高度为2～4cm，脉宽不低于10μs，以在一定车度范围内的最高车速和最低车速行驶时所产生的PWM不能为低电平或高电平。PWM发生频率的计算公式为f＝v/l，其中，f为PWM发生频率，v为车速信息，l为每个PWM脉冲之间的平均间距(l＝2cm)。例如，车速为100Km/h(即为27.27m/s)，f＝27.78/0.02＝1.389kHz。
将档位信息转换为档位电平信号时，定义行车档(1、2、3、4、5或D、S档)为高电平信号，表示车辆正在前进，定义倒车档为低电平信号，表示车辆正在后退。
S2、GPS惯性导航模块实时产生预测定位信号以及实时接收车速信息、档位信息和GPS定位信号，根据上一次产生的预测定位信号以及当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算出该时刻的预测定位信号。
S3、GPS惯性导航模块根据GPS定位信号的强度修正预测定位信号的权重，并将修正后的预测定位信号输出至辨向模块。
在正常情况下，GPS惯性模块会定时接收到一个最新的GPS定位信号，但在车辆高速行驶时，接收最新的GPS定位信号前的时间间隔内，车辆位置会产生较大偏差，另一个是在城区高楼、隧道、地下停车场或其他不利于接收GPS定位信号的场景里，都为对定位和方向指南产生较大误差。
GPS惯性导航模块的预测计算原理基于基于卡尔曼滤波算法实现，从一组有限的、包含噪声的物体位置的观察序列预测出物体的位置坐标及速度。在步骤S2以及步骤S3中，GPS惯性导航模块产生预测定位信号的过程可理解为更新阶段和预测阶段，在预测阶段中，在上一时刻的预测定位信号的基础上，对当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息进行积分运算，推测出目前的位置和方向，从而得到本次时刻的预测定位信号；其中，结合车速信息和加速度信息可以获取一时段内汽车行驶的距离，档位信息可以反映一时段内汽车是前进还是后退，陀螺仪信息可以反映一时段内汽车的转向角度，从而在上一时刻的预测定位信号基础上估算下一时刻的预测定位信号。在更新阶段中，即该时刻接收到最新的GPS定位信号，跟新车辆的航向信息，GPS惯性导航模块将该时刻接收到的GPS定位信号与预测定位信号作对比，根据GPS定位信号的强度，对预测定位信号进行调整，减少预测定位信号的误差。
预测计算的过程为：GPS惯性导航模块以上一时刻输出的预测定位信号为基准，对当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息进行积分运算，推算出本次时刻的预测定位信号。
S4、解析模块解析预测定位信号，获取汽车航行方向和汽车地理位置，调取预置的指南针应用程序，计算汽车航行方向与汽车地理位置正北方之间的偏转角度，并将偏转角度转换为方向角信息。
上述GPS定位信号和预测定位信号均包括有经纬度信息(汽车地理位置)、定位状态信息、地面速率、日期、磁偏角信息和汽车航向方向等。指南针应用程序获取汽车地理位置和汽车航向方向后，以汽车当前位置的北方(地理北)为基准，计算汽车当前位置的北方与汽车航行方向顺时针方向上的偏转角度，将偏转角度转换为方向角并展示给用户，方向角指的是现有使用指南针上的方向角，例如，偏转角0°～90°表示地理北～地理东的范围方向上。
与现有技术相比，本发明提供的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法及系统利用车载车机系统具有的功能以及GPS定位信息，实现了具有高抗干扰性能的指南针功能；结合GPS惯性导航的特性，通过采集车速、档位、加速度和陀螺仪偏转等信息，在一定时间内未接收到GPS定位信息也能准确指向，提高了指南针精准性，具有显著进步意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息，并将车速信息和档位信息发送至GPS惯性导航模块；
S2、GPS惯性导航模块实时产生预测定位信号以及实时接收车速信息、档位信息和GPS定位信号，根据上一次产生的预测定位信号以及当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算出该时刻的预测定位信号；
S3、GPS惯性导航模块根据GPS定位信号的强度修正预测定位信号的权重，并将修正后的预测定位信号输出至解析模块；
S4、解析模块解析预测定位信号，获取汽车航行方向和汽车地理位置，调取预置的指南针应用程序，计算汽车航行方向与汽车地理位置正北方之间的偏转角度，并将偏转角度转换为方向角信息。
2.根据权利要求1所述的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，上述步骤S1的具体步骤如下：
获取模块从CAN总线实时获取车速信息和档位信息；
将车速信息转换为占空比恒定的PWM波形信号，计算PWM发生频率；
并将档位信息转换为档位电平信号，并定义档位信息中的前进档位和后退档位分别代表的其中一种档位电平信号；
获取模块将PWM波形信号和档位电平信号发送至GPS惯性导航模块。
3.根据权利要求2所述的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，所述PWM发生频率的计算公式为f＝v/l，其中，f为PWM发生频率，v为车速信息，l为每个PWM脉冲之间的平均间距。
4.根据权利要求3所述的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，所述PWM波形信号的占空比为50％，所述平均间距为2cm。
5.根据权利要求1所述的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，上述步骤S2中，GPS惯性导航模块以上一时刻输出的预测定位信号为基准，对当前车速信息、当前档位信息、加速度信息和陀螺仪信息进行积分运算，推算出本次时刻的预测定位信号。
6.根据权利要求1所述的基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，上述步骤S4中，所述偏转角度的偏转方向为顺时针方向。
7.一种基于GPS惯性导航的车载指南针系统，适用于上述基于GPS惯性导航的车载指南针实现方法，其特征在于，包括：
获取模块，用于从CAN总线获取、解析、输出车速信息和档位信息；
GPS惯性导航模块，用于获取车速信息、档位信息以及实时的GPS定位信号，还用于根据车速信息、档位信息、加速度信息和陀螺仪信息计算预测定位信号，并且输出预测定位信号；
解析模块，用于解析预测定位信号，获取预测定位信号分别包含的汽车地理位置和汽车航行方向，并将汽车航行方向转换为方向角信息；
所述获取模块与CAN总线通讯连接，获取模块、GPS惯性导航模块和解析模块顺次通讯连接，所述解析模块内置有指南针应用程序。
8.根据权利要求7所述的基于GPS惯性导航的车载指南针系统，其特征在于，所述获取模块还用于将车速信息转换为PWM波形信号，将档位信息转换为电平信息，以及输出PWM波形信号和电平信息；
所述GPS惯性导航模块内置有加速度计和陀螺仪，所述加速度计用于检测实时的车速变化情况，所述陀螺仪用于检测车辆的转向角度。
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