CN111221020A - 一种室内外定位方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及定位技术领域，具体公开了一种室内外定位方法，其中，包括：根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。本发明还公开了一种室内外定位装置及系统。本发明提供的室内外定位方法在不增加车端硬件装置和场端改造成本的前提下克服室内定位的缺陷，采用车端现有的惯导装置和高精度地图信息，实现汽车从地上到地下停车场的一体化定位，提高了定位精度和可靠性，成本较低。

Description

一种室内外定位方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种室内外定位方法、室内外定位装置及包括该室内外定位装置的室内外定位方法。
背景技术
室内外定位是指室内室外一体化定位技术，包含了室外定位、室内定位和室内室外环境切换三个过程。室外定位有GNSS信号源作为绝对参考，再融合IMU数据，通过组合导航可以达到较好的定位效果。但是在室内环境下，由于室内环境复杂，接收不到卫星信号，使得室内定位变得比较困难。另外室外到室内的场景切换，没有高精度地图作为参考依据，很难做到精准判断，所以提出在室内环境无法使用卫星定位时，采用其他室内定位技术解决室内定位的问题，以及室外到室内的一体化定位方法。
目前在没有卫星信号的室内实现室内定位有三种技术路线，一种是在室内布设定位基站，比如蓝牙信标、UWB基站、5G基站、WIFI热点等；一种是基于室外GPS信号引到室内后用IMU来做坐标纠正；另一种是建立室内语义地图，然后通过视觉或激光雷达等传感器进行识别与语义地图进行对比，以获取在地图的位置。
中国专利文献CN201510790928.9公开了一种用于室内定位的智能终端及蓝牙室内定位系统的室内定位方法，该方法采用蓝牙信标来计算出终端的位置，该方法需要在定位区域铺设蓝牙信标和蓝牙网关，成本较高，并且蓝牙的安装位置分布对定位精度也有影响，不同的环境定位也不一样，无法普及使用。
中国专利文献CN201510056693.0公开了一种基于无线信号数据融合的室内定位方法，该方法通过WIFI信号和RFID信号融合的方式提高了室内定位的精度，该方法需要在场端布置WIFI路由器和RFID标签，还需要一个后台服务器，然后在客户端需要搭载一个信号接收设备，结构复杂，成本较高，无法普及使用。
中国专利文献CN201510629975.5公开了一种基于单视觉的机器人室内定位和导航方法，该方法需要有单目摄像头、电子罗盘和声呐传感器，设置三个可识别的标记点，通过单目摄像头测量所在位置，该方案需要的硬件传感器在车端无法统一满足，在地下停车场环境也存在弊端，无法满足使用。
因此，如何提供一种能够满足汽车从地上到地下停车场的一体化定位，且定位精度高成本低的定位方式成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种室内外定位方法、室内外定位装置及包括该室内外定位装置的室内外定位方法，解决相关技术中存在的无法实现对车辆由地上到地下的一体化定位的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种室内外定位方法，其中，包括：
根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
进一步地，所述室内外定位方法还包括在所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型的步骤前进行的：
初始化惯导器件。
进一步地，所述室内外定位方法还包括在所述记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤后进行的：
判断车辆是否进入室内；
若车辆进入室内，则执行记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤。
进一步地，所述判断车辆是否进入室内，包括：
检测室内与室外之间的电子栅栏的开关信号；
分别比较车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内；
若所述电子栅栏的开关信号为开，且所述车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内，则判定所述车辆进入室内。
进一步地，所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型；
对所述室外空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室外的姿态、速度和位置。
进一步地，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据所述GNSS定位的绝对位置和速度以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室外空间状态模型。
进一步地，所述根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型；
对所述室内空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室内的姿态、速度和位置。
进一步地，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据IMU捷联解算的姿态矩阵，将车体坐标系下的速度转化到导航坐标系下；
根据航位推算的速度和位置以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室内空间状态模型。
作为本发明的另一个方面，提供一种室内外定位装置，其中，包括：
模型建立模块，用于根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
记录模块，用于记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
位置获得模块，用于当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
作为本发明的另一个方面，提供一种室内外定位系统，其中，包括：信号源传感器和前文所述的室内外定位装置，所述室内外定位装置与所述信号源传感器通信连接，所述信号源传感器包括车辆CAN信号、GNSS模块、IMU模块和高精度地图数据模块，用于为所述室内外定位装置提供多种信号源，所述室内外定位装置用于根据多种信号源实现车辆在室内和室外的定位。
本发明提供的室内外定位方法，通过IMU和GNSS实现车辆在室外的定位，并通过记录车辆由室外进入室内前一时刻的位置信息以及结合IMU和DR实现车辆在室内的定位。本发明实施例提供的室内外定位方法在不增加车端硬件装置和场端改造成本的前提下克服室内定位的缺陷，采用车端现有的惯导装置和高精度地图信息，实现汽车从地上到地下停车场的一体化定位，提高了定位精度和可靠性，成本较低。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的室内外定位方法的流程图。
图2为本发明提供的室内外定位系统的框架图。
图3为本发明提供的室内外定位方法的具体工作流程图。
图4为本发明提供的室内外定位算法的具体流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种室内外定位方法，图1是根据本发明实施例提供的室内外定位方法的流程图，如图1所示，包括：
S110、根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
S120、记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
S130、当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
本发明实施例提供的室内外定位方法，通过IMU和GNSS实现车辆在室外的定位，并通过记录车辆由室外进入室内前一时刻的位置信息以及结合IMU和DR实现车辆在室内的定位。本发明实施例提供的室内外定位方法在不增加车端硬件装置和场端改造成本的前提下克服室内定位的缺陷，采用车端现有的惯导装置和高精度地图信息，实现汽车从地上到地下停车场的一体化定位，提高了定位精度和可靠性，成本较低。
需要说明的是，IMU，全称Inertial measurement unit，惯性测量装置。GNSS，全称Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统。DR，全称Dead Reckoning，航位推算。
应当理解的是，车辆在室内的定位通常指在地下停车场等场合的定位，车辆在室外的定位通常指地面上的定位，因此，本发明实施例中以地面定位阶段表示室外定位，地下定位阶段表示室内定位。
如图2所示，本发明实施例采用了车辆CAN信号、GNSS模块、IMU模块、高精度地图数据作为信号源，实现多传感器融合定位算法。
下面结合图3和图4对本发明实施例提供的室内外定位方法的具体实现过程进行详细描述。
具体地，所述室内外定位方法还包括在所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型的步骤前进行的：
初始化惯导器件。
惯导器件初始对准：通过矢量定姿原理进行惯导粗对准和精对准，确定载体坐标系相对于导航坐标系的空间方位。
进一步具体地，初始对准的方法包括以下步骤：
已知三维空间中的两个直角坐标系r系和b系，参考矢量V1和V2的投影坐标分别为
Figure BDA0002403079490000051
通过矢量定姿原理求解两坐标系间的方位关系
Figure BDA0002403079490000052
经过粗对准阶段获得粗略的地理导航指向。
为减小测量误差，对参与解算的矢量进行正交和单位化处理：
Figure BDA0002403079490000053
为减小失准角误差，根据惯导系统误差方程规律，建立初始状态空间模型，采用卡尔曼滤波方法获得粗对准状态下失准角的最优估计，实现惯导系统的精对准。
具体地，所述室内外定位方法还包括在所述记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤后进行的：
判断车辆是否进入室内；
若车辆进入室内，则执行记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤。
进一步具体地，所述判断车辆是否进入室内，包括：
检测室内与室外之间的电子栅栏的开关信号；
分别比较车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内；
若所述电子栅栏的开关信号为开，且所述车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内，则判定所述车辆进入室内。
可以理解的是，车辆由地上向地下场景切换过程包括以下步骤：
当车辆靠近车库入口，检测是否进入地下停车场入口电子栅栏，同时分别比较车辆航向角和俯仰角与车库入口的航向角和俯仰角的大小；
若车辆航向角和俯仰角与入口的航向角和俯仰角差距保持在阈值范围内，认为车辆进入地下车库；
记录入口的姿态和初始位置，使用IMU和DR进行组合导航。
具体地，所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型；
对所述室外空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室外的姿态、速度和位置。
进一步具体地，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据所述GNSS定位的绝对位置和速度以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室外空间状态模型。
在本发明实施例中，GNSS以GPS为例进行说明。
具体地，根据IMU单元中陀螺仪输出的角速度
Figure BDA0002403079490000061
进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联结算进行姿态更新
Figure BDA0002403079490000062
获得姿态角(俯仰角、横滚角以及航向角)。
对IMU单元中加速度计输出的比力值
Figure BDA0002403079490000063
通过积分进行速度更新
Figure BDA0002403079490000064
对速度积分进行位置更新
Figure BDA0002403079490000065
Figure BDA0002403079490000066
获得最终东北天三个方向上的速度以及经纬度和高度信息。
考虑杆臂和时间不同步误差δpδt,
Figure BDA0002403079490000067
对GPS定位的绝对位置和速度
Figure BDA0002403079490000068
以及上述过程中获得的捷联解算获得的位置和速度
Figure BDA0002403079490000069
建立状态空间模型
Figure BDA00024030794900000610
进行卡尔曼滤波。根据误差校正捷联解算的速度和位置，并将误差反馈，对姿态进行更新。
具体地，所述根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型；
对所述室内空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室内的姿态、速度和位置。
进一步具体地，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据IMU捷联解算的姿态矩阵，将车体坐标系下的速度转化到导航坐标系下；
根据航位推算的速度和位置以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室内空间状态模型。
根据IMU单元中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联结算进行姿态更新，获得姿态角(俯仰角、横滚角以及航向角)。
对IMU单元中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新，对速度积分进行位置更新，获得最终东北天三个方向上的速度以及经纬度和高度信息。
考虑杆臂误差δpDL，车辆里程计输出的速度
Figure BDA0002403079490000071
数据，根据IMU捷联解算的姿态矩阵
Figure BDA0002403079490000072
将车体坐标系下的速度转化到导航坐标系下，对航位推算的速度和位置pINS以及上述过程中获得的捷联解算获得的位置pINS和速度建立状态空间模型
Figure BDA0002403079490000073
进行卡尔曼滤波。根据误差校正捷联解算的速度和位置，并将误差反馈，对姿态进行更新。
作为本发明的另一实施例，提供一种室内外定位装置，其中，包括：
模型建立模块，用于根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
记录模块，用于记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
位置获得模块，用于当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
本发明实施例提供的室内外定位装置，通过IMU和GNSS实现车辆在室外的定位，并通过记录车辆由室外进入室内前一时刻的位置信息以及结合IMU和DR实现车辆在室内的定位。本发明实施例提供的室内外定位装置在不增加车端硬件装置和场端改造成本的前提下克服室内定位的缺陷，采用车端现有的惯导装置和高精度地图信息，实现汽车从地上到地下停车场的一体化定位，提高了定位精度和可靠性，成本较低。
作为本发明的另一实施例，提供一种室内外定位系统，其中，包括：信号源传感器和前文所述的室内外定位装置，所述室内外定位装置与所述信号源传感器通信连接，所述信号源传感器包括车辆CAN信号、GNSS模块、IMU模块和高精度地图数据模块，用于为所述室内外定位装置提供多种信号源，所述室内外定位装置用于根据多种信号源实现车辆在室内和室外的定位。
本发明实施例提供的室内外定位系统，采用前文的室内外定位装置，通过IMU和GNSS实现车辆在室外的定位，并通过记录车辆由室外进入室内前一时刻的位置信息以及结合IMU和DR实现车辆在室内的定位。本发明实施例提供的室内外定位系统在不增加车端硬件装置和场端改造成本的前提下克服室内定位的缺陷，采用车端现有的惯导装置和高精度地图信息，实现汽车从地上到地下停车场的一体化定位，提高了定位精度和可靠性，成本较低。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种室内外定位方法，其特征在于，包括：
根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
2.根据权利要求1所述的室内外定位方法，其特征在于，所述室内外定位方法还包括在所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型的步骤前进行的：
初始化惯导器件。
3.根据权利要求1或2所述的室内外定位方法，其特征在于，所述室内外定位方法还包括在所述记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤后进行的：
判断车辆是否进入室内；
若车辆进入室内，则执行记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息的步骤。
4.根据权利要求3所述的室内外定位方法，其特征在于，所述判断车辆是否进入室内，包括：
检测室内与室外之间的电子栅栏的开关信号；
分别比较车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内；
若所述电子栅栏的开关信号为开，且所述车辆的航向角和俯仰角与室内入口的航向角与俯仰角的差值是否均在阈值范围内，则判定所述车辆进入室内。
5.根据权利要求1或2所述的室内外定位方法，其特征在于，所述根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型；
对所述室外空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室外的姿态、速度和位置。
6.根据权利要求5所述的室内外定位方法，其特征在于，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及GNSS获得的位置建立室外空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据所述GNSS定位的绝对位置和速度以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室外空间状态模型。
7.根据权利要求1或2所述的室内外定位方法，其特征在于，所述根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息，包括：
根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型；
对所述室内空间状态模型进行卡尔曼滤波，获得车辆在室内的姿态、速度和位置。
8.根据权利要求7所述的室内外定位方法，其特征在于，所述根据IMU捷联解算获得的位置以及根据DR航位推算获得的位置建立室内空间状态模型，包括：
根据IMU中陀螺仪输出的角速度进行二子样圆锥误差补偿，通过捷联解算进行姿态更新，获得姿态角；
对IMU中加速度计输出的比力值通过积分进行速度更新得到更新后的速度；
对更新后的速度通过积分进行位置更新，获得东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息；
根据IMU捷联解算的姿态矩阵，将车体坐标系下的速度转化到导航坐标系下；
根据航位推算的速度和位置以及根据IMU获得的东北天三个方向上的速度、经纬度和高度信息建立室内空间状态模型。
9.一种室内外定位装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于根据IMU和GNSS组合导航定位方法建立室外空间状态模型，获得车辆在室外的位置信息；
记录模块，用于记录车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息；
位置获得模块，用于当车辆进入到室内时，根据所述车辆在室外进入室内前一时刻的位置信息以及IMU和DR组合导航定位方法建立室内空间状态模型，获得车辆在室内的位置信息。
10.一种室内外定位系统，其特征在于，包括：信号源传感器和权利要求9所述的室内外定位装置，所述室内外定位装置与所述信号源传感器通信连接，所述信号源传感器包括车辆CAN信号、GNSS模块、IMU模块和高精度地图数据模块，用于为所述室内外定位装置提供多种信号源，所述室内外定位装置用于根据多种信号源实现车辆在室内和室外的定位。
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