CN1955639A - 车载速度测量仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载速度测量仪的校准方法，包括有以下步骤：GPS接收仪接收到GPS定位数据；车载的速度测量仪得到的仪表数据；判断GPS定位数据和仪表数据，符合是否速度校准模型：I.若不符合，重新接收GPS定位数据和仪表数据；II.若符合，对测量仪原有的速度因子进行修正，得到新的速度因子，进行保存；此新速度因子与仪表数据的乘积，即为车辆的真实速度。本发明使用GPS的卫星时间来控制速度因子校准的频率，避免了车辆在高速公路行使时由于常常满足校准条件而带来的大量校准操作，从而减少对存储器的频繁擦写，提高器件的可靠性。

Description

车载速度测量仪的校准方法

技术领域

本发明涉及一种对车辆卫星定位和导航的航位推算中车载速度测量仪的校准方法。

背景技术

由于卫星定位技术的日益成熟，各种车辆越来越多使用的卫星定位、导航技术，但在实际应用中，由于大都市高架、隧道、立交桥等原因，许多地区卫星信号接受不良，而且由于城市大建筑物带来的无线电波多路效应，大大降低了卫星的定位精度，严重时造成卫星无法定位，这样的后果是不能提供连续准确的车辆定位，影响了卫星导航系统的使用；为了解决这个问题，现在的车辆导航系统中，普遍使用组合定位技术，即除了利用卫星定位外，还利用航位推算算法，根据角速度传感器测量车辆的航向变化、速度传感器测量的车辆速度值和GPS或其他定位系统提供的基准位置，在卫星定位不好时能够推算出相当高的精度的，而且连续的定位信号。

航位推算算法能够利用GPS或其他定位系统消除航位推算的累积误差，从而实现车辆连续准确的定位和速度、航向的测量；通常使用角速度测量元件为陀螺仪、车辆速度测量元件为车辆里程信号、ABS差速信号、发动机转速信号等车辆速度传感器，由于电路的不同、陀螺特性的不同、车辆种类的不同和车辆轮胎磨损程度不同，为了满足定位的精度，需要对陀螺仪和车辆速度传感器进行校准；而目前没有对安装在车辆现场的陀螺仪和车辆速度传感器存在的误差进行准确校准良好方法，亦即陀螺仪和车辆速度传感器得到的数值不够准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于避免上述现有技术中的不足，而提出一种对车辆卫星定位和导航的航位推算中车载速度测量仪的校准方法，准确地对安装在车辆的组合定位设备中的陀螺仪和车辆速度传感器进行自动校准，从而大大提高组合定位设备生产、安装效率，在车辆使用过程中自动完成对陀螺仪和里程表的校准，自动消除车辆环境温度变化、车辆轮胎磨损的影响，提高航位推算的精度，保证航位推算的可靠性。

本发明所提供的技术方案是：一种车载速度测量仪的校准方法，包括有以下步骤：

a.GPS接收仪接收到GPS定位数据；

b.车载的速度测量仪得到的仪表数据；

c.判断GPS定位数据和仪表数据，是否符合速度校准模型：

I.若不符合，重新接收GPS定位数据和仪表数据；

II.若符合，对测量仪原有的速度因子进行修正，得到新的速度因子，进行保存；其中修正方法为：新速度因子为GPS和测量仪得到的速度变化比值与原有速度因子之积；

d.此新速度因子与仪表数据的乘积，即为车辆的真实速度。

进一步地，所述速度测量仪包括有角速度测量仪和直线速度测量仪，所述速度校准模型包括有角速度校准模型和直线速度校准模型。

进一步地，所述角速度校准模型包括有：GPS接收的卫星数量、GPS定位精度因子、车辆直线速度、车辆转弯的角度值和转弯所耗时间。

进一步地，所述直线速度校准模型包括有：GPS接收的卫星数量、GPS定位精度因子、车辆直行最低速度、车速变化值、车辆行驶最短时间。

进一步地，所述车辆直线行驶包括有相邻两次航向角度差值小于设定值。

进一步地，所述对原有速度因子进行修正：

a.对于角速度校准模型，新角速度因子为GPS和测量仪得到的航向变化比值与原有角速度因子之积；

b.对于直线速度校准模型，新直线速度因子为GPS和测量仪得到的速度比值与与原有直线速度因子之积。

本发明有如下优点：校准过程中，除了使用GPS本身航向信息外，还联合使用陀螺仪测量的车辆航向信息，提高直线行使状态判定的准确性和减少判断时间，从而能提高速度因子校准的可靠性；校准后的速度因子直接写入MCU内部配置文件，代替原来的速度因子，从而断电后也能使用新校准的速度；使用GPS的卫星时间来控制速度因子校准的频率，避免了车辆在高速公路行使时由于常常满足校准条件而带来的大量校准操作，从而减少对存储器的频繁擦写，提高器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为完成本发明的设备原理框图。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明。

如图1所示的一种车载速度测量仪的校准方法，包括有以下步骤：

a.GPS接收仪接收到GPS定位数据；

b.车载的速度测量仪得到的仪表数据；

c.判断GPS定位数据和仪表数据，是否符合速度校准模型：

I.若不符合，重新接收GPS定位数据和仪表数据；

II.若符合，对测量仪原有的速度因子进行修正，得到新的速度因子，进行保存；其中修正方法为：新速度因子为GPS和测量仪得到的速度变化比值与原有速度因子之积；

d.此新速度因子与仪表数据的乘积，即为车辆的真实速度。

上述速度测量仪包括有角速度测量仪和直线速度测量仪，相应的速度校准模型也包括有角速度校准模型和直线速度校准模型。

为了实现该校准方法，车载的陀螺仪信号、车辆速度传感器信号和GPS定位信号，必须接入到同一个微处理器(MCU)或者计算机，如图2的使用航位推算技术的组合定位接收机的原理框图。陀螺仪信号为角度位移信号，为了准确计算角度，经V/F变换或A/D转换后送到MCU中央处理器；直接使用车辆本体的车辆速度传感器测量车辆速度，通过速度与前行/倒车状态的综合测试得倒车辆的位移信号；MCU采用16位微处理器及以上更好性能的MCU，能保证运算速度；MCU中央处理器对卫星电文进行分析和处理，当卫星信号稳定，定位精度满足定位条件时，自动消除自主导航的定位误差，并自动校准陀螺仪和车辆速度传感器；无论何时，MCU中央处理器一直在对车辆速度传感器信号和陀螺仪信号进行处理，计算出自主定位数据；如果MCU中央处理器判断GPS定位精度不够或者卫星定位失效，MCU中央处理器将输出自主定位数据；如果MCU中央处理器判断GPS定位精度优秀，MCU中央处理器将根据卫星信号自动校准陀螺仪和里程表。

MCU软件启动后自动搜索GPS数据接口的定位数据流，能接受NMEA0183格式数据流；并在MCU内部保留一组必要的而且有效的GPS定位参数；在程序启动时，将使用配置文件中的保留的角度因子N₀和速度因子M₀；MCU连续处理和测量车辆速度和角速度，并保留记录一组有效的车辆速度和角度值。

MCU根据自动校准模型判断能否利用GPS定位数据对陀螺仪角度因子和里程表速度因子接口的定位数据流和测量车辆速度和角速度，并保留记录一组有效的车辆速度和角度值。

校准结束后，清除校准的状态和相关记录，等待下一次校准。

一、角速度校准模型：陀螺仪的角度因子用N(mV/deg/s)来表示，表示意义为每秒一度的角速度时，陀螺仪输出的标准电压变化；N值的大小决定于陀螺仪的厂家和型号，对于每个陀螺来说，N值的大小都不一样，在标称值的范围内变化；同时该因子随环境变化而变化，例如安装的水平度、环境温度等。如果信号处理采用V/F转换，陀螺仪的角度因子用Ndeg/s/p是等效的，表示意义为陀螺仪输出的标准电压变化产生的1个脉冲对应的角速度变化值。

通常陀螺仪的校准是在转台上进行的，由于陀螺仪工作在设备内，所以通常需要和设备一起放在转台上，这样调试工作量较大。校准的方法如下：在无GPS信号的条件下，根据陀螺特性设定陀螺仪角度因子为n₀，转台一定速度旋转360°，测量出组合定位设备输出的角度变化值A，如果角度差Δ(|A-360|)小于规定误差值，陀螺仪角度因子N设为n₀是合理的，不需要调整；如果Δ过大，且A大于360，陀螺仪角度因子N需要减小，调整值为N＝n₀×360÷A；如果Δ过大，且A小于360，陀螺仪角度因子N需要增大，调整值为N＝n₀×A÷360；对于陀螺仪，需要反复的校准，确认最终误差落入规定的误差内。

对于有的陀螺仪，正转反转时的因子不同，需要同时校准正反转时的因子。由于安装时的水平度轻微的变化和道路本身的倾斜导致车辆倾斜，在试验室内校准的条件与使用条件会不一致，会影响角度测量的精度，所以在车辆实际条件下的校准是很有必要的。

在GPS接收条件持续良好的情况下，车辆行驶保证转弯过程比较平稳的情况下，就可实现陀螺系数的自动校正。在陀螺系数校正的弯道模型两种转弯模型：90°和180°转弯，可以实现陀螺系数的自动校准。这个模型涉及到卫星数量(NUM)、卫星定位精度因子(PDOP)、传感器测量车辆速度Vs或GPS测量的直线速度Vg、陀螺测量航向Bgyro和GPS测量车辆航向Bgps、状态持续时间T等，具体描述为：

1、GPS接收良好条件：NUM一般大于6颗星，PDOP小于3；

2、直线稳定段车辆速度条件：Vg大于36Km/h；

3、直线稳定段角速度小于0.5度/秒直线行驶条件：相邻两次航向Bgyro或Bgps之差小于0.5度，持续时间6秒以上。

4、转弯的角度范围在60°度到240°；

5、减速转弯、转弯和准备加速阶段对车辆速度没有限制，但转弯过程车辆不要停车，且总转弯时间在30秒以内。

上述1～3项中的设定值都可根据所需情况进行改变。

假设N_I为第i次校准得到的角度因子，在i+1次校准时，计算从开始校准直线段航向到结束时直线段航向的陀螺测量航向变化值ΔBgyro和GPS测量车辆测量航向变化值ΔBgps，这样，

         新角度因子为：N_i+1＝N_i×ΔBgps÷ΔBgyro

计算结束后将新的角度因子N_i+1使用写入到配置文件，代替原来中的保留的角度因子N_i；角度因子校准结束后，清除与角度因子校准有关状态和记录，等待下一次校准。

二、直线速度校准模型：车辆速度传感器的直线速度因子用M(m/p)来表示，表示意义为车辆行驶时一个里程表输出脉冲对应的车辆行驶里程；M值的大小决定于车辆里程表的型号、轮胎的大小，对于不同型号车辆的里程表，M值的可能不一样；对于相同的车辆，由于轮胎的磨损、车胎的气压不同，环境温度的变化，M值的需要精细的调整。

理论上车辆速度传感器的速度因子可以从厂家获得原始值并根据轮胎的大小计算出，也可以通过测定规定距离中的脉冲值获得；为了适应轮胎的磨损、车胎的气压不同，环境温度的变化，速度因子需要在车辆上进行调整，现有利用GPS测量一段时间内的车辆行驶距离和脉冲数的方法来校准速度因子，由于GPS的误差和道路的复杂性(例如：转弯、上下坡等)，速度因子的精度受到一定的影响。

在GPS接收条件持续良好的情况下，车辆行驶保证高速、匀速、直线行驶，这涉及到卫星数量NUM、PDOP、GPS车辆速度Vg、卫星时间(UTC)、陀螺仪或GPS车辆航向Bg、状态持续时间T等，具体描述为：

1、GPS接收良好条件：NUM一般大于6颗星；PDOP小于3；

2、车辆高速行驶条件：Vg大于60Km/h；

3、车辆匀速行驶条件：相邻两次速度ΔV之差小于1.8Km/h；

4、直线行驶条件：相邻两次航向Bg之差小于0.5度；

5、持续时间条件：车辆高速行驶、车辆匀速行驶和直线行驶均持续时间大于6秒；

6、最小校准时间间隔：根据GPS的UTC时间计算，可设定为1小时。

其中，上述六项的设定值都可根据所需情况进行改变。

当上述模型满足时，具体校准方法如下：

设M_I为第i次校准得到的速度因子，在i+1次校准时，GPS测量的速度为Vg，与此同时MCU通过测量车辆速度传感器测量车辆速度为Vs，这样

         新速度因子为M_i+1＝M_i×Vg÷Vs

计算结束后将新的速度因子M_i+1使用写入到配置文件，代替原来中的保留的速度因子M_i；速度因子校准结束后，清除与速度因子校准有关状态和记录，等待下一次校准。

Claims (6)

1、一种车载速度测量仪的校准方法，包括有以下步骤：

a.GPS接收仪接收到GPS定位数据；

b.车载的速度测量仪得到的仪表数据；

c.判断GPS定位数据和仪表数据，是否符合速度校准模型：

I.若不符合，重新接收GPS定位数据和仪表数据；

II.若符合，对测量仪原有的速度因子进行修正，得到新的速度因子，进行保存；其中修正方法为：新速度因子为GPS和测量仪得到的速度变化比值与原有速度因子之积；

d.此新速度因子与仪表数据的乘积，即为车辆的真实速度。

2、根据权利要求1所述的车载速度测量仪的校准方法，其特征在于：所述速度测量仪包括有角速度测量仪和直线速度测量仪，所述速度校准模型包括有角速度校准模型和直线速度校准模型。

3、根据权利要求2所述的车载速度测量仪的校准方法，其特征在于：所述角速度校准模型包括有：GPS接收的卫星数量、GPS定位精度因子、车辆直线速度、直线段所耗时间、车辆转弯的角度值和转弯所耗时间。

4、根据权利要求2所述的车载速度测量仪的校准方法，其特征在于：所述直线速度校准模型包括有：GPS接收的卫星数量、GPS定位精度因子、车辆直行最低速度、车速变化值、车辆行驶最短时间。

5、根据权利要求2或3所述的车载速度测量仪的校准方法，其特征在于：所述车辆直线行驶包括有相邻两次航向角度差值小于设定值。

6、根据权利要求1所述的车载速度测量仪的校准方法，其特征在于：所述对原有速度因子进行修正：

a.对于角速度校准模型，新角速度因子为GPS和测量仪得到的航向变化比值与原有角速度因子之积；

b.对于直线速度校准模型，新直线速度因子为GPS和测量仪得到的速度比值与原有直线速度因子之积。

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