CN202614240U - 结合车辆诊断系统的航迹推算装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结合车辆诊断系统的航迹推算装置，包括：一惯性感测单元，测量一车辆的角速度、加速度、气压值、及方位角；一全球定位装置，输出一全球定位信息；一车辆诊断装置，提供车辆的车速；一微控制单元，产生一精确位置而获得一车辆航迹；以及一输出装置用来输出车辆航迹。进而提升了车辆航迹推算的连续性、准确性、及可靠性。

Description

结合车辆诊断系统的航迹推算装置

技术领域

本实用新型是关于一种航迹推算装置，尤指一种适用于结合车辆诊断系统的航迹推算装置。

背景技术

车辆航迹推算的功能在于显示车辆目前的位置，让驾驶者知道车辆目前所在地点、或进行车辆的监控等应用。常见的车辆航迹推算系统可通过全球卫星定位系统(G1obal Positioning System，GPS)于全天候、连续地提供实时高精度的三维位置和速度信息以推得车辆行进的路线。然而，GPS接收机只有在接收到四颗以上的卫星信号才能完成定位计算。因此，当车辆在高楼林立的市区、通过陆桥以及隧道时，卫星信号将容易受到遮挡，以致于无法提供驾驶者连续、准确、可靠的车辆航迹。

而另一种常见的车辆航迹推算系统为一惯性导航系统(inertialnavigation system，INS)，利用加速度计、陀螺仪...等惯性感测单元(inertialmeasurement units，IMU)，具有不依赖外界信息，来进行航迹推算，其具有隐蔽性好、抗辐射性强、可全天候测量的优点。然而，此惯性导航系统如同一般的开回路控制系统，意即测量误差随时间而累积，不适合长时间独立工作，亦无法符合估测车辆位置以及航迹推算需具备准确性和可靠性的特性。

源因于此，本实用新型提供一种推算车辆行进的路线，并提升其连续性以及准确性的车辆航迹推算装置。

实用新型内容

鉴于现有技术中，使用单一的航迹推算系统无法满足人们对车辆航迹推算需具备连续、准确、可靠的特性。本实用新型整合全球卫星定位系统、车上诊断系统(On-Board Diagnostics)、及惯性导航系统，并通过卡尔曼滤波器(Kalman Filter)滤除估测车辆位置的噪声，以推算车辆行进路线，克服了全球卫星定位系统易受地形地物遮挡而导致定位中断，并改善惯性导航系统的测量误差随时间累积的缺点，进而提升车辆航迹推算的连续性、准确性、及可靠性。

为达成上述目的，本实用新型提供了一种结合车辆诊断系统的航迹推算装置，包括一惯性感测单元、一全球定位装置、一车辆诊断装置、一微控制单元、及一输出装置。惯性感测单元测量一车辆的角速度、加速度、气压值、及方位角。全球定位装置则每隔一第一时间间隔输出一全球定位信息。车辆诊断装置提供车辆的车速。微控制单元耦接惯性感测单元、车辆诊断装置、及全球定位装置，以据此产生一精确位置而获得一车辆航迹。输出装置耦接微控制单元，用以输出车辆航迹。

此外，微控制单元可包含一高度估算单元、一航迹演算单元、一惯性演算单元、及一估算与修正单元。高度估算单元可接收气压值，以产生车辆所在高度。航迹演算单元则可接收角速度、方位角、车速、及车辆所在高度，以于全球定位信息未产生时，以每隔一第二时间间隔输出代表车辆所在位置、速度、及角度的一航迹定位信息。惯性演算单元可接收角速度、加速度、及车辆所在高度，以于全球定位信息、及航迹定位信息未产生时，以每隔一第三时间间隔输出代表车辆所在位置、速度、及角度的一惯性定位信息。以及估算与修正单元可耦接惯性演算单元及航迹演算单元，以修正航迹定位信息、及惯性定位信息，并于估算与修正单元收到全球定位信息时，以全球定位信息作为精确位置，反之，则以航迹定位信息作为精确位置，而当估算与修正单元未收到全球定位信息、及航迹定位信息时，则以惯性定位信息作为精确位置。

再者，微控制单元可更包含一地图修正单元，耦接估算与修正单元，以校正车辆航迹。

再者，本实用新型的第一时间间隔可大于第二时间间隔、及第三时间间隔，以于第一时间间隔内推得车辆行进路线，克服了全球卫星定位系统易受地形地物遮挡而导致定位中断。而上述的第二时间间隔可等于第三时间间隔，以改善惯性导航系统的测量误差随时间累积的缺点。

再者，车辆诊断装置可为一车上诊断系统(On-Board Diagnostics)。且当车速可小于一过低速度时，车辆诊断装置无法侦测到车速。

再者，输出装置可为一泛欧数字式移动电话系统(GSM)。

再者，惯性感测单元可包括一陀螺仪、一加速计、一气压计、及一电子罗盘。陀螺仪可用以测量角速度。加速计可用以测量加速度。气压计可用以测量气压值。而电子罗盘则可用以测量方位角。

再者，估算与修正单元可包含一滤波单元，以滤除全球定位信息、航迹定位信息、及惯性定位信息的噪声，并产生位置修正值至惯性演算单元及航迹演算单元，以取得更准确的精确位置。其中，滤波单元可为一卡尔曼滤波器(Kalman Filter)。

再者，惯性演算单元可于接收到代表全球定位信息的位置修正值，以全球定位信息作为惯性定位信息的初始位置，并以方位角作为车辆初始角度；且可于接收到非代表全球定位信息的位置修正值时，通过角速度推算车辆目前所在角度。

另外，航迹演算单元可于接收到代表全球定位信息的位置修正值，以全球定位信息作为航迹定位信息的初始位置，并以方位角作为车辆初始角度；且可于接收到非代表全球定位信息的位置修正值时，通过角速度推算车辆目前所在角度。

本实用新型所公开的结合车辆诊断系统的航迹推算装置具有的有益效果是：本实用新型整合全球卫星定位系统、车上诊断系统、及惯性导航系统，并通过卡尔曼滤波器滤除估测车辆位置的噪声，以推算车辆行进路线，不但克服了全球卫星定位系统易受地形地物遮挡而导致定位中断，更可以改善惯性导航系统的测量误差随时间累积的缺点，进而提升车辆航迹推算的连续性、准确性、及可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一较佳实施例的结合车辆诊断系统的航迹推算装置示意图。

图2(A)是本实用新型一较佳实施例的航迹定位信息推算示意图。

图2(B)是本实用新型一较佳实施例的惯性定位信息推算示意图。

图3是本实用新型一较佳实施例的结合车辆诊断系统的航迹推算装置流程图。

图4是本实用新型一较佳实施例的车辆航迹示意图。

【主要元件符号说明】

10       惯性感测单元       20     全球定位装置

30       车辆诊断装置       40     微控制单元

50       输出装置           ω_a    角速度

α_a      加速度             ρ_a    气压值

θ_a      方位角             P_G     全球定位信息

v_a       车速               P      精确位置

420      高度估算单元       430    航迹演算单元

410      惯性演算单元       440    估算与修正单元

450      地图修正单元       H_B     高度

P_F       航迹定位信息

P_I       惯性定位信息

442      滤波单元

S11-S81  步骤

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

参考图1，为本实用新型一较佳实施例的结合车辆诊断系统的航迹推算装置的示意图。如图1所示，航迹推算装置包含一惯性感测单元10、一全球定位装置20、一车辆诊断装置30、一微控制单元40、及一输出装置50。其中，惯性感测单元10测量一车辆的角速度ω_a、加速度α_a、气压值ρ_a、及方位角θ_a。全球定位装置20每隔一第一时间间隔输出一全球定位信息P_G。车辆诊断装置30则提供车辆的车速v_a。在本实施例中，车辆诊断装置30为一车上诊断系统(On-Board Diagnostics)。微控制单元40耦接惯性感测单元10、车辆诊断装置30、及全球定位装置20，以据此产生一精确位置P进而获得一车辆航迹。而输出装置50则耦接微控制单元40，以输出车辆航迹。在本实施例中，输出装置50为一泛欧数字式移动电话系统(GSM)。

所述惯性感测单元10包括一陀螺仪、一加速计、一气压计、及一电子罗盘。其中，陀螺仪用以测量角速度ω_a、加速计用以测量加速度α_a、气压计用以测量气压值ρ_a、而电子罗盘则用以测量方位角θ_a。

微控制单元40包含一高度估算单元420、一航迹演算单元430、一惯性演算单元410、一估算与修正单元440、及一地图修正单元450。其中，高度估算单元420接收气压值ρ_a，以通过关系式：

而产生车辆所在高度H_B。其中，ρ_s为标准大气压力，R为气体常数，K_T为温度梯度，g₀为重力加速度，T_S为目前设定温度。

航迹演算单元430接收角速度ω_a、方位角θ_a、车速v_a、及车辆所在高度H_B，以于全球定位信息P_G未产生时，以每隔一第二时间间隔输出代表车辆所在位置、速度、及角度的一航迹定位信息P_F。惯性演算单元410接收角速度ω_a、加速度α_a、及车辆所在高度H_B，当全球定位信息P_G、及航迹定位信息P_F未产生时，以每隔一第三时间间隔输出代表车辆所在位置、速度、及角度的一惯性定位信息P_I。在本实施例中，车辆速度高于时速3公里时，车辆诊断装置30即可提供车速v_a，而若车辆速度低于时速3公里时，车辆诊断装置30将无法提供车速v_a。

地图修正单元450则耦接估算与修正单元440，以校正车辆航迹。当车辆驶于路上时，精确位置P可能被会定位到旁边非道路的地方，而通过地图修正单元450的校正，就可以把车辆拉回至更正确的位置，并传送车辆航迹至输出装置50。在本实施例中，输出装置为一泛欧数字式移动电话系统(GSM)单元。

而估算与修正单元440则耦接惯性演算单元410、及航迹演算单元430，以修正航迹定位信息P_F、及惯性定位信息P_I，并于估算与修正单元440接收到全球定位信息P_G时，以全球定位信息P_G作为精确位置P；反之，则以航迹定位信息P_F作为精确位置P；而当车速v_a小于一过低速度时，车辆诊断装置30将因速度过慢而无法侦测到车速v_a。在本实施例中，过低速度为时速低于3公里以下的车速。此时，估算与修正单元440将不会收到全球定位信息P_G、以及航迹定位信息P_F，而估算与修正单元440将以惯性定位信息P_I作为精确位置P。在本实施例中，第一时间间隔大于第二时间间隔、及第三时间间隔，且第二时间间隔等于第三时间间隔，以于估算与修正单元440未收到全球定位信息P_G时，由航迹演算单元430、或惯性演算单元410推得车辆行进路线。

如下所述，估算与修正单元440包含一滤波单元442，以滤除全球定位信息P_G、航迹定位信息P_F、及惯性定位信息P_I的噪声，并产生一位置修正值至惯性演算单元410及航迹演算单元430。在本实施例中，滤波单元442为一卡尔曼滤波器(Kalman Filter)。当惯性演算单元410接收到代表全球定位信息P_G的位置修正值，以全球定位信息P_G作为惯性定位信息P_I的初始位置，并以方位角θ_a作为车辆初始角度，而当惯性演算单元410接收到非代表该全球定位信息P_G的位置修正值时，则通过角速度ω_a推算车辆目前所在角度。另外，当航迹演算单元430接收到代表全球定位信息P_G的位置修正值，则以全球定位信息P_G作为航迹定位信息P_F的初始位置，并以方位角θ_a作为车辆初始角度，而当航迹演算单元430接收到非代表全球定位信息P_G的位置修正值时，则通过角速度ω_a推算车辆目前所在角度。

请同时参考图2(A)，为本实用新型一较佳实施例的航迹定位信息推算示意图。在本实施例中，当航迹演算单元430接收到非代表全球定位信息PG的位置修正值时，此时，航迹演算单元430将在第二时间间隔计算下一次的航迹定位信息P_F，其关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Fi}}=(x_i=x_{i-1}+(v_{\mathrm{ai}}\×t_i)\×\cos f\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}\right),y_i=y_{i-1}+(v_{\mathrm{ai}}\×t_i)\×\sin f\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}\right)),i=0,...n;\\ H_{\mathrm{Bk}}=H_{\mathrm{Bk}},k=1...n;\end{array}\right.$

其中，x_i-1，y_i-1，为目前航迹定位信息，P_Fi，H_Bk，x_i，y_i为下一次的航迹定位信息，v_an为车辆诊断装置所侦测到的车度，t_i为第二时间间隔，f(ω_ai)为车辆目前所在角度。

请同时参考图2(B)，为本实用新型一较佳实施例的惯性定位信息推算示意图。在本实施例中，若惯性演算单元410接收到非代表全球定位信息P_G的位置修正值时，此时，惯性演算单元410将在第三时间间隔计算下一次的惯性定位信息P_I，其关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Ig}}=(x_g=x_{g-1}+D_g\×\cos f\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ag}}\right),y_g=y_{g-1}+D_g\×\sin f\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ag}}\right)),g=0...n;\\ H_{\mathrm{Bh}}=H_{\mathrm{Bh}},h=1...n;\end{array}\right.$

其中，x_g-1，y_g-1，H_Bh为目前惯性定位信息，P_Ig，x_g，y_g为下一次的惯性定位信息，D_g为车辆移动距离，f(ω_ag)为车辆目前所在角度。

接着，请参考图3，为本实用新型一较佳实施例的航迹推算装置流程图。在本实施例中，一车辆行驶于路上并使用本实用新型以推算车辆航迹，一开始，估算与修正单元440将侦测全球定位装置20是否有提供全球定位信息P_G(步骤S11)。若有，则全球定位信息P_G通过滤波单元442修正，以作为精确位置P，并输出至地图修正单元450(步骤S71)；反之，将通过航迹演算单元430、或惯性演算单元410估算车辆所在位置、速度、及角度(步骤S21)。接下来，估算与修正单元440去侦测车辆诊断装置30是否有提供车辆的车速v_a(步骤S31)。若有，则估算与修正单元440传送位置修正值至航迹演算单元430(步骤S41)。接着，航迹演算单元430将以全球定位信息P_G作为航迹定位信息的初始位置，并于每一第二时间间隔估测车辆目前所在位置、速度、及角度，以产生航迹定位信息P_F并输出至估算与修正单元440(步骤S51)；若无，则估算与修正单元440传送位置修正值至惯性演算单元410(步骤S43)，并于每一第三时间间隔估测车辆目前所在位置、速度、及角度，以产生惯性定位信息P_I并输出至估算与修正单元440(步骤S53)。其中，上述估测车辆目前所在高度H_B根据气压值ρ_a来估算(步骤S61)。接着，由估算与修正单元440接受到的航迹定位信息P_F、或惯性定位信息P_I将通过滤波单元442修正，以作为精确位置P，并输出至地图修正单元450(步骤S71)。地图修正单元450接收并校正精确位置P，以显示车辆航迹于输出装置50(步骤S81)。

再来，请参考图4，为本实用新型一较佳实施例的车辆航迹示意图。“·”代表全球定位信息P_G；“＊”则代表航迹定位信息P_F；而“△”则代表惯性定位信息P_I。如图4所示，时间点t0、t4、t8为全球定位装置20输出全球定位信息P_G的时间点，故精确位置P为全球定位信息P_G，例如P_G0、P_G1、P_G2；时间点t1、t5为全球定位装置20未输出全球定位信息P_G，且车辆速度过慢，以致车辆诊断装置30侦测不到车速v_a的时间点，故精确位置P为惯性定位信息P_I，例如P_I1、P_I2；而时间点t2、t3、t6、t7、t9、及t10则为全球定位装置20未输出全球定位信息P_G，且车辆诊断装置30侦测出车速v_a的时间点，故精确位置P为航迹定位信息P_F，例如P_F1、P_F2、P_F3、P_F4、P_F5。接着，估算与修正单元440将链接时间点t0～t10的精确位置P以获得车辆航迹(实线)，并传送至地图修正单元450作校正，以输出车辆航迹到输出装置50。

由上述可知，本实用新型整合全球卫星定位系统、车上诊断系统、及惯性导航系统，并通过卡尔曼滤波器滤除估测车辆位置的噪声，以推算车辆行进路线，不但克服了全球卫星定位系统易受地形地物遮挡而导致定位中断，更可以改善惯性导航系统的测量误差随时间累积的缺点，进而提升车辆航迹推算的连续性、准确性、及可靠性。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结合车辆诊断系统的航迹推算装置，其特征在于，包括：

一惯性感测单元，测量一车辆的角速度、加速度、气压值、及方位角；

一全球定位装置，每隔一第一时间间隔输出一全球定位信息；

一车辆诊断装置，提供该车辆的车速；

一微控制单元，耦接该惯性感测单元、该车辆诊断装置、及该全球定位装置；以及

一输出装置，耦接该微控制单元。

2.如权利要求1所述的航迹推算装置，其特征在于，其中，该车辆诊断装置为一车上诊断系统。

3.如权利要求1所述的航迹推算装置，其特征在于，其中，该车速高于一预定速度时，该车辆诊断装置即侦测到该车速。

4.如权利要求1所述的航迹推算装置，其特征在于，其中，该输出装置为一泛欧数字式移动电话系统(GSM)。

5.如权利要求1所述的航迹推算装置，其特征在于，其中，该惯性感测单元包括：

一陀螺仪，用以测量该角速度；

一加速计，用以测量该加速度；

一气压计，用以测量该气压值；以及

一电子罗盘，用以测量该方位角。 

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