CN205049153U - 光电式gps盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，包括成像感光元件、超声传感器、数值信号计算模块；将连续变化的地面信息保存为连续的图片；将连续的图片信息前后对比分析处理，得到图片记录的车辆的纵向、横向的位移，同时，根据超声传感记录的距离信息，计算得到车辆实际移动的纵向、横向的位移，进而得到车辆的速度矢量。本实用新型通过直接采集地面图像信息，经过数字信号处理得到车辆相对于地面的二维速度信息，可用于车辆平面内运动姿态的多参数测量通过超声波传感器离地间隙距离h的动态实时修订，可以有效抵消因车辆俯仰、侧倾和垂向运动所带来的车速测量误差。

Description

光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置

技术领域

本实用新型属于车辆导航技术领域，尤其涉及一种光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置。

背景技术

目前通用车辆导航所需的经纬度、航向角度、速度信息均通过GPS信号处理得到。但是由于实际车辆行驶环境存在地库、隧道、密集楼宇建筑等GPS信号丢失的情况，尤其是某些在隧道中存在分叉道路的情况下，通常的GPS导航不能继续，对驾驶员带来极大不便。

已公开的专利200810095693.1微惯性导航系统及方法，201220150839.X汽车惯性导航系统，201310183675.X一种多功能惯性汽车导航仪均是采用惯性导航的原理进行GPS盲区内车辆运动和位置数据的处理，由于惯性导航元件价格相对较高，需要配备相应的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器，导致整体系统成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，旨在解决现有的车辆普通GPS导航无法实现盲区导航,以及盲区导航需采用惯导元器件存在的成本较高问题。

本实用新型是这样实现的，一种光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，所述光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置包括：

成像感光元件，通过透镜连续接收地面信息，将连续变化的地面信息保存为连续的图像并传输给数值信号计算模块；

超声传感器，实时记录透镜到地面的距离信息并传输给数值信号计算模块；

数值信号计算模块，与成像感光元件、超声传感器连接，用于对获取的图像进行分别采样，并计算得出成像模块所在车身独立测量点实际移动的横向、纵向的位移。

进一步，所述成像感光元件的下方设置有透镜，透镜的一侧安装有以设定角度射向地面光源；选用发光二极管或者激光发射器。

进一步，所述光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置还不快：

俯仰单轴陀螺仪，与数值信号计算模块连接，用于采集路面坡度近似值，并对车辆实际位移进行修正，以匹配地图信息中经度纬度的平面定位状态；

GPS天线，与数值信号计算模块连接，用于实现车辆GPS定位；

输出接口，与数值信号计算模块连接，将运算得到车辆的车速和航向角度传递给车辆的导航系统。

进一步，所述成像感光元件的工作面、透镜的焦平面及地面依次互相平行，成像感光元件为互补性氧化金属半导体图像传感器CMOS或电荷藕合器件图像传感器CCD。

进一步，所述输出接口采用串行外围设备接口SPI，输出接口接收数值信号计算模块的速度矢量，并将该速度矢量传递给车辆的整车控制器。

本实用新型提供的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，将传统非接触测量的一维速度测量提高到对车辆平面运动的二维速度测量，对大机动性车辆动力学的研究提供了数据采集便利，通过直接采集地面图像信息，经过数字信号处理得到车辆相对于地面的二维速度信息，可用于车辆平面内运动姿态的多参数测量通过超声波传感器离地间隙距离h的动态实时修订，可以有效抵消因车辆俯仰、侧倾和垂向运动所带来的车速测量误差。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的数值信号计算模块的数据计算原理示意图。

图3是本发明实施例提供的光电式测量模块安装示意图。

图中：1、成像感光元件；2、超声传感器；3、光源；4、俯仰单轴陀螺仪；5、数值信号计算模块；6、GPS天线；7、输出接口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置主要包括：成像感光元件1、超声传感器2、光源3、俯仰单轴陀螺仪4、数值信号计算模块5、GPS天线6、输出接口7；

成像感光元件1的下方设置有透镜，透镜的一侧安装有光源3，成像感光元件1、超声传感器2、光源3连接俯仰单轴陀螺仪4和数值信号计算模块5，数值信号计算模块5连接GPS天线6和输出接口7。

参见附图1，包括：成像模块、超声传感器、数值信号计算模块及接口模块；

所述成像模块包括：光源3、透镜及成像感光元件1；所述光源3以设定角度射向地面，光源3选用发光二极管或者激光发射器；所述成像感光元件1的工作面、透镜的焦平面及地面依次互相平行，透镜中心到成像感光元件1工作面的距离为f，成像感光元件1通过透镜连续接收地面信息，将连续变化的地面信息保存为连续的图像并传输给数值信号计算模块5，其中，成像感光元件1为互补性氧化金属半导体图像传感器CMOS或电荷藕合器件图像传感器CCD；

所述超声传感器2实时记录透镜到地面的距离信息h并传输给数值信号计算模块5；

参见附图2，所述数值信号计算模块5对接收的图像进行采样，在t1时刻，地面信息的特征光斑在成像感光元件1的s1位置，经过一个采样周期T后，特征光斑移动至成像感光元件的s2位置，进而得到特征光斑在成像感光元件1的横向位移Δx和纵向位移Δy；同时，在t1时刻，地面信息的特征光斑在地面的S1位置，经过一个采样周期T后，特征光斑移动至地面的S2位置，设特征光斑在地面的横向位移为ΔX和纵向位移为ΔY；进而数值信号计算模块5根据比例关系：f/h＝Δx/ΔX＝Δy/ΔY，计算得出特征光斑在地面的横向位移ΔX和纵向位移ΔY，即车辆实际移动的横向、纵向的位移，再通过横向位移及纵向位移的合成，得到车辆的矢量位移，车辆的矢量位移除以采样周期T即得到车辆的速度矢量；其中，数值信号计算模块5的采样频率为3000Frames/sec(帧/秒)，即在一秒钟内能采集和处理3000张图像；

所述输出接口7采用串行外围设备接口SPI，输出接口7接收数值信号计算模块5的速度矢量，并将该速度矢量传递给车辆的整车控制器。

由于在车辆前部、后部分别安装了光电式测量模块，如图3所示，可以测量得到V1x,V1y,V2x,V2y，质心到测量点1距离为a，质心到测量点2距离为b；

根据整车动力学，车辆质心处x,y向速度分量为：

V_0x＝V_1x＝V_2x；

V_0y＝(bV_1y+aV_2y)/(a+b)；

质心横摆角速度为：

ω＝(V_1y+V_2y)/(a+b)；

则在车辆经过隧道的ΔT时间内，车辆质心相对于入隧道前的位移为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δ}T}{\∫}}{V}_{0x}dt\\ \mathrm{\Δ}Y=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δ}T}{\∫}}{V}_{0y}dt\end{array}\right.;$

车辆相对航向角为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δ}T}{\∫}}\mathrm{\ω}dt:$

则车辆在驶出隧道时的位移与航向角为：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_0+\mathrm{\Δ}X=X_0+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δ}T}{\∫}}{V}_{0x}dt\\ Y=Y_0+\mathrm{\Δ}Y=Y_0+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δ}T}{\∫}}{V}_{0y}dt\end{array}\right.;$

所述输出接口接收数值信号计算模块的速度矢量，并将该速度矢量传递给车辆的整车控制器。

所述数值信号计算模块的采样频率不小于100帧/秒。

所述光源选用发光二极管或者激光发射器；所述成像感光元件为互补性氧化金属半导体图像传感器CMOS或电荷藕合器件图像传感器CCD；所述接口模块采用串行外围设备接口SPI。

本实用新型的工作原理：固定于安装于车辆质心位置附近车底部，以获取较为准确的车辆总体地面运动时的速度矢量；将车辆直行的方向为纵向，垂直车辆直行的方向为横向；车辆的光源将地面照亮，使地面信息通过透镜传递给成像感光元件，当车辆带动成像模块移动的时候，成像感光元件将连续变化的地面信息保存为连续的图片；将连续的图片信息传递给数值信号计算模块，数值信号计算模块对每张图片的前后对比分析处理，在t1时刻，地面特征光斑S1位置，经过一个采样周期T后，由于车辆相对于地面的运动，对该装置而言地面特征光斑移动至S2位置，即相对于车辆该光斑产生了ΔX的横向位移以及ΔY的纵向位移，该运动过程经过透镜成像于感光成像元件后，相应的运动即在t1时刻，地面特征光斑成像在s1位置，经过一个采样周期T后，地面特征光斑成像移动至s2位置，即该光斑产生了Δx的横向位移以及Δy的纵向位移，数值信号计算模块测量感光成像元件中Δx、Δy的数值，得到图片记录的车辆的纵向、横向的位移，同时，根据超声传感器记录的距离信息，计算得到车辆实际移动的纵向、横向的位移，进而得到车辆的速度矢量，将车辆的速度矢量传递给整车控制器进行数据处理，最后在传递给电脑主机。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，其特征在于，所述光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置包括：

通过透镜连续接收地面信息，将连续变化的地面信息保存为连续的图像并传输给数值信号计算模块的成像感光元件；

实时记录透镜到地面的距离信息并传输给数值信号计算模块的超声传感器；

与所述成像感光元件、超声传感器连接，用于对获取的图像进行分别采样，并计算得出成像模块所在车身独立测量点实际移动的横向、纵向位移的数值信号计算模块。

2.如权利要求1所述的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，其特征在于，所述成像感光元件的下方设置有透镜，透镜的一侧安装有以设定角度射向地面光源；选用发光二极管或者激光发射器。

3.如权利要求1所述的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，其特征在于，所述光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置还包括：

与数值信号计算模块连接，用于采集路面坡度近似值，并对车辆实际位移进行修正，以匹配地图信息中经度纬度的平面定位状态的俯仰单轴陀螺仪；

与数值信号计算模块连接，用于实现车辆GPS定位的GPS天线；

与数值信号计算模块连接，将运算得到车辆的车速和航向角度传递给车辆导航系统的输出接口。

4.如权利要求1所述的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，其特征在于，所述成像感光元件的工作面、透镜的焦平面及地面依次互相平行，成像感光元件为互补性氧化金属半导体图像传感器CMOS或电荷藕合器件图像传感器CCD。

5.如权利要求3所述的光电式GPS盲区环境下车辆可持续导航数据采集装置，其特征在于，所述输出接口采用串行外围设备接口SPI。