CN112577485A - 一种基于惯性导航的定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于惯性导航的定位系统及方法，属于车辆定位技术领域。先接收图像采集装置采集的车顶上空图像，并判断车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，在存在目标遮挡物时利用惯性导航系统对车辆进行定位，在不存在目标遮挡物时利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位，进而综合利用惯性导航系统和卫星导航系统进行车辆定位，能够进一步提高车辆的定位精度。

Description

一种基于惯性导航的定位系统及方法
技术领域
本发明涉及车辆定位技术领域，特别是涉及一种基于惯性导航的定位系统及方法。
背景技术
随着智能驾驶的兴起与快速发展，惯性导航系统由于具有的输出信息不间断、不受外界干扰的独特优势，可用于提供精确可靠的连续的导航信息。然而，惯性导航系统提供的导航信息，短时间内虽然精度高，但是定位误差会随时间积累。因此，为了提高定位精度，现有技术将惯性导航系统与卫星导航系统相结合，共同用于车辆定位。
然而，随着城市的不断建设发展，城市中高层建筑物、高架桥等建筑物不断增多，而这类建筑物会影响卫星导航系统的定位精度，因此大中城市中卫星导航系统的定位精度也不能达到正常环境下的定位精度。
因此，如何综合使用惯性导航系统和卫星导航系统，以进一步提高车辆定位的精度，是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于惯性导航的定位系统及方法，综合利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位，能够进一步提高车辆的定位精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于惯性导航的定位系统，所述定位系统包括惯性导航系统、卫星导航系统、处理器以及设置于车顶上的图像采集装置；所述惯性导航系统、所述卫星导航系统以及所述图像采集装置均与所述处理器通信连接；
所述惯性导航系统和所述卫星导航系统均用于实时对车辆进行定位，得到车辆的位置信息，并将所述位置信息传输至所述处理器；
所述图像采集装置用于实时拍摄车顶上空图像，并将所述车顶上空图像传输至所述处理器；所述车顶上空图像为所述图像采集装置在车顶向上拍摄得到的图像；
所述处理器用于实时判断接收到的所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物；所述目标遮挡物为允许车辆通过但影响卫星信号的建筑物；所述处理器还用于在存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，在不存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位。
一种基于惯性导航的定位方法，所述定位方法包括如下步骤：
接收图像采集装置采集的车顶上空图像；
判断所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果为是时，利用惯性导航系统对车辆进行定位；
当所述第一判断结果为否时，利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种基于惯性导航的定位系统及方法，先接收图像采集装置采集的车顶上空图像，并判断车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，在存在目标遮挡物时利用惯性导航系统对车辆进行定位，在不存在目标遮挡物时利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位，进而综合利用惯性导航系统和卫星导航系统进行车辆定位，能够进一步提高车辆的定位精度。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例2所提供的定位方法的方法流程图。
图2为本发明实施例2所提供的仅利用惯性导航系统进行定位的方法流程图。
图3为本发明实施例2所提供的同时利用惯性导航系统和卫星导航系统进行定位的方法流程图。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种基于惯性导航的定位系统及方法，综合利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位，能够进一步提高车辆的定位精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例用于提供一种基于惯性导航的定位系统，所述定位系统包括惯性导航系统、卫星导航系统、处理器以及设置于车顶上的图像采集装置；所述惯性导航系统、所述卫星导航系统以及所述图像采集装置均与所述处理器通信连接；
所述惯性导航系统和所述卫星导航系统均用于实时对车辆进行定位，得到车辆的位置信息，并将所述位置信息传输至所述处理器；
所述图像采集装置用于实时拍摄车顶上空图像，并将所述车顶上空图像传输至所述处理器；所述车顶上空图像为所述图像采集装置在车顶向上拍摄得到的图像，图像中可以包括车顶上空的天空以及建筑物等。图像采集装置可以为广角摄像头，且图像采集装置的镜头竖直向上对准天空，在车辆在城市内行驶的过程中实时采集车顶上空图像。此外，图像采集装置沿车辆行驶方向与地面之间的夹角也可为锐角，进而能够提前预判车辆即将驶入的路线上方是否存在目标遮挡物，能够进一步提前确定仅使用惯性导航系统的时机，进而使惯性导航系统所使用的基准位置信息精度较高，提高了无法使用卫星定位时通过惯性导航系统进行定位的定位精度。
所述处理器用于实时判断接收到的所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物；所述目标遮挡物为允许车辆通过但影响卫星信号的建筑物；目标遮挡物可以为隧道、桥梁或高架桥等。
所述处理器还用于在存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，在不存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位。
由于遮挡物会遮挡和反射定位卫星发射的卫星信号，从而降低卫星导航系统的定位精度，且遮挡物面积比越大，遮挡物对卫星信号的影响就会越严重，卫星导航系统的定位精度就越差，因此，本实施例中还提供了另外一种综合使用卫星导航系统和惯性导航系统的方法，具体为，处理器先用于实时判断接收到的车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，若不存在目标遮挡物，则利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位；若存在目标遮挡物，则处理器实时计算接收到的车顶上空图像中的遮挡物面积比；所述遮挡物面积比为所述车顶上空图像中目标遮挡物的面积与所述车顶上空图像的面积之间的比值。所述处理器还用于在所述遮挡物面积比大于设定比值时，利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，在所述遮挡物面积比不大于设定比值时，利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位。
由于惯性导航系统的导航精度受到导航初始误差和器件误差的综合影响，因此在惯性导航系统工作之前必须对系统进行调整，以保证导航计算机在正式工作时有精确的初始条件，一般意义上惯导自对准依靠陀螺和加速度计输出进行姿态初始对准，但惯性导航系统每次使用之前需要较长的初始对准时间。故本实施例中的定位系统还包括天文导航系统；所述天文导航系统与所述处理器通信连接；所述天文导航系统用于实时对车辆进行定位，得到车辆的位置信息，并将所述位置信息传输至所述处理器；所述处理器还用于在所述定位系统开始工作时，将所述天文导航系统输出的位置信息传输至所述惯性导航系统，对所述惯性导航系统进行初始校准，进而能够利用天文导航系统为惯性导航系统提供初始位置信息，减少惯性导航系统的初始对准时间。
作为一种可选的实施方式，所述定位系统包括多个惯性导航系统和多个卫星导航系统；所述处理器还用于实时计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差，判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，并在所述第一方差大于所述第一设定阈值时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常。同时，所述处理器还用于实时计算多个所述卫星导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第二方差，判断所述第二方差是否大于第二设定阈值，并在所述第二方差大于所述第二设定阈值时，判定所述卫星导航系统的工作状态存在异常。进而处理器能够将多个惯性导航系统的输出位置信息进行数据比对以判断惯性导航系统的工作状态是否存在异常，将多个卫星导航系统的输出位置信息进行数据比对以判断卫星导航系统的工作状态是否存在异常，使定位系统能够提前预判得到的位置信息是否准确，不再输出有误的定位数据，提高定位系统的定位精度，防止由于定位数据有误而导致发生安全事故这一情况的发生，定位系统的可靠性和可用性得到进一步提升，能够为车辆提供安全可靠的定位信息。
具体的，通过确定惯性导航系统和卫星导航系统的工作状态来提高定位系统的定位精度的方法具体为：若处理器判断存在目标遮挡物或遮挡物面积比大于设定比值，则利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，进而处理器仅需确定惯性导航系统的工作状态是否存在异常，具体为计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差，并判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果。当所述第二判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；当所述第二判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息。进而在存在目标遮挡物或遮挡物面积比大于设定比值的情况下，卫星导航系统定位精度差，故仅采用惯性导航系统进行车辆定位，并同时通过所有惯性导航系统输出的位置信息之间的方差来确定惯性导航系统的工作状态是否存在异常，在工作状态异常时，采用天文导航系统对车辆进行定位，在工作状态正常时，以运行时间最短的惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息，进而能够显著提高定位系统的定位精度，避免定位系统输出有误的定位数据。此外，由于惯性导航系统的定位误差会随时间积累，故在惯性导航系统工作状态正常时，选取所有惯性导航系统中运行时间最短的惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息，能够输出定位误差最低的位置信息，从而进一步提高车辆的定位精度。
若处理器判断不存在目标遮挡物或遮挡物面积比不大于设定比值，则利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位，进而处理器需要同时确定惯性导航系统和卫星导航系统的工作状态是否存在异常，具体为，接收多个惯性导航系统输出的位置信息，并计算多个惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差，并判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果。同时，接收多个卫星导航系统输出的位置信息，并计算多个卫星导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第二方差，并判断所述第二方差是否大于第二设定阈值，得到第三判断结果。当所述第二判断结果为是且所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；当所述第二判断结果为是且所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，而所述卫星导航系统的工作状态正常，以多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息；当所述第二判断结果为否且所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，而所述卫星导航系统的工作状态存在异常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；当所述第二判断结果为否且所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均正常，以多个所述惯性导航系统输出的位置信息和多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息。进而能够综合卫星导航系统输出的位置信息、工作状态和惯性导航系统输出的位置信息、工作状态，对车辆进行精确的定位。
由于惯性导航系统提供的导航信息，短时间内虽然精度高，但是定位误差会随时间积累，故本实施例的定位系统还包括多个计时器；多个所述计时器均与所述处理器通信连接；所述计时器的数量与所述惯性导航系统的数量相同；每一所述计时器与一所述惯性导航系统对应连接；所述计时器用于实时采集与其相连接的所述惯性导航系统的运行时间，并将所述运行时间传输至所述处理器；所述处理器还用于在所述惯性导航系统的运行时间大于设定运行时间时，重启所述惯性导航系统，并利用所述天文导航系统当前时刻输出的位置信息对重启后的所述惯性导航系统进行初始校准，进而能够防止惯性导航系统的定位误差递增的情况，保证惯性导航系统的定位精度。
进一步的，所述定位系统还包括超声波避障系统；所述超声波避障系统设置于车尾，并与所述处理器通信连接；所述超声波避障系统用于在车辆倒车时探测车辆后方的障碍物信息，并将所述障碍物信息传输至所述处理器；所述处理器还用于根据所述障碍物信息、所述惯性导航系统输出的车辆的位置、速度、航向和姿态角，判断在车辆倒车的行驶路线上车辆是否会与障碍物相撞。
实施例2：
本实施例用于提供一种基于惯性导航的定位方法，采用如实施例1所述的定位系统进行工作，如图1所示，所述定位方法包括如下步骤：
步骤一：接收图像采集装置采集的车顶上空图像；
步骤二：判断所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，得到第一判断结果；
步骤三：当所述第一判断结果为是时，利用惯性导航系统对车辆进行定位；
步骤四：当所述第一判断结果为否时，利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位。
其中，如图2所示，步骤三具体包括：
步骤301：接收多个所述惯性导航系统输出的位置信息；
步骤302：计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差；
步骤303：判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果；
步骤304：当所述第二判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
步骤305：当所述第二判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息。
如图3所示，步骤四具体包括：
步骤401：接收多个所述惯性导航系统输出的位置信息，并计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差；
步骤402：判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果；
步骤403：接收多个所述卫星导航系统输出的位置信息，并计算多个所述卫星导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第二方差；
步骤404：判断所述第二方差是否大于第二设定阈值，得到第三判断结果；
步骤405：当所述第二判断结果为是，所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
步骤406：当所述第二判断结果为是，所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，而所述卫星导航系统的工作状态正常，以多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息；
步骤407：当所述第二判断结果为否，所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，而所述卫星导航系统的工作状态存在异常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
步骤408：当所述第二判断结果为否，所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均正常，以多个所述惯性导航系统输出的位置信息和多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括惯性导航系统、卫星导航系统、处理器以及设置于车顶上的图像采集装置；所述惯性导航系统、所述卫星导航系统以及所述图像采集装置均与所述处理器通信连接；
所述惯性导航系统和所述卫星导航系统均用于实时对车辆进行定位，得到车辆的位置信息，并将所述位置信息传输至所述处理器；
所述图像采集装置用于实时拍摄车顶上空图像，并将所述车顶上空图像传输至所述处理器；所述车顶上空图像为所述图像采集装置在车顶向上拍摄得到的图像；
所述处理器用于实时判断接收到的所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物；所述目标遮挡物为允许车辆通过但影响卫星信号的建筑物；所述处理器还用于在存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，在不存在所述目标遮挡物时，利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位。
2.如权利要求1所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述图像采集装置沿车辆行驶方向与地面之间的夹角为锐角。
3.如权利要求1所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述处理器还用于实时计算接收到的所述车顶上空图像中的遮挡物面积比；所述遮挡物面积比为所述车顶上空图像中目标遮挡物的面积与所述车顶上空图像的面积之间的比值；所述处理器还用于在所述遮挡物面积比大于设定比值时，利用所述惯性导航系统对车辆进行定位，在所述遮挡物面积比不大于设定比值时，利用所述惯性导航系统和所述卫星导航系统对车辆进行定位。
4.如权利要求1所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述定位系统还包括天文导航系统；所述天文导航系统与所述处理器通信连接；
所述天文导航系统用于实时对车辆进行定位，得到车辆的位置信息，并将所述位置信息传输至所述处理器；
所述处理器还用于在所述定位系统开始工作时，将所述天文导航系统输出的位置信息传输至所述惯性导航系统，对所述惯性导航系统进行初始校准。
5.如权利要求4所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括多个惯性导航系统和多个卫星导航系统；
所述处理器还用于计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差，判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，并在所述第一方差大于所述第一设定阈值时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常；
所述处理器还用于计算多个所述卫星导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第二方差，判断所述第二方差是否大于第二设定阈值，并在所述第二方差大于所述第二设定阈值时，判定所述卫星导航系统的工作状态存在异常。
6.如权利要求5所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述定位系统还包括多个计时器；多个所述计时器均与所述处理器通信连接；所述计时器的数量与所述惯性导航系统的数量相同；每一所述计时器与一所述惯性导航系统对应连接；
所述计时器用于实时采集与其相连接的所述惯性导航系统的运行时间，并将所述运行时间传输至所述处理器；
所述处理器还用于在所述惯性导航系统的运行时间大于设定运行时间时，重启所述惯性导航系统，并利用所述天文导航系统当前时刻输出的位置信息对重启后的所述惯性导航系统进行初始校准。
7.如权利要求1所述的一种基于惯性导航的定位系统，其特征在于，所述定位系统还包括超声波避障系统；所述超声波避障系统设置于车尾，并与所述处理器通信连接；
所述超声波避障系统用于在车辆倒车时探测车辆后方的障碍物信息，并将所述障碍物信息传输至所述处理器；
所述处理器还用于根据所述障碍物信息、所述惯性导航系统输出的车辆的位置、速度、航向和姿态角，判断在车辆倒车的行驶路线上车辆是否会与障碍物相撞。
8.一种基于惯性导航的定位方法，采用如权利要求1-7任一项所述的定位系统进行工作，其特征在于，所述定位方法包括如下步骤：
接收图像采集装置采集的车顶上空图像；
判断所述车顶上空图像中是否存在目标遮挡物，得到第一判断结果；
当所述第一判断结果为是时，利用惯性导航系统对车辆进行定位；
当所述第一判断结果为否时，利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位。
9.如权利要求8所述的一种基于惯性导航的定位方法，其特征在于，所述当所述第一判断结果为是时，利用惯性导航系统对车辆进行定位具体包括：
接收多个所述惯性导航系统输出的位置信息；
计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差；
判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果；
当所述第二判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
当所述第二判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息。
10.如权利要求8所述的一种基于惯性导航的定位方法，其特征在于，所述当所述第一判断结果为否时，利用惯性导航系统和卫星导航系统对车辆进行定位具体包括：
接收多个所述惯性导航系统输出的位置信息，并计算多个所述惯性导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第一方差；
判断所述第一方差是否大于第一设定阈值，得到第二判断结果；
接收多个所述卫星导航系统输出的位置信息，并计算多个所述卫星导航系统输出的位置信息之间的方差，得到第二方差；
判断所述第二方差是否大于第二设定阈值，得到第三判断结果；
当所述第二判断结果为是，所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均存在异常，利用天文导航系统对车辆进行定位，以所述天文导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
当所述第二判断结果为是，所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统的工作状态存在异常，而所述卫星导航系统的工作状态正常，以多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息；
当所述第二判断结果为否，所述第三判断结果为是时，判定所述惯性导航系统的工作状态正常，而所述卫星导航系统的工作状态存在异常，以运行时间最短的所述惯性导航系统输出的位置信息作为车辆当前的位置信息；
当所述第二判断结果为否，所述第三判断结果为否时，判定所述惯性导航系统和所述卫星导航系统的工作状态均正常，以多个所述惯性导航系统输出的位置信息和多个所述卫星导航系统输出的位置信息的平均值作为车辆当前的位置信息。
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