JP2013088208A - Road map feedback server for tightly coupled gps and dead-reckoning vehicle navigation - Google Patents

Road map feedback server for tightly coupled gps and dead-reckoning vehicle navigation Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To implement practical road map correction feedback by combining tight coupling of a global positioning system receiver in a vehicle and dead-reckoning through a wireless network server.SOLUTION: Road map feedback is used in a tightly coupled GPS and a dead-reckoning system for collecting data on a wheel speed transducer in a CANbus network of a vehicle in order to calculate a vehicle range and direction. Road segment information provided by a network server provides constraints templated to a current navigation solution to a database so as to derive correctable feedback. The dead-reckoning closes a gap of the navigation solution that occurs when GPS signal transmission is lost in tunnels, parking lots or any other general situations. The adaptation of the roadmap controls drifts accumulated for a long period of dead-reckoning single operation.

Description

本発明は、カーナビゲーションシステムに関し、特に、車両における全地球測位システム(GPS)受信機および推測航法(DR)の密結合の組合せのための無線ネットワーク・サーバによって提供されるロードマップ補正フィードバックに関する。   The present invention relates to car navigation systems, and more particularly to roadmap correction feedback provided by a radio network server for a globally coupled positioning system (GPS) receiver and dead reckoning (DR) tightly coupled combination in a vehicle.

ストリートマップ表示を備えたGPSナビゲーションシステムは、現在、世界中の殆どの新しい車両において広く利用可能である。新しい地図の更新は、DVDディスクで購入およびインストールされ、毎年、1年単位で発行されるようである。これらの車両において使用される典型的なGPS航法受信機は、良い環境では数十メートルの正確さであるが、密集した都会環境では100mに低下することがある。これらのカーナビゲーションシステムは、車両が地図上の道路を走行することを想定しており、従って、マップ情報を使用して最寄りの道路の正確な経路に車両位置アイコンをスナップするが、GPS受信が、トンネルおよび駐車場内で同じように失われる場合、地図表示装置のスクリーン上のユーザ位置は単に更新されない。   GPS navigation systems with street map displays are now widely available in most new vehicles around the world. New map updates appear to be purchased and installed on DVD discs and published annually on a yearly basis. Typical GPS navigation receivers used in these vehicles are tens of meters accurate in good environments, but can drop to 100 meters in dense urban environments. These car navigation systems assume that the vehicle is traveling on a road on the map and therefore use the map information to snap the vehicle location icon to the exact route of the nearest road, but GPS reception is If lost in the same way in tunnels and parking lots, the user position on the screen of the map display is simply not updated.

工場でインストールされたナビゲーションシステムは、補修部品市場の携帯型ナビゲーション装置と比較して、より高い信頼性および精度を提供することを一般には期待されている。運転手は、単にトンネルまたは駐車場に入ることに起因する長い起動時間または航法失敗を容認しないであろう。従って、従来の工場でインストールされたナビゲーションシステムは、速度計、走行記録計、ジャイロおよび加速度計などの慣性センサ、ならびに速度、前進/後進、および走行距離情報にアクセスするための車両データ・バスに接続されている。しかしながら、慣性センサは、より高いコストを強いることになる。   Factory installed navigation systems are generally expected to provide higher reliability and accuracy compared to portable navigation devices in the repair parts market. The driver will not tolerate long start-up times or navigation failures simply due to entering a tunnel or parking lot. Thus, conventional factory-installed navigation systems include inertial sensors such as speedometers, travel recorders, gyros and accelerometers, and vehicle data buses for accessing speed, forward / reverse, and mileage information. It is connected. However, inertial sensors impose higher costs.

従来のシステムにおいて任意の針路情報を得ることは、高価で繊細な直接結合された自動車用ジャイロスコープがインストールされていることを必要とする。SiRFテクノロジー社(カリフォルニア州サンホセ)は、この比較的高価なセンサを排除し、その代りに他の車両サブシステムから既に利用可能なセンサ・データを使用するものと彼らが言うところの解を販売している。SiRF社によれば、センサ・データ測定は、推測航法に対して意味のある情報を抽出するために十分に正確でなければならず、センサ測定には、十分な周波数が提供されなければならず、また、推測航法システムへのセンサ・データ配送における如何なる遅れも短くなければならず、例えば10ミリ秒以下の待ち時間である。   Obtaining arbitrary course information in conventional systems requires that an expensive and delicate directly coupled automotive gyroscope be installed. SiRF Technology, Inc. (San Jose, Calif.) Sells a solution that they claim to eliminate this relatively expensive sensor and instead use sensor data already available from other vehicle subsystems. ing. According to SiRF, sensor data measurements must be accurate enough to extract meaningful information for dead reckoning, and sufficient frequency must be provided for sensor measurements. Also, any delay in sensor data delivery to the dead reckoning system must be short, for example, a latency of 10 milliseconds or less.

北米およびヨーロッパにおける殆どの新しい自動車は、車速センサおよびアンチロック・ブレーキ・システム(ABS)を標準的設備としての装備している。コンパスは、ヨーロッパよりも米国でより頻繁に見られるが、安定性制御は、米国よりもヨーロッパにおいてより一般的である。そのような推測航法ソフトウェアは、特定のセンサの様々な利用可能性を考慮に入れなければならない。初期のSiRFdrive1.0は、直接結合のジャイロスコープを備えた車両プラットフォームに対して構成され、後期のSiRFdrive2.0は、分散型ABSモジュール・センサ・データを代わりに使用している。SiRFdrive2.0は、個々の車輪速度を演算してその回転速度と共に車両110の速度を判断し、その結果、高価なジャイロスコープを排除することができる。SiRFdrive2.0の推測航法システムは、プレス・リリースには、各車輪からの車輪回転の刻み(tick)(つまり、速度パルス)を収集するものとして記述されている。それは、正確な推測航法に必要なキャリブレーション値をさらに判断する。車輪刻みデータの分解能が良いほど(例えば、1回転当たりの車輪パルスの数が多いほど)、全体的な推測航法性能は良くなる。   Most new vehicles in North America and Europe are equipped with vehicle speed sensors and anti-lock braking systems (ABS) as standard equipment. Compass is more frequently seen in the United States than in Europe, but stability control is more common in Europe than in the United States. Such dead reckoning software must take into account the various availability of a particular sensor. The early SiRFdrive 1.0 was configured for a vehicle platform with a direct-coupled gyroscope, while the later SiRFdrive 2.0 used distributed ABS module sensor data instead. SiRFdrive 2.0 calculates the individual wheel speed and determines the speed of the vehicle 110 along with its rotational speed, so that expensive gyroscopes can be eliminated. The SiRFdrive 2.0 dead reckoning system is described in the press release as collecting wheel rotation ticks (ie speed pulses) from each wheel. It further determines the calibration value required for accurate dead reckoning. The better the resolution of the wheel increment data (for example, the greater the number of wheel pulses per revolution), the better the overall dead reckoning performance.

車輪回転刻みデータは、車両バスから直接読まれるので、車輪センサ自体に接続する必要性は見られなかった。しかしながら、生のABSデータの使用は、それほど容易ではない。最大の針路変化は、低速で道の交差点を曲がるときに通常生じるため、推測航法は低速で最も高い分解能を必要とする。ABSモジュールの主な機能は、高速時に強い制動系が適用されるときに生じる個々の車輪のロックを制御することである。従って、幾つかのABSモジュールは、それらが持つ最大の分解能での測定値を送らず、車輪センサABSモジュールは、低速時に不正確なデータを出力するか、またはデータをまったく出力しないことがある。これらの事例では、ABSソフトウェアは、通常アップグレードされ、必要な解と、推測航法アプリケーションによって必要とされる低速データ出力とを提供することができる。広告文献では、SiRFdrive2.0が高度なアルゴリズムを有し、そのようなデータ損失が低車速での精度を有した悪影響を最小限にすると言っている。   Since the wheel rotation step data is read directly from the vehicle bus, there was no need to connect to the wheel sensor itself. However, using raw ABS data is not so easy. Dead reckoning requires the highest resolution at low speed because the maximum course change usually occurs when turning a road intersection at low speed. The main function of the ABS module is to control the locking of individual wheels that occurs when a strong braking system is applied at high speeds. Thus, some ABS modules do not send measurements at their maximum resolution, and wheel sensor ABS modules may output inaccurate data at low speeds or no data at all. In these cases, the ABS software is usually upgraded to provide the necessary solution and the low speed data output required by dead reckoning applications. The advertising literature says that SiRFdrive 2.0 has sophisticated algorithms and such data loss minimizes the negative effects of having accuracy at low vehicle speeds.

不運にも、そのような車輪刻みによる駆動の推測航法システムは、それらの約束に応えていない。依然として必要なのは、GPSと推測航法とを組み合わせて、実際に動作する自己キャリブレーションおよび補正アルゴリズムを備えた実用的なシステムである。   Unfortunately, such a wheel-driven dead reckoning system does not meet those promises. What is still needed is a practical system with self-calibration and correction algorithms that work in combination with GPS and dead reckoning.

簡潔には、ロードマップ・フィードバックは、本発明の密結合GPSおよび推測航法システムにおいて使用され、一実施形態において、車両のCANbusネットワーク上の車輪速度トランスデューサのデータを収集し、車両レンジおよび方向を演算する。ネットワーク・サーバによって提供される道路セグメント情報は現在の航法解にテンプレートされた制約のデータベースを提供し、その結果、補正のためのフィードバックが導出される。推測航法は、GPS信号伝送がトンネル、駐車場および他の一般的な状況において失われるときに生じる航法解におけるギャップを埋める。車輪半径の連続的なキャリブレーションおよび速度効果に対する補償は、GPS fixから演算され、それは、GPS信号受信の長い休止期間(アウテージ)中の推測航法性能および精度を改善する。ロードマップ調整は、長時間の推測航法単独動作で蓄積されるドリフトを制御する。回復されるとき、本推測航法解は、周囲を探索するGPS受信機のための高品位な開始点を提供する。   Briefly, roadmap feedback is used in the tightly coupled GPS and dead reckoning system of the present invention, and in one embodiment, collects wheel speed transducer data on the vehicle's CANbus network and computes vehicle range and direction. To do. The road segment information provided by the network server provides a database of constraints templated to the current navigation solution, so that feedback for correction is derived. Dead reckoning bridges the gap in navigation solutions that occur when GPS signal transmission is lost in tunnels, parking lots, and other common situations. The continuous calibration of wheel radius and compensation for speed effects is computed from the GPS fix, which improves dead reckoning performance and accuracy during long outages of GPS signal reception. The roadmap adjustment controls the drift accumulated by long-run dead reckoning alone. When recovered, the dead reckoning solution provides a high-quality starting point for GPS receivers that search the surroundings.

本発明の上記および更なる目的、特徴および利点は、特に添付図面と併用される場合に、その特定の実施形態の次の詳細な記述を考慮して明白となる。   The above and further objects, features and advantages of the present invention will become apparent in light of the following detailed description of specific embodiments thereof, particularly when taken in conjunction with the accompanying drawings.

車両バス・ネットワークを備えた四輪車両用の本発明の密結合GPSおよび推測航法システムの実施形態の機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of an embodiment of a tightly coupled GPS and dead reckoning system of the present invention for a four wheel vehicle with a vehicle bus network. 図1のGPS受信機および推測航法(DR)コンピュータの組合せの2つの可能性のある実施の機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of two possible implementations of the combination of the GPS receiver and dead reckoning (DR) computer of FIG. 図1に示されるシステム用途のための、図2(a)および(b)におけるような、様々なハードウェアおよびソフトウェアで実施されることができる本発明のGPS、DR、およびマップ・マッチング複合システムの実施形態の機能ブロック図である。The GPS, DR, and map matching composite system of the present invention that can be implemented with various hardware and software, such as in FIGS. 2 (a) and (b), for the system application shown in FIG. It is a functional block diagram of an embodiment. 図1、図2(a)および(b)のような密結合GPSおよび推測航法システムの動作のスタートアップ、運転および終了段階を示す段階図である。FIG. 3 is a stage diagram showing start-up, operation and end stages of operation of a tightly coupled GPS and dead reckoning navigation system as in FIGS. 図1、図2(a)および(b)のような密結合GPSおよび推測航法システムの様々なキャリブレーション状態間の移行を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flow chart illustrating the transition between various calibration states of a tightly coupled GPS and dead reckoning system such as FIG. 1, FIG. 2 (a) and (b). 推測航法単独モード、複合モード、およびGPS単独モードにおける相互関係を制御するfixモード状態機械のフローチャートである。FIG. 6 is a flow diagram of a fix mode state machine that controls the interrelationship in dead reckoning single mode, compound mode, and GPS single mode. 図1のような車両用の密結合GPSおよび推測航法システムの機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of a tightly coupled GPS and dead reckoning system for a vehicle as in FIG. 1. 車輪半径における速度効果を示すグラフである。It is a graph which shows the speed effect in a wheel radius. 2つの連続するGPS針路観測の時間タグの差を表す時系列図である。It is a time series figure showing the difference of the time tag of two continuous GPS course observations. 一連の位置fixの時間と、対応する位置fixに対するフィードバックが返される時間との間の関係を示す時系列図である。It is a time series diagram which shows the relationship between the time of a series of position fix, and the time when the feedback with respect to corresponding position fix is returned. どのようにしてフィードバックが有効であると判別されるか、およびそれがDR伝搬に使用されるべきかどうかを示す関連したフローチャートである。FIG. 6 is an associated flowchart showing how feedback is determined to be valid and whether it should be used for DR propagation. どのようにしてフィードバックが有効であると判別されるか、およびそれがDR伝搬に使用されるべきかどうかを示す関連したフローチャートである。FIG. 6 is an associated flowchart showing how feedback is determined to be valid and whether it should be used for DR propagation. 本発明の密結合GPSと推測航法車両航法用のサーバ・ベースのロードマップ・フィードバック・システムの機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram of a server-based roadmap feedback system for tightly coupled GPS and dead reckoning vehicle navigation of the present invention.

図1は、一般的な参照数字100によってここで参照される、本発明のGPSおよび推測航法(DR)の組合せの実施形態を表わしている。GPSおよび推測航法の組合せ100は、ユーザにディスプレイ102上で航法情報を提供する。ロードマップ・ディスクおよびプレーヤ103は、地域の道路に関して現在のユーザ位置を表示する。GPS受信機104は、アンテナ106を通じてマイクロ波衛星伝送にチューニングして追跡し、推測航法(DR)コンピュータ108によって演算されるキャリブレーションされた「デルタ針路(delta-heading)」および「デルタレンジ(delta-range)」情報に密結合される。「デルタ」の用語は、車両110の針路(つまり、方向)がどのように時間と共に変わったか、あるいは、レンジ(つまり、距離)がどのように同一の期間で変わったかを表わす。   FIG. 1 represents a GPS and dead reckoning (DR) combination embodiment of the present invention, referred to herein by a general reference numeral 100. The combination of GPS and dead reckoning 100 provides navigation information on the display 102 to the user. The roadmap disc and player 103 displays the current user position with respect to the local road. The GPS receiver 104 tunes and tracks microwave satellite transmissions through the antenna 106 and is calibrated “delta-heading” and “delta range” computed by a dead reckoning (DR) computer 108. -range) ”information is tightly coupled. The term “delta” represents how the course (ie, direction) of the vehicle 110 has changed over time or how the range (ie, distance) has changed over the same time period.

GPS受信機104およびロードマップ・ディスクおよびプレーヤ103の両方は、補正およびフィードバックをDRコンピュータ108に提供する。GPS受信機104は、絶対的な位置および針路決定を提供し、それに対して、DRコンピュータ108は、推測航法解に到達するためのそのキャリブレーションしたデルタ針路およびデルタレンジの演算結果を加えることができる。ロードマップ・ディスクおよびプレーヤ103は、道路セグメントのフィードバックを推測航法解に提供し、長時間のGPSアウテージにおいて、推測航法解における小さな演算ミスが蓄積し、マップの道路セグメントからドリフトすることを防止する。   Both GPS receiver 104 and roadmap disc and player 103 provide corrections and feedback to DR computer 108. The GPS receiver 104 provides absolute position and course determination, whereas the DR computer 108 can add its calibrated delta course and delta range computation results to arrive at a dead reckoning solution. it can. The roadmap disc and player 103 provides road segment feedback to the dead reckoning solution to prevent small arithmetic errors in the dead reckoning solution from accumulating and drifting from the road segment of the map at long GPS outages. .

DRコンピュータ108およびロードマップ・ディスクおよびプレーヤ103は共に、GPS受信機が著しく長い時間、fixを提供しておらず、衛星追跡をすべて失った場合に、著しくドリフトしないであろう非常に正確な推測航法解を提供する。さらに、推測航法解は、DRが比較の際に利用可能な場合に大きな位置不確実性の増加が大幅に減じられるときに信号の受信が回復される場合に、GPS受信機104を速く再稼動させるのに非常に有用である。これは、DRが車両移動を測定することができる一方で、スタンドアローンのGPS受信機は、コード探索および周波数探索の量に影響するその位置不確実性を促進する最悪のケースの移動を想定しなければならない。   Both the DR computer 108 and the roadmap disc and player 103 are very accurate guesses that will not drift significantly if the GPS receiver has not provided a fix for a significant amount of time and has lost all satellite tracking. Provide navigation solution. In addition, dead reckoning solutions quickly restart the GPS receiver 104 when signal reception is restored when a large increase in position uncertainty is greatly reduced when DR is available for comparison. It is very useful to make it. This envisages worst case movement, where the DR can measure vehicle movement, while a stand-alone GPS receiver promotes its position uncertainty affecting the amount of code and frequency searches. There must be.

図2(a)および(b)は、GPS受信機104およびDRコンピュータ108を実施するための2つの方法を示している。図2(a)では、軌道上の航行衛星は、マイクロ波信号を送信し、それは、アンテナ202によって受信され、航法測定プラットフォーム(MP)204(例えば、シリアル出力を備えたeRide社(カリフォルニア州サンフランシスコ)のOPUS-III nanoRide GPSモジュール)によって復調される。MP204は、航法ソフトウェアがホストプロセッサ上で実行されるタイプであり、32チャネル無線周波数(RF)受信機206、ベースバンド208、およびSAWフィリタリング・ステージを備えている。MP204は、静止衛星型衛星航法補強システム(SBAS)を備えた2チャネルのリアルタイム・ディファレンシャルGPSの機能を有している。シリアル・インタフェース210は、USB、RS−232、または同様のラインベースのインタフェースであることができる。ホストプロセッサ212は、ユーザアプリケーション214を実行するものであり、GPS、DR、およびアプリケーション・プログラミング・インタフェース(API)ライブラリを備えたクライアント・ソフトウェア216をホストする予備処理能力を有している。機能API218は、ユーザに対する表示のための航法解の通信を可能にし、CANbusインタフェース222は、CANbus224から車輪刻み情報を受け付ける。   FIGS. 2 (a) and 2 (b) show two methods for implementing the GPS receiver 104 and the DR computer 108. FIG. In FIG. 2 (a), an orbiting navigation satellite transmits a microwave signal that is received by an antenna 202 and is a navigation measurement platform (MP) 204 (eg, eRide with serial output (San Francisco, Calif.)). Demodulated by OPUS-III nanoRide GPS module). The MP 204 is a type in which navigation software is executed on a host processor and includes a 32-channel radio frequency (RF) receiver 206, a baseband 208, and a SAW filtering stage. The MP 204 has a function of a two-channel real-time differential GPS equipped with a geostationary satellite type satellite navigation augmentation system (SBAS). The serial interface 210 can be a USB, RS-232, or similar line-based interface. The host processor 212 executes the user application 214 and has preprocessing capabilities to host client software 216 with GPS, DR, and application programming interface (API) libraries. The function API 218 enables communication of navigation solutions for display to the user, and the CANbus interface 222 receives wheel ticks information from the CANbus 224.

図2(b)において、GPS受信機104およびDRコンピュータ108は、位置、速度、時間(PVT)モジュール250で実施される。例えば、eRide社(カリフォルニア州サンフランシスコ)のePV3600を使用することができる。これは、完全なGPS/AGPS PVT受信機であり、44,000個の有効な補正器を備えたeRide社のOPUSIIIベースバンド・プロセッサを備えており、オンチップROMおよびSRAMを備えたARM7TDMI−S(登録商標)ベースのCPUと結合される。それは、下側−161dBmまでの信号を取得し、追跡することができ、従って、屋内でも動作することができる。ePV3600は、ePR3036のGPS−RFフロントエンドチップから単一の低いRF入力を取り込む(RFステージ206およびベースバンド・ステージ208と等価)。埋め込まれたマイクロコントローラ(CPU)252は、外部のパラレル・フラッシュ・メモリ、またはオンチップのROMメモリもしくはパラレル・フラッシュ・メモリから動作する。ライブラリ216における装置GPSファームウェアは、捕捉、トラッキング、ならびに、位置、速度、およびタイミングのデータ出力を扱う。UART254およびシリアル双方向インタフェース256は、「NMEA」および他のアプリケーションに接続するシリアル・インタフェース・プロトコルをサポートする。CANbus車輪刻み258は、別のUART260によって受信される。   In FIG. 2 (b), the GPS receiver 104 and the DR computer 108 are implemented with a position, velocity, time (PVT) module 250. For example, eRide (San Francisco, Calif.) EPV3600 can be used. This is a complete GPS / AGPS PVT receiver with an eRide OPUSIII baseband processor with 44,000 valid correctors and an ARM7TDMI-S with on-chip ROM and SRAM Combined with a (registered trademark) -based CPU. It can acquire and track signals down to -161 dBm and can therefore work indoors. The ePV 3600 takes a single low RF input from the ePR3036 GPS-RF front-end chip (equivalent to the RF stage 206 and baseband stage 208). The embedded microcontroller (CPU) 252 operates from an external parallel flash memory, or an on-chip ROM memory or parallel flash memory. The device GPS firmware in library 216 handles acquisition, tracking, and position, velocity, and timing data output. UART 254 and serial bidirectional interface 256 support serial interface protocols that connect to “NMEA” and other applications. The CANbus wheel step 258 is received by another UART 260.

NMEA文は、データ・タイプと呼ばれる第1語を含んでおり、それは、文の残りがどのようにして解釈されるかを定義している。GGA文(表I)は、本質的なfixデータの例である。他の文は、幾らか同一の情報を繰り返すことがあるが、新しいデータも供給する。データを読むことができる如何なる装置も、それが興味を有しているデータ文をスクリーニングすることができる。GPSを制御するための命令はなく、それは、たとえその多くが無視されたとしても有しているデータを単にすべて送信する。傍受側は自身のチェックサムを演算し、正しくないチェックサムを持つ如何なるデータも無視する。NMEA標準は、海洋用途で使用されるすべての種類の装置に対する文を定義している。GPS受信機と関係する文はすべて、「GP」で始まる。   The NMEA sentence contains a first word called a data type, which defines how the rest of the sentence is interpreted. The GGA statement (Table I) is an example of essential fix data. Other sentences may repeat some of the same information, but also provide new data. Any device that can read the data can screen the data sentence it is interested in. There is no command to control the GPS, it simply transmits all the data it has even if many are ignored. The interceptor computes its own checksum and ignores any data with an incorrect checksum. The NMEA standard defines statements for all types of equipment used in marine applications. All sentences related to GPS receivers begin with “GP”.

所謂NMEA0183標準は、単純なASCIIのシリアル通信プロトコルを使用し、データが単一の「発信側」から多数の「傍受側」に「文」でどのように送信されるかを定義している。中間のエキスパンダにより、発信側は、ほぼ無制限に多くの傍受側に送信することができ、また、マルチプレクサを使用して、複数のセンサが、単一のコンピュータ・ポートに発信することができる。サードパーティ・スイッチが利用可能であり、それは、プライマリが故障した場合に自動障害迂回によってプライマリおよびセカンダリ発信側を確立することができる。上記標準は、ホストCPUアプリケーション層における各文(メッセージ)の種類の内容を定義し、その結果、傍受側はすべて、メッセージを正確に解析することができる。

Figure 2013088208
The so-called NMEA0183 standard uses a simple ASCII serial communication protocol and defines how data is transmitted in a “sentence” from a single “originator” to multiple “interceptors”. An intermediate expander allows the sender to transmit to almost any number of interceptors, and using a multiplexer, multiple sensors can send to a single computer port. A third-party switch is available that can establish primary and secondary callers by automatic failure bypass if the primary fails. The above standards define the content of each sentence (message) type in the host CPU application layer, so that all interceptors can parse the message correctly.
Figure 2013088208

図1において、車両110は、2つの前側の、操舵可能な車輪112および114、ならびに2つの後ろ側の、操舵しない車輪116および118を有している。なお、所定の旋回に対して、内側の車輪の旋回半径は、外側の車輪の旋回半径よりも遥かに小さくなければならない。その理由から、演算が複雑であり、操舵角に依存するので、前側の操舵輪から針路および範囲情報を導き出すことは実用的ではない。   In FIG. 1, the vehicle 110 has two front, steerable wheels 112 and 114 and two rear, non-steered wheels 116 and 118. Note that for a given turn, the turning radius of the inner wheel must be much smaller than the turning radius of the outer wheel. For that reason, the calculation is complicated and depends on the steering angle, so it is not practical to derive the course and range information from the front steering wheel.

図1における各車輪には、アンチロック・ブレーキング・システム(ABS)トランスデューサ120,122,124,および126が取り付けられている。これらのトランスデューサは、場合によっては車輪速度センサ(WSS)と呼ばれ、車輪の旋回と共に電子パルス(つまり、「刻み(tick)」)を生成する。幾つかのそのようなトランスデューサは、車輪回転を測定するために、可変磁気抵抗および光学検出器などを使用する。可変磁気抵抗WSSは、多くの場合、ホイール・ロータに取り付けられた刻み目付きの「トーン・ホイール」を使用し、可変オーディオ・トーンに似たデジタル電気出力を生成する。車輪がロックした場合、デジタル・パルスは停止し、ABSコントローラ128は、道路に対する4つのタイヤのトラクションを回復しようとするその車輪のブレーキ・キャリパへの油圧を遮断するように作用する。   An antilock braking system (ABS) transducer 120, 122, 124, and 126 is attached to each wheel in FIG. These transducers, sometimes referred to as wheel speed sensors (WSS), generate electronic pulses (ie, “ticks”) as the wheel turns. Some such transducers use variable reluctance and optical detectors to measure wheel rotation. The variable reluctance WSS often uses a knurled “tone wheel” attached to the wheel rotor to produce a digital electrical output similar to a variable audio tone. If the wheel locks, the digital pulse stops and the ABS controller 128 acts to shut off the hydraulic pressure to the brake caliper of that wheel trying to recover the traction of the four tires on the road.

ABSセンサ情報、およびデジタル・パケット形式の多くの他の車両データは、業界標準のCANbus130によって通信される。推測航法コンピュータ108は、ノード132,134,136,および138からCANbus130上の車輪回転の刻み情報を受信する。   ABS sensor information and many other vehicle data in digital packet format are communicated by industry standard CANbus 130. Dead reckoning computer 108 receives ticks of wheel rotation on CANbus 130 from nodes 132, 134, 136, and 138.

コントローラ・エリア・ネットワーク(CAN)は、車両バスの標準であり、マイクロコントローラおよび装置がホスト・コンピュータまたは何千もの個々のワイヤのない車両において互いに通信することを可能にする。CAN仕様書は、ロバート・ボッシュ社(独国シュツットガルト)によって1991年に発行された。www.can.bosch.com/docu/can2spec.pdfを参照   The Controller Area Network (CAN) is a vehicle bus standard that allows microcontrollers and devices to communicate with each other in a host computer or thousands of individual wireless vehicles. The CAN specification was published in 1991 by Robert Bosch (Stuttgart, Germany). See www.can.bosch.com/docu/can2spec.pdf

データ・トラフィックは、単一の双ワイヤ・バス(CANbus130)上に多重化され、エンジン管理、車体制御、伝送制御、アクティブ・サスペンション、自動防護装置、環境制御およびセキュリティ情報交換を含むことができる。CANは、今ではOBD−II車両診断において標準であり、1996年以降に米国で製造されたすべての車両および軽トラックにおいて義務付けられている。欧州の車載故障診断機(EOBD)標準も同様であり、2001年以降に欧州連合で販売されたすべてのガソリン車両および2004年以降のすべてのディーゼル車に義務化されている。   Data traffic is multiplexed onto a single dual-wire bus (CANbus 130) and can include engine management, body control, transmission control, active suspension, automatic protection devices, environmental control and security information exchange. CAN is now the standard in OBD-II vehicle diagnostics and is mandated in all vehicles and light trucks manufactured in the US since 1996. The European On-Board Diagnostic Machine (EOBD) standard is similar, and is mandatory for all gasoline vehicles sold in the European Union since 2001 and for all diesel vehicles since 2004.

CANネットワーク中のトランスミッタは、ネットワーク中の他のすべてのノードにメッセージをブロードキャストする。各メッセージは、固有の種類識別子を有しており、その結果、メッセージは、それらに適切であるか否かをノードが識別することができる。これらの識別子は、さらにメッセージ・プライオリティ・フィールドを含んでおり、その結果、CANネットワークは、衝突するメッセージ間の優先順位を調整することができる。典型的なCANの実施は、双ワイヤ・バスを使用し、1メガビット/秒の最大データ転送速度を有している。CANbusデータ形式は、各データ・パケットに組み込まれた拡張誤差チェック能力を有している。そのプロトコルは、バス上のメッセージの衝突を自動的に扱い、その結果、より高い優先順位のメッセージが、より低い優先順位のメッセージの前に移ることを可能にする。複数のコントローラは、同一のバス上に配置されることがあり、それによって、車両110における配線量およびコネクタ数を減少させる。これは、付加的なモジュールが推測航法コンピュータ108のように従来の車両ネットワークに、より容易に付加されることも意味している。   A transmitter in the CAN network broadcasts a message to all other nodes in the network. Each message has a unique type identifier so that the node can identify whether the message is appropriate for them. These identifiers further include a message priority field, so that the CAN network can adjust the priority between conflicting messages. A typical CAN implementation uses a twin-wire bus and has a maximum data transfer rate of 1 megabit / second. The CANbus data format has an extended error checking capability built into each data packet. The protocol automatically handles message collisions on the bus, so that higher priority messages can be moved before lower priority messages. Multiple controllers may be located on the same bus, thereby reducing the amount of wiring and the number of connectors in the vehicle 110. This also means that additional modules can be added more easily to conventional vehicle networks, such as dead reckoning computer 108.

CANbus130がアイドル状態の場合は常に、如何なるユニットもメッセージの送信を開始することが可能である。複数のユニットがメッセージを同時に送信開始する場合、バス・アクセスの衝突は、識別子を使用してビット単位の調整によって解決される。調整メカニズムは、情報も時間も失われないことを保証する。同一の識別子を持ったデータ・フレームおよびリモート・フレームが同時に開始される場合、データ・フレームは、リモート・フレームに勝つ。調整中に、すべてのトランスミッタは、送信されたビットのレベルをバス上で監視されるレベルと比較する。これらのレベルが等しい場合、ユニットは送り続けることが可能である。「劣勢」レベルが送られ、「優勢」レベルが監視されている場合、ユニットは調整を失っており、これ以上何も送らずに取り消さなければならない。CANbus130は、キャリービットへの単一チャネルを備え、そこから、データ再同期情報が導き出される。チャネルの実施は、本明細書中で指示されておらず、従って単一のワイヤに接地、2つの異なるワイヤ、光ファイバなどを加えることを可能にする。   Whenever CANbus 130 is idle, any unit can start sending messages. If multiple units start sending messages at the same time, bus access collisions are resolved by bitwise adjustments using identifiers. The coordination mechanism ensures that no information or time is lost. If a data frame and a remote frame with the same identifier are started simultaneously, the data frame wins the remote frame. During adjustment, all transmitters compare the level of the transmitted bit with the level monitored on the bus. If these levels are equal, the unit can continue to send. If the “inferior” level is sent and the “dominant” level is monitored, the unit has lost its adjustment and must be canceled without sending any more. CANbus 130 provides a single channel to carry bits from which data resynchronization information is derived. The implementation of the channel is not indicated herein, thus allowing a single wire to be grounded, two different wires, optical fibers, etc.

左右の非操舵車輪の車輪刻みセンサ124および126からの情報は、車両110の基本デルタレンジおよびデルタ針路を導き出すために使用される。上記車輪の回転はそれぞれ、アンチロック・ブレーキ・システム(ABS)128によって監視されるトランスデューサ・パルスの固定値を生じさせる。   Information from the wheel tick sensors 124 and 126 for the left and right non-steered wheels is used to derive the basic delta range and delta course of the vehicle 110. Each wheel rotation produces a fixed value of the transducer pulse monitored by the antilock brake system (ABS) 128.

推測航法コンピュータ128によって所定周期で収集された左右の車輪の回転刻み回数の算術平均は、車輪周長または直径が或る正確さで知られている場合に正確なデルタレンジ測定をもたらすことができる。その同一の期間に亘ってGPS受信機104から得られた距離情報は、進行中および連続的な自己キャリブレーションに使用される。   The arithmetic average of the number of left and right wheel rotation ticks collected by the dead reckoning computer 128 in a given cycle can provide an accurate delta range measurement when the wheel circumference or diameter is known with some accuracy. . The distance information obtained from the GPS receiver 104 over that same period is used for ongoing and continuous self-calibration.

左右の非操舵車輪間の回転刻み回数の差は、同様に車輪周長または直径が正確に知られている場合にデルタ針路測定値に比例する。車輪116および118の周長または直径の如何なる誤差または変化も、勿論、デルタ針路およびデルタレンジの推定値における対応する誤差を生じさせる。車輪、特にそれらのタイヤは、速度、タイヤ空気圧、温度、磨耗、荷重、或る故障、およびアフターサービス操作と共に、その直径を著しく変化させることがある。   The difference in the number of rotation steps between the left and right non-steer wheels is likewise proportional to the delta course measurement when the wheel circumference or diameter is known accurately. Any error or change in the circumference or diameter of the wheels 116 and 118 will, of course, cause a corresponding error in the delta course and delta range estimates. Wheels, especially those tires, can change their diameter significantly with speed, tire pressure, temperature, wear, load, certain failures, and after-service operations.

デルタ針路およびデルタレンジの推定値における実質的な階段的な誤差が車両110の移動の際に生じる場合がある一方で、推測航法コンピュータ108またはCANbus130は、車両110がエンジンを動かさずに移動している場合などに停止される。そのような種類の誤差は、車両110全体がトレーラまたはフェリーで輸送される場合に起こる可能性がある。   While a substantial step error in the delta heading and delta range estimates may occur as the vehicle 110 moves, dead reckoning computer 108 or CANbus 130 may cause the vehicle 110 to move without moving the engine. When it is stopped. Such type of error can occur when the entire vehicle 110 is transported by trailer or ferry.

従来のシステムは、デルタ針路およびデルタレンジの推定値における誤差を非常に良く管理もしていなければ制御もしていなかった。本発明の実施形態は、次に記述される技術によって先行技術からこれらに関して区別される。   Prior systems did not manage or control errors in the delta heading and delta range estimates very well. Embodiments of the present invention are distinguished in these respects from the prior art by the techniques described below.

推測航法コンピュータ108は、デルタレンジおよびデルタ針路の測定値を自動的に積分する。それは、ローカル・レベル(北、東)座標のパケットで表現された推測航法の推定値へのスタート位置および針路から受信する。初期のデルタレンジおよびデルタ針路の条件は、GPS受信機104によってルーチン的に提供される位置および速度データから得られる。   Dead reckoning computer 108 automatically integrates the delta range and delta heading measurements. It receives from the start position and course to the dead reckoning estimate expressed in packets of local level (north, east) coordinates. The initial delta range and delta heading conditions are obtained from position and velocity data routinely provided by the GPS receiver 104.

図3は、図1に示した用途に対して、図2(a)および2(b)におけるように実施されることができるGPS、DR、およびマップ・マッチング複合システム300を示している。システム300は、アンテナ306が多数の軌道上のGPS衛星308からマイクロ波信伝送を受信することができない場合に休止期間(アウテージ)および経過時間に依存したGPS fix304を生じさせるGPS受信機302を備えている。推測航法伝搬プロセッサ310は、左側および右側の回転がそれぞれ回転する数に比例する車輪刻み312を車両の車輪から受信する。モード選択器314は、複合解316においてGPS単独、DR単独、またはGPSおよびDRの航法解の複合解を出力するか否かを選択する。ロードマップ・ディスクおよびプレーヤ318は、ユーザ位置ディスプレイ320には道路のグラフィックを、装置322には道路セグメント情報を提供する。   FIG. 3 shows a combined GPS, DR, and map matching system 300 that can be implemented as in FIGS. 2 (a) and 2 (b) for the application shown in FIG. The system 300 includes a GPS receiver 302 that produces a GPS fix 304 that depends on outage and elapsed time if the antenna 306 is unable to receive microwave transmissions from a number of orbiting GPS satellites 308. ing. Dead reckoning propagation processor 310 receives wheel ticks 312 from the wheels of the vehicle that are proportional to the number of left and right rotations, respectively. The mode selector 314 selects whether to output the GPS alone, the DR alone, or the GPS and DR navigation solution in the composite solution 316. The roadmap disc and player 318 provides road graphics to the user location display 320 and road segment information to the device 322.

従来の実務は、GPS位置解がそこになくても、道路上の最寄りの地点に、表示されたユーザ位置を視覚的に「スナップする」ものである。ここで、フィードバック時間・位置(TP)構造324は、GPSおよびDR航法複合解316をマッチング道路経路上の最も近い適正ポイントに「スナップする」ための情報を提供する。スナップ誤差が所定値を超える都度、GPSおよび推測航法混合位置は、地図に示された位置からのドリフトを修正される。閾値は、地図によって提供されない小さな一時的な迂回や寄り道を考慮するために必要である。   Conventional practice is to visually “snap” the displayed user position to the nearest point on the road, even if the GPS position solution is not there. Here, the feedback time and position (TP) structure 324 provides information for “snapping” the combined GPS and DR navigation solution 316 to the nearest appropriate point on the matching road route. Each time the snap error exceeds a predetermined value, the GPS and dead reckoning mixed position is corrected for drift from the position shown on the map. The threshold is necessary to allow for small temporary detours and detours not provided by the map.

そのようなフィードバックなしでは、GPSおよび推測航法混合誤差は、道路にスナップするためのマップ・マッチング・アルゴリズムの能力を超えて増加し続けることがある。代表例は、地表にある通りに平行または交差する長いトンネルを走行する場合である。マップ・マッチングがトンネルに入る前まで正確であれば、フィードバックは如何なる推測航法誤差も所定の閾値を超えることはない。マップ・マッチング・アルゴリズムは、そうでない場合には、道路外の状態を示し、誤って並行する道または地表の道路にスナップすることがある。フィードバックは、大きな推測航法キャリブレーション誤差があってもマップ・マッチングを機能させる。   Without such feedback, GPS and dead reckoning mixing errors may continue to increase beyond the map matching algorithm's ability to snap to the road. A typical example is the case of traveling in a long tunnel that is parallel or intersects with the ground surface. If map matching is accurate before entering the tunnel, the feedback will not cause any dead reckoning error to exceed a predetermined threshold. The map matching algorithm may otherwise indicate an out-of-road condition and accidentally snap to a parallel or surface road. Feedback makes map matching work even with large dead reckoning calibration errors.

サーバ・ベースのフィードバックの1つの利点は、ユーザに高精度な位置解を提供することが可能であるということであり、マップ・マッチング・アルゴリズムの内蔵を必要としない。マップ・マッチング無しでは、推測航法誤差は、蓄積し、際限なく位置誤差をもたらす場合がある。しかしながら、マップ・マッチング・アルゴリズムを含むコストが何も含まない結果となる場合、ユーザは後で位置精度の低さに苦しむことになる。本発明の1つの利点は、マップ・マッチングのコストをサーバに統合することができ、多くの加入者に配布することができるということである。GPS受信機自体は、マップ・マッチングを提供し、より重要なのは、フィードバックが、実装されたマップ・マッチング・アルゴリズムを持つ必要のない、より低コストな地図ユニットにユーザが位置解を直接表示させることを可能にする。従って、メーカおよびユーザは、ライセンスやマップ・マッチング・アルゴリズム開発の費用を回避することができる。   One advantage of server-based feedback is that it can provide a highly accurate location solution to the user and does not require the inclusion of a map matching algorithm. Without map matching, dead reckoning errors can accumulate and result in endless position errors. However, if the cost including the map matching algorithm results in nothing, the user will later suffer from poor position accuracy. One advantage of the present invention is that the cost of map matching can be integrated into the server and distributed to many subscribers. The GPS receiver itself provides map matching, and more importantly, allows the user to display the location solution directly on a lower cost map unit where feedback does not need to have an implemented map matching algorithm. Enable. Therefore, manufacturers and users can avoid the cost of license and map matching algorithm development.

通常のTP構造326は、GPSおよびDR航法複合解316をGPS解に再設定するための良好なGPS解が利用可能な場合に使用される。DRキャリブレーション328は、車輪半径の推定値、ならびに、旋回、速度、および直線運転に亘って生じる個々の車輪半径の差に関する初期の進行中のキャリブレーションを含んでいる。推測航法伝搬プロセッサ310は、予備のGPS測位器304から反映およびキャリブレーションされる車輪刻み312からレンジおよび方位を演算するためにこれらのキャリブレーションを使用する。   The normal TP structure 326 is used when a good GPS solution is available to reset the GPS and DR navigation combined solution 316 to a GPS solution. The DR calibration 328 includes an initial on-going calibration of the wheel radius estimates and individual wheel radius differences that occur over turning, speed, and linear driving. Dead reckoning propagation processor 310 uses these calibrations to compute ranges and headings from wheel ticks 312 reflected and calibrated from spare GPS positioners 304.

GPS測位器304において長い時間が経過すると、GPS航法受信機302は、GPS衛星308を再び取得するために広い探索を通常行なわなければならない。しかし、ここでは、DRレンジおよび針路伝搬プロセッサ310は、GPSアウテージの多くを、マッピング・フィードバック324の助けによって位置解の演算継続に費やす。従って、これらの推定した時間および位置解は、現在のDR解の探索の初期設定を開始するための、GPS航法受信機302に対する指示330に含まれている。指示330の利点は、一般に再捕捉をスピードアップさせるためにそれを使用することができ、また、高速移動車両の用途においてより実用的な高感度探索を行なうことができるということである。   When a long time elapses in the GPS positioning device 304, the GPS navigation receiver 302 must normally perform a wide search to acquire the GPS satellite 308 again. Here, however, the DR range and course propagation processor 310 spends much of the GPS outage on continuing the calculation of the position solution with the help of mapping feedback 324. Accordingly, these estimated time and position solutions are included in the instruction 330 to the GPS navigation receiver 302 to initiate the initial setting of the current DR solution search. The advantage of instruction 330 is that it can generally be used to speed up recapture and can perform a more sensitive search that is more practical in high speed moving vehicle applications.

従って、GPS受信機302は、利用可能な多数の有効な補正器(44,000個以上)を使用して並列で独立した前提を探索するように構成されている。GPS受信機302における有効な補正器のうちの幾つかは、非常に密結合な方法で推測航法解を探索し、その結果、推測航法データが正しい場合、再捕捉時間が最小限にされる。推測航法データが低い信頼性である場合、それは、代わりの前提を同時に探索することができる。後者の場合、GPS受信機302は、推測航法単独モード314の長いアウテージの後で、または、例えば、フェリーボートの長く管理されていない航路を補正するための長い電力オフ期間の後で、素早く回復するのを助けるために使用される。   Accordingly, the GPS receiver 302 is configured to search for parallel and independent assumptions using a number of available valid correctors (44,000 or more). Some of the valid compensators in the GPS receiver 302 search for dead reckoning solutions in a very tightly coupled manner so that if the dead reckoning data is correct, the reacquisition time is minimized. If dead reckoning data is of low reliability, it can search for alternative assumptions simultaneously. In the latter case, the GPS receiver 302 recovers quickly after a long outage in dead reckoning single mode 314 or after a long power off period, eg, to correct a long unmanaged route on a ferry boat. Used to help do.

毎秒1回のfix(1Hz)の推測航法に対しては、10Hzの車輪回転刻みの観測は、GPS受信機104または302によって生じるGPS fixと同一の1秒fix間隔に同期される。そのような同期は、セレクタ314において推測航法単独、GPS単独、および複合モードの動作間で切り換える場合に、fix間の一定期間を維持する。車輪回転刻みに基づいたデルタレンジおよびデルタ針路は、1秒GPSエポック毎に測定される。絶対針路は、初期の針路基準と共にデルタ針路を積分することにより得られる。
dead-reckoning-heading = heading-offset + sum (delta-heading)
その後、東および北の方角の如何なる変化も次の式によって判断することができる。
Delta-East= delta-range * sin (dead-reckoning heading);
Delta-North= delta-range * cos (dead-reckoning heading)
最後に、
East position= initial east position + Sum (Delta-East);
North position= initial north position + Sum (delta-North)
である。推測航法測定およびキャリブレーション・パラメータは、次のようなものである。
delta-range = BL * CL + BR*CR
delta-heading = AL * CL - AR*CR
Heading = Heading-offset + sum delta-heading
ここで、
,C:1000ミリ秒などの指定期間に亘る左右の車輪のそれぞれに対してCANbusパケットに蓄積された刻み(tick)の回数。車輪回転刻みは、CANbusパケットの内容が蓄積された数であるので、現在およびそれ以前のCANbusパケットを区別することによって生成される。
,B:左右の車輪のdelta-range/tickに対するキャリブレーション・パラメータ(単位:mm/tick)。
,A:左右の車輪のdelta-heading/tick差に対するキャリブレーション・パラメータ(単位:分/tick=角度*60/tick)。
Heading-offset:sum delta-headingを既知の針路基準に平行移動させるキャリブレーション・パラメータ。
従って、有効なキャリブレーションは、B,B(単純に「B」およびdBとして再マッピングされる)、A,A(つまり、単純に「A」およびdA)、および針路オフセット(heading-offset)の推定値を必要とする。GPS受信機104または302は、たとえその衛星伝送の受信が遮断されていないときであっても、それがデルタレンジ(delta-range)、デルタ針路(delta-heading)、および絶対針路の正確な測定値を提供することができるので、キャリブレーション・データの基準源としてに使用される。
For a fix (1 Hz) dead reckoning once per second, 10 Hz wheel rotation step observations are synchronized to the same 1 second fix interval as the GPS fix produced by the GPS receiver 104 or 302. Such synchronization maintains a fixed period between fixes when the selector 314 switches between dead reckoning alone, GPS alone, and combined mode operations. The delta range and delta course based on wheel rotation increments are measured every 1 second GPS epoch. The absolute course is obtained by integrating the delta course with the initial course reference.
dead-reckoning-heading = heading-offset + sum (delta-heading)
Thereafter, any change in the east and north directions can be determined by the following equation:
Delta-East = delta-range * sin (dead-reckoning heading);
Delta-North = delta-range * cos (dead-reckoning heading)
Finally,
East position = initial east position + Sum (Delta-East);
North position = initial north position + Sum (delta-North)
It is. Dead reckoning measurement and calibration parameters are as follows.
delta-range = B L * C L + B R * C R ;
delta-heading = A L * C L -A R * C R ;
Heading = Heading-offset + sum delta-heading
here,
C L , C R : The number of ticks accumulated in the CANbus packet for each of the left and right wheels over a specified period such as 1000 milliseconds. The wheel rotation increment is generated by distinguishing the current and previous CANbus packets because the CANbus packet content is the accumulated number.
B L, B R: calibration parameters for delta-range / tick of the left and right wheels (unit: mm / tick).
A L , A R : Calibration parameters for delta-heading / tick difference between left and right wheels (unit: minutes / tick = angle * 60 / tick).
Heading-offset: A calibration parameter that translates sum delta-heading to a known course reference.
Thus, valid calibrations are B L , BR (simply remapped as “B” and dB), A L , A R (ie, simply “A” and dA), and heading offset (heading -offset) estimate is required. The GPS receiver 104 or 302 can accurately measure delta-range, delta-heading, and absolute course, even when reception of the satellite transmission is not blocked. Since a value can be provided, it is used as a reference source for calibration data.

キャリブレーション・パラメータは、車両110の物理的な属性(例えば、物理的パラメータ)の既知の関係から初期化される。これらの物理的パラメータは、ここでは、左右の車輪半径(R,R:Wheel Radius)、車輪間のトラック幅距離(TW:Track Width)、およびカウント数または1回転当たりに生じる刻み(CPR)として定義される。 The calibration parameters are initialized from a known relationship of physical attributes (eg, physical parameters) of the vehicle 110. These physical parameters are, here, the left and right wheel radii (R 1 , R r : Wheel Radius), the track width distance between the wheels (TW: Track Width), and the number of counts or increments per revolution (CPR). ).

車両110の回転では、旋回軌道に沿った距離は、旋回半径および角度変化の積である(例えば、ラジアンでの変更針路)。回転半径(turn radius)は、道路サイズと関係があり、未知である。
delta-range = turn radius * delta-Heading;
(単位:メートルおよびラジアン)
生成された車輪回転刻みは、移動距離および1m当たりの刻み回数の積に比例する。
Count = delta-range * CPR (ticks / rotation) / [2PI wheel radius];
(単位:刻み(tick)およびメートル)
従って、
(Count / CPR) * 2PI * wheel radius = turn radius * delta-Heading
である。
In the rotation of the vehicle 110, the distance along the turning trajectory is the product of the turning radius and the angular change (eg, changed course in radians). The turn radius is related to the road size and is unknown.
delta-range = turn radius * delta-Heading;
(Unit: meters and radians)
The generated wheel rotation increment is proportional to the product of the distance traveled and the number of steps per meter.
Count = delta-range * CPR (ticks / rotation) / [2PI wheel radius];
(Unit: tick and meter)
Therefore,
(Count / CPR) * 2PI * wheel radius = turn radius * delta-Heading
It is.

左への旋回では、例えば、右車輪の旋回半径は、[左車輪の旋回半径+トラック幅]と等しくなる。従って、左右のデルタレンジ数式の差を取ると、旋回半径は消去され、次のものが残る。
CL / CPR * 2 * PI * Rl- CR / CPR* 2* Rr = TW * delta-Heading
並べ替えると、角度での針路変化(delta-heading)は、次のようになる。
delta-heading = Rl / CPR / TW * 360 * CL - Rr / CPR / TW * 360 * CR
検査すると、次のようになる。
AL = Rl / CPR / TW * 360 (degree / tick);
AR = Rr / CPR / TW * 360 (degree / tick)
数値の正確さは、分の単位(例えば、角度(degree)*60)でパラメータを推定することによって改善される場合がある。従って、AおよびAは、次のように演算される。
AL = Rl / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
AR = Rr / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick)
ここでは、左右の車輪の回転刻みは、針路変化を表わし、左右の車輪の回転刻みの平均は、車両110の中心のデルタレンジを表わしている。
delta-range = R1 / CPR * PI * CL + Rr / CPR * PI * CR
検査すると、
BL = Rl / CPR * PI (meters / tick);
BR = Rr / CPR * PI (meters / tick)
である。ミリメートルでこの係数を推定すると、数値の正確さを改善する。従って、BおよびBは、次のように演算される。
BL = Rl / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick);
BR = Rr / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick)
In turning to the left, for example, the turning radius of the right wheel is equal to [turning radius of the left wheel + track width]. Thus, taking the difference between the left and right delta range formulas erases the turning radius and leaves the next one.
C L / CPR * 2 * PI * R l -C R / CPR * 2 * R r = TW * delta-Heading
When rearranged, the course change in angle (delta-heading) is as follows.
delta-heading = R l / CPR / TW * 360 * C L -R r / CPR / TW * 360 * C R
The inspection is as follows.
A L = R l / CPR / TW * 360 (degree / tick);
A R = R r / CPR / TW * 360 (degree / tick)
Numerical accuracy may be improved by estimating the parameter in units of minutes (eg, angle * 60). Therefore, A L and A R are calculated as follows.
A L = R l / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
A R = R r / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick)
Here, the rotation increments of the left and right wheels represent a course change, and the average rotation increment of the left and right wheels represents a delta range at the center of the vehicle 110.
delta-range = R1 / CPR * PI * C L + R r / CPR * PI * C R
When inspected
B L = R l / CPR * PI (meters / tick);
B R = R r / CPR * PI (meters / tick)
It is. Estimating this factor in millimeters improves the numerical accuracy. Therefore, B L and BR are calculated as follows.
B L = R l / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick);
B R = R r / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick)

表IIは、17インチの車輪半径、84インチのトラック幅、および1車輪回転当たり200回の刻みを持った典型的な車両110の物理的パラメータおよびそれらの対応するキャリブレーション・パラメータを示している。表II中の例は、一方の車輪(左)が他方の車輪(右)よりも僅かに大きい現実的な状況を表わしている。キャリブレーション・パラメータは、次に示す単位である。

Figure 2013088208
Table II shows the physical parameters of a typical vehicle 110 with 17 inch wheel radius, 84 inch track width, and 200 increments per wheel revolution and their corresponding calibration parameters. . The example in Table II represents a realistic situation where one wheel (left) is slightly larger than the other wheel (right). The calibration parameter is a unit shown below.
Figure 2013088208

キャリブレーションおよび物理的パラメータが得られた後で、付加的なパラメータ(ここでは、「針路オフセット(heading-offset)」と呼ばれる)は、実際に推測航法を開始するために必要とされる。針路オフセット・パラメータは、GPSアンテナ106の十分な運動がキャリブレーションに使用されることができるデータを生成する場合にリアルタイムで単に決定されることができる。   After calibration and physical parameters are obtained, an additional parameter (referred to herein as “heading-offset”) is actually needed to initiate dead reckoning. The course offset parameter can simply be determined in real time when sufficient movement of the GPS antenna 106 produces data that can be used for calibration.

GPS針路は、毎秒、atan(東速度/北方速度)としてのGPS速度ベクトルから演算され、真北が0°、真南が180°である。推測航法からのデルタ針路は、毎秒、パラメータAおよびAによって計られる車輪回転刻みの差から測定される。合計推測航法デルタ針路(dead-reckoning-delta-heading-sum)は、すべての推測航法デルタ針路(dead-reckoning delta-headings)の合計である。このパラメータのプロファイルは、真の針路の変化と一致するが、積分定数によって真の針路から逸れていく。推測航法針路は、合計推測航法デルタ針路と、針路オフセットと呼ばれる最終パラメータとの合計である。 The GPS course is calculated from a GPS speed vector as atan (east speed / north speed) every second, and true north is 0 ° and true south is 180 °. Delta course from dead reckoning, every second, is measured from the difference between the wheel rotational increments that are scaled by the parameters A L and A R. Total dead-reckoning-delta-heading-sum is the sum of all dead-reckoning delta-headings. The profile of this parameter agrees with the change in the true course, but deviates from the true course by the integration constant. Dead reckoning course is the sum of the total dead reckoning delta course and the final parameter called course offset.

針路オフセットは、GPS針路と合計推測航法デルタ針路との間の任意の差である。針路オフセットは、固定値であると予想できるが、実際には、それは、CANbusデータの安定性および精度/利用可能性ならびにキャリブレーション精度に依存してドリフトする。fixセッション中またはfixセッション間の如何なる失われたCANbusパケットも、針路オフセットにおける推定不可能な誤差をもたらすことがある。個々のメーカの車輪刻みセンサの特異性は、針路オフセットの安定性にも影響することがある。   The course offset is any difference between the GPS course and the total dead reckoning delta course. The course offset can be expected to be a fixed value, but in practice it drifts depending on the stability and accuracy / availability of the CANbus data and the calibration accuracy. Any lost CANbus packets during or between fix sessions can result in unestimable errors in the course offset. The uniqueness of each manufacturer's wheel tick sensor can also affect the stability of the course offset.

GPS速度が0を超えるときはいつでも、GPS受信機104または302は、針路オフセットの推定値の更新を継続する。このように、システム100は、任意の異常な車輪刻み条件から素早く回復することができる。   Whenever the GPS speed exceeds zero, the GPS receiver 104 or 302 continues to update the heading offset estimate. In this way, the system 100 can quickly recover from any abnormal wheel tick conditions.

針路オフセットとすべての推測航法デルタ針路の合計との両方は、対として不揮発性メモリに保持されなければならず、その結果、推測航法は、電源オン直後に利用可能となる。例えば「駐車場モード」では、データ対は、GPS推測航法セッションの開始時にフェッチされる。図4を参照。これは、データ対が永続停止命令を使用してすべてのセッションの終了時に適切に保存されなければならないことを示唆している。   Both the heading offset and the sum of all dead reckoning delta courses must be kept in pairs in non-volatile memory, so that dead reckoning is available immediately after power on. For example, in “parking mode”, the data pair is fetched at the start of a GPS dead reckoning session. See FIG. This suggests that the data pair must be properly saved at the end of every session using a permanent stop instruction.

「駐車場開始」は、推測航法がGPS受信機104または302の開始直後に開始されるモードであり、前のキャリブレーションは、演算されており、今度は例えば不揮発性メモリから取り出される。駐車場開始は、車両110が駐車場内で起動し、GPS受信が良好でない場合に有用である。   “Parking start” is a mode in which dead reckoning is started immediately after the start of the GPS receiver 104 or 302, the previous calibration has been calculated, and this time, for example, is taken out from a non-volatile memory. The parking lot start is useful when the vehicle 110 is activated in the parking lot and GPS reception is not good.

駐車場開始は、特別なGPSのオフ命令を、前のシャットダウン時に実行しなければならなかったことを要求する。このオフ命令は、ここでは「永続的なシャットダウン」命令と呼ばれる。受信した場合、ビットは、駐車場開始が次のGPS−onイベントで実行されることを示す様々なキャリブレーション・パラメータで不揮発性メモリに格納される。GPS受信機104または302がセッション間に移動されていないと想定することが合理的である。そのような必須条件が満たされる場合、新しいセッションがその始めから正確であると看做すことができる。なぜならば、前の位置および針路が新しいセッションに対して有効な開始条件を提供したからである。   Parking start requires that a special GPS off command had to be executed at the previous shutdown. This off command is referred to herein as a “permanent shutdown” command. If received, the bits are stored in non-volatile memory with various calibration parameters indicating that a parking start is to be performed at the next GPS-on event. It is reasonable to assume that the GPS receiver 104 or 302 has not been moved between sessions. If such a prerequisite is met, the new session can be considered accurate from the beginning. This is because the previous position and course provided a valid starting condition for the new session.

針路オフセットとすべての推測航法デルタ針路のデータの合計との精度および正確さは、車両110が移動しているときに生成されるすべてのCANbusデータへの属し方に依存する。従って、車両110が駐車されて移動しなくなった後で、GPS受信機104または302は、単にオフにされるべきである。GPS受信機104または302は、車両110が再び移動する前に、起動して実行することを可能にされるべきであり、従って、GPSは、CANbus130上の重要なCANbusデータを受信およびバッファすることを逃さない。   The accuracy and accuracy of the heading offset and the sum of all dead reckoning delta heading data depends on how it belongs to all CANbus data generated when the vehicle 110 is moving. Thus, after the vehicle 110 is parked and cannot move, the GPS receiver 104 or 302 should simply be turned off. The GPS receiver 104 or 302 should be enabled to run and execute before the vehicle 110 moves again, so the GPS will receive and buffer important CANbus data on the CANbus 130. Don't miss out.

CANbusデータは、短いアウテージまたはギャップが認識され、補正されることができるように、リアルタイムでタイムスタンプを押されなければならない。データは、適切にタイムスタンプをデータに押さずに、GPS受信機104または302に非同期に収集され、押し込まれてはならない。GPSシステムおよびCANbus時間領域の密共有は、本発明の実施形態においては必要ではない。収集されたCANbusデータ上のタイムスタンプは、タイムスタンプのノイズを減少させるべく、また、GPSとCANbusのクロックと間の任意の時間ドリフトの影響を弱めるべく、補間および平均化される。   The CANbus data must be time stamped in real time so that short outages or gaps can be recognized and corrected. Data should not be collected and pushed into the GPS receiver 104 or 302 asynchronously without properly stamping the data. Close sharing of the GPS system and CANbus time domain is not required in embodiments of the present invention. The timestamps on the collected CANbus data are interpolated and averaged to reduce timestamp noise and to mitigate any time drift effects between the GPS and CANbus clocks.

幾つかの推測航法の実施形態は、10Hzの車輪回転刻みのみを受け入れることができ、従って、タイムスタンプの誤差は、50ミリ秒未満であるべきである。タイムスタンプにおける推奨変化は、10ミリ秒未満の標準偏差を有するべきである。   Some dead reckoning embodiments can only accept 10 Hz wheel rotation increments, so the time stamp error should be less than 50 milliseconds. The recommended change in time stamp should have a standard deviation of less than 10 milliseconds.

GPS針路の迅速な利用可能性は、どのくらい速くまた正確にシステム100がキャリブレーションし、CAN休止期間、車輪のスリップ、または他の異常なイベントから復帰することができるかの重大な要因である。針路を最初に利用可能にすることは、他のすべてのキャリブレーション・パラメータを演算するために必要である。   The rapid availability of the GPS course is a critical factor in how quickly and accurately the system 100 can calibrate and recover from a CAN pause, wheel slip, or other abnormal event. Making the course first available is necessary to compute all other calibration parameters.

基本的な最悪のケースの針路誤差モデル(単位:度(degree))は、arctan(速度誤差/速度)として演算される。針路は、車両110が移動していない場合にはGPS受信機104または302によって判断されることができない。なぜならば、その比が任意に一周して元に戻るからである。しかしながら、速度推定値の精度に依存して、また、任意の速度誤差の大きさに依存して、低速での針路を判断することは可能である。速度誤差は、GPSキャリアのドップラー測定ノイズを水平精度低下率(HDOP)に乗じたものとしてモデル化される。   The basic worst case course error model (unit: degree) is calculated as arctan (speed error / speed). The course cannot be determined by the GPS receiver 104 or 302 when the vehicle 110 is not moving. This is because the ratio makes a round and returns. However, it is possible to determine the course at a low speed depending on the accuracy of the speed estimation value and depending on the magnitude of an arbitrary speed error. The speed error is modeled as the GPS carrier Doppler measurement noise multiplied by the horizontal accuracy drop rate (HDOP).

ドップラー測定ノイズは、信号強度または信号対雑音比(SNR)に主として依存する。「都会の峡谷」における反射信号によって生じる如何なる干渉も、真の測定誤差を増大させ、速度および針路誤差をもたらす。GPS受信機104または302は、その測定値からそのような誤差を除去するために頻繁に動作している。   Doppler measurement noise depends primarily on signal strength or signal-to-noise ratio (SNR). Any interference caused by the reflected signal in the “urban canyon” increases the true measurement error, resulting in speed and heading errors. The GPS receiver 104 or 302 is frequently operating to remove such errors from its measurements.

4つの異なる信号条件に対する保守的な針路誤差モデルは、
44dB−Hzの望ましいモデル、
34dB−Hzの望ましくないモデル、
28dB−Hzの金属化した車室および範囲のモデル、および
24dB−Hzの別の仕様外モデル
であり、HDOP=6と仮定した推定速度誤差は、それぞれ、0.02,0.2,1.2,および2km/hrである。
その簡単な概要は、
針路誤差 < 44dBhz、2km/hrで1°;
針路誤差 < 34dBhz、12km/hrで1°;
針路誤差 < 28dBhz、23km/hrで3°;
針路誤差 < 24dBhz、40km/hrで3°である。
The conservative course error model for four different signal conditions is
A desirable model of 44 dB-Hz,
An undesirable model of 34 dB-Hz,
The estimated speed error assuming a metallized cabin and range model of 28 dB-Hz and another out-of-specification model of 24 dB-Hz, with HDOP = 6, is 0.02, 0.2, 1.. 2 and 2 km / hr.
A brief overview is
Course error <44 dBhz, 1 ° at 2 km / hr;
Course error <34 dBhz, 1 ° at 12 km / hr;
Course error <28 dBhz, 3 ° at 23 km / hr;
Course error <24 dBhz, 3 ° at 40 km / hr.

本発明のアルゴリズムの実施形態は、これらのモデルを使用し、どの針路がキャリブレーション・パラメータに含めることができるかを判断するために針路自体の安定性を観測する。   Embodiments of the algorithm of the present invention use these models and observe the stability of the course itself to determine which courses can be included in the calibration parameters.

針路オフセットは、速度が最良の条件で20km/hr以上ある限り、5秒以内に判断されるべきである。28dB−Hzの平均SNRによって特徴づけられる金属化された車室に対して、パラメータは、依然としてより低いスピードでキャリブレーションされるが、精度は下がる。しかしながら、連続的なフィルタリングが、針路誤差を減少させるために使用されることがある。   The course offset should be determined within 5 seconds as long as the speed is 20 km / hr or more at the best conditions. For a metallized cabin characterized by an average SNR of 28 dB-Hz, the parameters are still calibrated at a lower speed, but the accuracy is reduced. However, continuous filtering may be used to reduce heading errors.

「永続的停止」と呼ばれる停止命令は、ここで定義され、図7で言及される。それは、GPS受信機104または302を停止し、また、或るfixセッションから次のfixセッションへと針路キャリブレーションを保存するためのフラグとして使用され、電源オフ期間に亘ってギャップを埋める。永続的停止は、無秩序なシャットダウンを避けるために必要である。従来の実施では、通常の停止命令が出され、車両110は、次の開始命令を得る前に再び移動することができる。結果として、最後の位置および針路は、もはや有効ではない。従って、ここでは、針路オフセットは、一般的な停止命令に対して無効と宣言される。永続的なシャットダウンは、車両110が止まっており、次の「開始」命令が受信されるまで再び移動しないことを示すために、起動されるべきである。   A stop instruction called “permanent stop” is defined herein and referred to in FIG. It stops the GPS receiver 104 or 302 and is used as a flag to save the course calibration from one fix session to the next fix session, filling the gap over the power off period. Permanent shutdown is necessary to avoid chaos shutdown. In a conventional implementation, a normal stop command is issued and the vehicle 110 can move again before obtaining the next start command. As a result, the last position and course are no longer valid. Therefore, here the course offset is declared invalid for a general stop command. A permanent shutdown should be activated to indicate that the vehicle 110 has stopped and will not move again until the next “start” command is received.

幾つかの従来のコード・ライブラリは、前の実行情報を持ったGPSコアを初期化する前にGPS受信機104または302にCANbusデータを送ることができない必要がある。如何なるCANbusデータも、キャリブレーションされないそのようなCANbusデータを宣言するメモリからキャリブレーションを読む前に受信される。CANbusデータは、前の実行データが読まれるまで無視される。ここでは、CANbusデータのタイミングと前の実行ファイルの受信とに制限はない。つまり、データは、キャリブレーションが受信されると直ぐに処理され、針路オフセットは、もしそれが以前に利用可能であったならば維持される。   Some conventional code libraries need to be unable to send CANbus data to the GPS receiver 104 or 302 before initializing the GPS core with the previous execution information. Any CANbus data is received before reading the calibration from the memory declaring such CANbus data that is not calibrated. CANbus data is ignored until the previous execution data is read. Here, there is no restriction on the timing of CANbus data and the reception of the previous executable file. That is, the data is processed as soon as calibration is received, and the course offset is maintained if it was previously available.

図4は、GPS受信機の開始および永続的停止のCANbusデータのフローおよびタイミングの関係を表わしている。動作には3段階401〜403がある。段階401では、GPS受信機104または302は、オフであるが、CANbus130からのCANbusデータは存在する。データは、たとえそれがまだ開始していなくても、通常の方法でGPS受信機104または302に提示されることができる。ステップ410は、エンジンのオン命令を受信し、これは、航法が必要となることを意味している。ステップ412は、ホストCPU(図7参照)を起動し、CANbusデータの受信を開始する。ステップ414は、前の実行情報への不揮発性(NV)メモリにおけるポインタを持ったホストCPUで動作するGPSアプリケーションを提供する。ステップ416は、車両モデルおよび構成に対して一般的な初期の工場製造時のパラメータをロードする。ステップ418は、START命令によってGPSアプリケーションおよびハードウェアを起動し、不揮発性メモリに読み込む。ステップ420は、不揮発性メモリの読込みおよび書込みを表わしている。   FIG. 4 represents the CANbus data flow and timing relationship for starting and permanently stopping the GPS receiver. There are three stages 401-403 in operation. In step 401, the GPS receiver 104 or 302 is off, but CANbus data from the CANbus 130 is present. The data can be presented to the GPS receiver 104 or 302 in the usual way, even if it has not yet started. Step 410 receives an engine on command, which means that navigation is required. Step 412 activates the host CPU (see FIG. 7) and starts receiving CANbus data. Step 414 provides a GPS application that runs on the host CPU with a pointer in non-volatile (NV) memory to previous execution information. Step 416 loads the initial factory manufacturing parameters that are typical for the vehicle model and configuration. In step 418, the GPS application and hardware are started by the START instruction and read into the nonvolatile memory. Step 420 represents the reading and writing of non-volatile memory.

前の実行データは、CANフローチャートの段階401における推測航法中には保存されない。セクタの消去が、利用可能な記憶領域が消費されるときに最終的には必要となるが、そのような消去は、CANbusデータの入力に推測航法システムが遅れずについていくことを困難にする。なぜならば、消去が行なわれている間、セクタの消去は、システム指示バスを独占するからである。セッション中の前の実行の記憶は、無意味である。なぜならば、唯一の有効な記憶時間は、車両110が停止され、次のfixセッションまで再び移動しないときである。そうでなければ、次の駐車場セッションの精度を維持することは不可能である。   Previous execution data is not saved during dead reckoning in step 401 of the CAN flowchart. Although sector erasure is ultimately required when available storage space is consumed, such erasure makes it difficult for the dead reckoning system to keep up with the input of CANbus data. This is because erasure of the sector monopolizes the system instruction bus while erasure is being performed. Remembering previous executions during a session is meaningless. This is because the only valid storage time is when the vehicle 110 is stopped and will not move again until the next fix session. Otherwise, it is impossible to maintain the accuracy of the next parking session.

段階402では、GPS受信機104または302は起動され、推測航法がステップ422で利用可能である。段階402は、ステップ424がエンジンのオフ命令を受信したときに終了する。   In step 402, GPS receiver 104 or 302 is activated and dead reckoning is available at step 422. Step 402 ends when step 424 receives an engine off command.

段階403では、GPS受信機104または302は、ステップ426における永続的なシャットダウン命令で停止される。ステップ428は、DR伝搬データを持った不揮発性メモリの更新を表わしている。CANbusデータは、依然としてGPS受信機104または302に達することがあるが、それらは無視される。   In step 403, the GPS receiver 104 or 302 is stopped with a permanent shutdown instruction in step 426. Step 428 represents updating the non-volatile memory with DR propagation data. CANbus data may still reach the GPS receiver 104 or 302, but they are ignored.

図5は、キャリブレーション・データの様々なソースをGPS受信機104または302によって提供されるリアルタイムのキャリブレーションと継続的に混合する進行中のキャリブレーション処理500を表わしている。これは、GPSおよび推測航法の密結合をなす。リアルタイムのキャリブレーションの貢献は、Status-1、Status-3、Status-4、およびStatus-7のレベルを有しているキャリブレーション・ステータス全体の信頼レベルを増加させる。例えば、パラメータBは2を加え、パラメータAは1を加え、針路オフセットは4を加えるキャリブレーションする。最も高い信頼レベル(Status-7)は、望ましい状態であり、唯一、推測航法の結果がユーザに利用可能である。   FIG. 5 represents an ongoing calibration process 500 that continually mixes various sources of calibration data with the real-time calibration provided by the GPS receiver 104 or 302. This is a tight coupling of GPS and dead reckoning. The real-time calibration contribution increases the overall confidence level of the calibration status that has Status-1, Status-3, Status-4, and Status-7 levels. For example, the calibration is performed by adding 2 to the parameter B, adding 1 to the parameter A, and adding 4 to the course offset. The highest confidence level (Status-7) is the desired state, and only dead reckoning results are available to the user.

工場パラメータと部分的なキャリブレーションとの間で迷うことはない。工場キャリブレーションは、前の実行データが空であるかまたはクリアされたときに、前の実行データを入力する。従って、実際のキャリブレーションが初期の製造時の値に基づいた所期の推定値に追いつき始めるので、キャリブレーションのStatus-7は失われない。製造データがリアルタイム・データと混合するので、最初の完全なキャリブレーションに先立つ部分的なキャリブレーションは失われない。製造時の推定値がすべてリアルタイムのデータで上書きされるまで、この処理は継続する。   Don't get lost between factory parameters and partial calibration. Factory calibration inputs the previous execution data when the previous execution data is empty or cleared. Therefore, since the actual calibration starts to catch up with the expected estimate based on the initial production value, the Calibration Status-7 is not lost. Since manufacturing data is mixed with real-time data, partial calibration prior to the first full calibration is not lost. This process continues until all manufacturing estimates are overwritten with real-time data.

ステップ502では、前の実行または工場パラメータがない場合、推測航法ステータス・パラメータは、「0」から、パラメータがキャリブレーションされていない初期状態に進められる。ステップ504では、ステータスは、「2」へと増加し、ここでは、デルタレンジ「B」のキャリブレーション・パラメータがキャリブレーションされ、左右の車輪の半径および比が判断される。ステップ506では、デルタ針路およびデルタレンジ「A」のキャリブレーション・パラメータ、ならびに物理的パラメータであるトラック幅(TW)がキャリブレーションされたときに、推測航法ステータス・パラメータは「3」に増加する。デルタレンジは、デルタ針路をキャリブレーションする前にキャリブレーションされなければならない。   In step 502, if there is no previous run or factory parameter, the dead reckoning status parameter is advanced from “0” to an initial state where the parameter is not calibrated. In step 504, the status is increased to “2”, where the calibration parameters for delta range “B” are calibrated to determine the left and right wheel radii and ratios. In step 506, the dead reckoning status parameter is increased to “3” when the calibration parameters of the delta heading and delta range “A” and the physical parameter track width (TW) are calibrated. The delta range must be calibrated before calibrating the delta course.

ステップ508では、針路オフセット、デルタ針路およびデルタレンジがキャリブレーションされるときに、推測航法ステータス・パラメータが「7」に増加する。車輪半径、比およびトラック幅がGPSデータから有効になったので、推測航法および複合モードは、ステップ510で利用可能である。   In step 508, the dead reckoning status parameter is increased to “7” when the course offset, delta course and delta range are calibrated. Dead reckoning and combined mode are available at step 510 as wheel radii, ratio and track width have been validated from GPS data.

ステップ512では、キャリブレーションが前のセッションから利用可能であり、不揮発性メモリから取り出される場合、推測航法およびキャリブレーションはその開始点から継続する。ステップ514では、前にStatus-7に達し、前のセッションが永続停止命令で終了した場合、推測航法は、ステップ510で直ちに利用可能である。キャリブレーション・パラメータがステップ518でGPSデータによって有効になった場合、複合モードは、ステップ516で利用可能である。   In step 512, dead reckoning and calibration continues from its starting point if calibration is available from the previous session and is retrieved from non-volatile memory. In step 514, dead reckoning is immediately available in step 510 if Status-7 was previously reached and the previous session was terminated with a permanent stop command. If the calibration parameters are enabled by GPS data at step 518, the combined mode is available at step 516.

代替のキャリブレーション方法は、アプリケーション・プログラミング・インタフェース(API)に依存する(図7参照。例えば、工場パラメータ・モードまたは製造時モード)。殆どのユーザは、推測航法を可及的速やかに利用可能にしておくことを好む。ステップ520では、前の実行データが空であるかまたは不在である場合、そのような工場パラメータ・モードは、車輪半径、トラック幅およびCPRに対して、近似した初期の物理的パラメータを提供する。これらの物理的パラメータは、AおよびBキャリブレーション・パラメータに変換され、それによって、キャリブレーションStatus-3を生じさせる。毎秒3m以上のGPS針路についての簡潔な観測だけが、キャリブレーションをStatus-7に上げるために必要であり、次いで、推測航法が利用可能になる。   An alternative calibration method relies on an application programming interface (API) (see FIG. 7, eg, factory parameter mode or manufacturing mode). Most users prefer to make dead reckoning available as quickly as possible. In step 520, if the previous run data is empty or absent, such factory parameter mode provides approximate initial physical parameters for wheel radius, track width and CPR. These physical parameters are converted into A and B calibration parameters, thereby producing calibration Status-3. Only a brief observation of the GPS course at 3 meters or more per second is required to raise the calibration to Status-7, and dead reckoning navigation is then available.

API工場パラメータ・モードで最も高い推測航法精度(Status-7)を期待することは非現実的である。なぜならば、車輪比およびトラック幅は、個々の車両110に対して工場で十分にキャリブレーションされることができないからである。車輪半径の比およびトラック幅は、1%の誤差よりも良いと知られていなければならない。GPS受信機104または302によって提供される経験的な測定値は、十分に良い測定値を得るための実用的な答えである。このような理由から、複合モードの動作は、フルセットのキャリブレーション・パラメータがGPSキャリブレーション・データを使用して正確に判定されるまで延期しなければならない。   It is impractical to expect the highest dead reckoning accuracy (Status-7) in API factory parameter mode. This is because the wheel ratio and track width cannot be fully calibrated at the factory for individual vehicles 110. The wheel radius ratio and the track width must be known to be better than 1% error. The empirical measurement provided by the GPS receiver 104 or 302 is a practical answer for obtaining a sufficiently good measurement. For this reason, the combined mode operation must be postponed until the full set of calibration parameters is accurately determined using GPS calibration data.

ステップ520の製造時モードで開始する典型的なシーケンスは、初期状態としてStatus-3から開始される。左右の車輪の半径およびトラック幅がキャリブレーションされる場合を想定する。製造時モードは、各車輪に対して異なる半径を指定することができない。従って、複合モードは、キャリブレーションが確認されるまで利用可能ではない。Status-7は、針路オフセットがキャリブレーションされたときに生じる。推測航法が利用可能になり、さらに、複合モードが、キャリブレーションがステップ518で確認された後にのみ利用可能である。確認は、冷間始動時のキャリブレーションと同一の条件を必要とする。   A typical sequence starting in the production mode of step 520 starts with Status-3 as the initial state. Assume that the radius and track width of the left and right wheels are calibrated. The manufacturing mode cannot specify a different radius for each wheel. Therefore, the composite mode is not available until calibration is confirmed. Status-7 occurs when the course offset is calibrated. Dead reckoning is available, and combined mode is only available after calibration is confirmed in step 518. Confirmation requires the same conditions as calibration at cold start.

パラメータA、パラメータB、および針路オフセットに対するキャリブレーション情報を提供するのに十分な、GPS受信機104または302を動作させるために必要な少数の最低車両駆動要件がある。これらは、表IIIに要約されている。これらは、図5におけるステップ522および524にも反映されている。

Figure 2013088208
There are a few minimum vehicle drive requirements necessary to operate the GPS receiver 104 or 302 sufficient to provide calibration information for parameter A, parameter B, and course offset. These are summarized in Table III. These are also reflected in steps 522 and 524 in FIG.
Figure 2013088208

連続的なキャリブレーションは、車両110の寿命を最も長くする。生データが予めフィルタリングされ、各キャリブレーション・パラメータの主カルマン・フィルタ推定器で処理される前に確認される。一般に、良いキャリブレーションは、前の実行データが(例えば、不揮発性メモリに)維持される限り、永久に維持されることができる。前の実行データが完全に失われた場合、元の製造時の値は、開始点として使用されることができ、その結果、推測航法が可及的速やかに利用可能となることができる。   Continuous calibration maximizes the life of the vehicle 110. The raw data is pre-filtered and verified before being processed by the main Kalman filter estimator for each calibration parameter. In general, good calibration can be maintained forever as long as previous run data is maintained (eg, in non-volatile memory). If the previous run data is completely lost, the original production value can be used as a starting point, so that dead reckoning can be made available as soon as possible.

キャリブレーション・ステータスをStatus-7以下に低下させる或る条件が存在する。まず、表IVにおいて要約するように、車輪回転刻み(CANbusデータ)に誤りが存在する場合がある。

Figure 2013088208
これらの種類のCAN誤りは、基本的にStatus-3にキャリブレーション・ステータスを低下させる。従って、AおよびBキャリブレーションは失われない。推測航法および複合モードは、誤りが補正され、新しい針路キャリブレーションが達成された後で直ぐに利用可能である。 There are certain conditions that reduce the calibration status to Status-7 or lower. First, as summarized in Table IV, there may be an error in the wheel rotation increment (CANbus data).
Figure 2013088208
These types of CAN errors basically lower the calibration status to Status-3. Thus, A and B calibrations are not lost. Dead reckoning and compound modes are available immediately after errors are corrected and a new course calibration is achieved.

また、キャリブレーション・ステータスがキャリブレーションの誤りによって低下する可能性がある。アルゴリズムは、これらの発生をそれらが非常に稀になるまで最小限にするように構築されるべきである。高度なプレフィルタ・ロジックは、上記条件が無秩序にまたはノイズ・キャリブレーション測定で生じさせないように実施される。キャリブレーションの誤りを生じさせる最も可能性のあるイベントは、工場での正しくないキャリブレーションである(表V参照)。

Figure 2013088208
In addition, the calibration status may be lowered due to a calibration error. The algorithm should be constructed to minimize these occurrences until they are very rare. Advanced pre-filter logic is implemented so that the above conditions do not occur randomly or in noise calibration measurements. The most likely event that causes a calibration error is an incorrect calibration at the factory (see Table V).
Figure 2013088208

図6は、fixモード状態機械600と、GPS資産および車輪データ・キャリブレーションの利用可能性に依存した、推測航法単独モード601、複合モード602、およびGPS単独モード603間の相互関係を示している。fixモード状態機械600は、図3におけるモード選択器314を実施するために使用されることができる。   FIG. 6 illustrates the interrelationship between the fix mode state machine 600 and dead reckoning single mode 601, composite mode 602, and GPS single mode 603, depending on the availability of GPS assets and wheel data calibration. . The fix mode state machine 600 can be used to implement the mode selector 314 in FIG.

推測航法単独モード601では、検査604は、GPS fixがGPS受信機104または302から利用可能か否かを確認する。yesの場合、検査606は、GPSの過度に長い休止期間(アウテージ)があるか否か、または、位置変化(デルタ位置)が大きいかを尋ねる。yesの場合、動作は、GPS単独モード603に切り換える。   In dead reckoning only mode 601, the test 604 checks whether a GPS fix is available from the GPS receiver 104 or 302. If yes, the test 606 asks if there is an excessively long GPS outage (outage) or if the position change (delta position) is large. If yes, the operation switches to the GPS single mode 603.

しかし、そうでなければ、検査608は、推測航法パラメータのキャリブレーションが利用可能であり、確認されたか否かを尋ねる。yesの場合、複合モード602が許可される。そうでなければ、動作は、GPS単独モード603に切り換えなければならない。複合モード602にある間、2つの検査が絶えず実行される。検査610は、2基以下の衛星ビークルが利用可能か否かを確認する。真の場合、GPS解の品質は十分ではなく、動作は、推測航法単独モード601に切り換えなければならない。これは、車両110がトンネルに入るときに生じることがある。   However, if not, the test 608 asks whether dead reckoning parameter calibration is available and confirmed. If yes, the combined mode 602 is allowed. Otherwise, the operation must switch to GPS only mode 603. While in combined mode 602, two tests are constantly performed. Inspection 610 determines whether two or fewer satellite vehicles are available. If true, the quality of the GPS solution is not sufficient and the operation must be switched to dead reckoning single mode 601. This may occur when the vehicle 110 enters the tunnel.

複合モード602において絶えず実行される他の検査は、多くの矛盾のない衛星ビークルがあるか否かを確認するような検査612である。そうであれば、GPSの結果は、非常に強く、GPS単独モード603に切り換える方が良い。GPS単独モード603にある間、検査614は、多くの矛盾のない衛星ビークルがあるか否かを確認する。そうであれば、GPSの結果は、非常に強く、動作は、GPS単独モード603を継続することができる。検査616は、2基以下の衛星ビークルが利用可能か、また、キャリブレーションが利用可能か否かを尋ねる。そうであれば、動作は、推測航法単独モード601に切り換える。   Another test that is constantly performed in combined mode 602 is a test 612 that checks whether there are many consistent satellite vehicles. If so, the GPS result is very strong and it is better to switch to the GPS single mode 603. While in the GPS only mode 603, the test 614 checks to see if there are many consistent satellite vehicles. If so, the GPS result is very strong and the operation can continue in the GPS only mode 603. Test 616 asks if two or fewer satellite vehicles are available and whether calibration is available. If so, operation switches to dead reckoning single mode 601.

密結合GPSおよび推測航法システム100用のハードウェアがまず起動するときに、fixモード状態機械600がステップ620で起動する。検査622は、永続的停止ビットが(例えば、不揮発性メモリに)設定されたか否かを確認する。そうであれば、ステップ624は、キャリブレーション・データが利用可能か否かを確認する。yesの場合、動作は、推測航法単独モード601で始まり、GPS受信機104または302は、車両航法解をユーザに表示させるのを遅らせずに、バックグラウンドで出てくることができるが、そうでなければ、ステップ626は、GPS fixが利用可能か否かを尋ねる。そうでなければ、ループ628を待機する。GPS fixが利用可能になった場合、動作は、GPS単独モード603に切り換える。   The fix mode state machine 600 is activated at step 620 when the hardware for the tightly coupled GPS and dead reckoning navigation system 100 is first activated. Test 622 determines whether a permanent stop bit has been set (eg, in non-volatile memory). If so, step 624 checks whether calibration data is available. If yes, the operation begins in dead reckoning alone mode 601 and the GPS receiver 104 or 302 can come out in the background without delaying the display of the vehicle navigation solution to the user, but If not, step 626 asks if a GPS fix is available. Otherwise, wait for loop 628. When GPS fix becomes available, operation switches to GPS only mode 603.

屋外の状態では、エフェメリス、位置、および時間を含んだ前のデータが利用可能であり、依然として新鮮である場合には、1秒温間起動の初回測位時間(TTFF)は、GPSで可能である。しかしながら、自動車用途の車両110では、GPS信号は、駐車場内にある車両によって陰になることがあるか、または、GPS温間起動条件から開始することができない。従って、起動は、駐車場モード・ステップ630から始まる必要がある。   In outdoor conditions, if the previous data including ephemeris, location and time is available and still fresh, the first positioning time (TTFF) of 1 second warm-up is possible with GPS . However, in a vehicle 110 for automotive applications, the GPS signal may be shaded by vehicles in the parking lot or cannot be initiated from a GPS warm start condition. Thus, activation must begin at parking mode step 630.

車両110が屋外にあっても、エフェメリス・データが古すぎると考えられるならば、「駐車場」起動が生じるが、良い推測航法データが利用可能である限り、例えば、完全なキャリブレーション・Status-7および永続的停止ビットは、利用可能であり、推測航法単独モード601は、1秒以内に始まることができる。駐車場モード630は、最良には、1ミリ秒よりも良いGPS時間追跡するのを助ける32kHz実時間クロック(RTC)に支えられたバッテリを持たないシステムに含まれる。   Even if the vehicle 110 is outdoors, if the ephemeris data is considered too old, a “parking lot” activation will occur, but as long as good dead reckoning data is available, for example, complete calibration 7 and the permanent stop bit are available and dead reckoning single mode 601 can start within 1 second. Parking mode 630 is best included in systems that do not have a battery supported by a 32 kHz real time clock (RTC) that helps track GPS time better than 1 millisecond.

十分なキャリブレーションまたは永続的停止ビットが利用可能でない場合、駐車場モード630は、そのセッション中は利用可能ではなく、最初のfixが、新しいGPS fixが演算された後でのみ生成される。   If sufficient calibration or permanent stop bits are not available, parking mode 630 is not available during the session and the first fix is generated only after a new GPS fix is computed.

駐車場モードでは、推測航法は、常に前の位置から開始する。しかしながら、その判断の正確さは、最初のGPS fixが利用可能になるまで判断されることができない。   In parking mode, dead reckoning always starts from the previous position. However, the accuracy of that determination cannot be determined until the first GPS fix is available.

最初のGPS fixが利用可能になると直ぐに、GPS受信機104または302がオフであったうちに車両110が移動されたことがあり得るので、現在の推測航法位置を信頼すべきか否かに関しての判断がなされなければならない。例えば、車両110がフェリーボートに載せられて輸送されるときに、新しいGPS fixからのデルタ位置および最新の推測航法の検査が行なわれる。距離が大きい場合、GPS単独のfixは、できるだけ速く正確な位置解に到達するように選択される。   As soon as the first GPS fix is available, the vehicle 110 may have been moved while the GPS receiver 104 or 302 was off, so a determination as to whether the current dead reckoning position should be trusted. Must be made. For example, when the vehicle 110 is transported on a ferry boat, the delta position from the new GPS fix and the latest dead reckoning navigation are performed. For large distances, a GPS-only fix is chosen to reach an accurate position solution as fast as possible.

車両110が移動された距離が大きくない場合、fixは、GPS測定値および伝えられる推測航法fixの相対的な精度に依存して、GPS単独モード603または複合モード602のいずれかになる。非常に信頼できるGPSの測定値またはより低い精度の推測航法は、状態機械600をGPS単独モード603に強いる一方で、低信頼できる度のGPSデータは、より複合モード602に強いる。   If the distance traveled by the vehicle 110 is not large, the fix will be in either the GPS only mode 603 or the combined mode 602 depending on the GPS measurement and the relative accuracy of the dead reckoning fix being conveyed. A highly reliable GPS measurement or lower accuracy dead reckoning forces the state machine 600 into the GPS only mode 603, while a less reliable GPS data forces a more complex mode 602.

複合モード602を使用するために、キャリブレーションは、既に有効になっていなければならない。これは、工場パラメータが使用される場合には常にそうである。これは、複合モード602が得られない短い運用年数になる(例えば、キャリブレーション能力が観測されるほど十分に運転する前になる)ことを意味する。   In order to use combined mode 602, calibration must already be enabled. This is always the case when factory parameters are used. This means that the combined operation mode 602 cannot be obtained for a short operation year (for example, before the vehicle is sufficiently operated so that the calibration capability is observed).

キャリブレーションが有効になった後の一般的なケースでは、2基以下の航行衛星が利用可能な場合、fixモードは、推測航法単独モード601である。航行衛星の数がより多く、推定したマルチパスが推定した推測航法キャリブレーションの精度よりも低い場合、fixは、GPS単独モード603になる。航行衛星の数が多くないか、または、推定したマルチパスが推定した推測航法キャリブレーションの精度よりも高い場合、fixは、複合モード602になる。   In the general case after calibration is enabled, the fix mode is the dead reckoning single mode 601 when two or fewer navigation satellites are available. If the number of navigation satellites is greater and the estimated multipath is lower than the estimated dead reckoning calibration accuracy, the fix is in the GPS only mode 603. If the number of navigation satellites is not large, or if the estimated multipath is higher than the estimated dead reckoning calibration accuracy, the fix becomes a composite mode 602.

fixモード601〜603の判断は連続的になされ、選択されたモード601〜603は毎秒変更することができる。GPSおよび推測航法条件は、複合モードまたはGPS単独モードへの移行がより良い結果を提供するか否かを判断するように常に推定される。例えば、最後のモードがGPS単独モード603である場合、増加したマルチパス環境または航行衛星の減少は、複合モード602に移行するのに十分な理由になる。   The determination of the fix modes 601 to 603 is made continuously, and the selected modes 601 to 603 can be changed every second. GPS and dead reckoning conditions are always estimated to determine whether a transition to combined mode or GPS alone mode provides better results. For example, if the last mode is the GPS only mode 603, the increased multipath environment or the decrease in navigation satellites is a good reason to move to the combined mode 602.

同様に、現在のモードが複合モード602である場合、条件は、GPS単独モード603への移行がより良い結果を提供するか否かを判断するように常に推定される。現在のモードが推測航法単独モード601であり、2基を超える数の衛星が利用可能になれば、GPS単独モード603または複合モード602へのいずれかの移行が生じる。推測航法誤差の積分値が小さい短い休止期間については、移行は、複合モード602へのものになる。しかしながら、より長い休止期間については、GPS単独モード603が、バイアスされない位置推定値に素早くスナップさせるために一時的に選択される可能性が大きい。しかしながら、GPS単独モード603における僅かな数のfixだけが最良の精度を回復させるために必要である。一般には、航行衛星の数が多くなく、推定マルチパス誤差が推定キャリブレーション精度と比較して小さくない限り、fixモードは、複合モード602に戻る。   Similarly, if the current mode is combined mode 602, the condition is always estimated to determine whether the transition to GPS only mode 603 provides better results. If the current mode is dead reckoning single mode 601 and more than two satellites are available, a transition to either GPS single mode 603 or combined mode 602 occurs. For short pauses where the dead-reckoning error integral is small, the transition is to composite mode 602. However, for longer rest periods, the GPS-only mode 603 is likely to be temporarily selected to quickly snap to an unbiased position estimate. However, only a small number of fixes in the GPS only mode 603 is necessary to restore the best accuracy. In general, the fix mode returns to the composite mode 602 unless the number of navigation satellites is large and the estimated multipath error is not small compared to the estimated calibration accuracy.

情報の更新割合は、1Hz程度の速さであり、GPSおよび慣性航法統合システムについて記述するために使用される「超結合」特性を提供する。推測航法およびGPSの情報は、主位置/速度カルマン・フィルタ内で組み合わせられる。デルタレンジおよびデルタ針路の推測航法測定値は、GPSドップラーおよび擬似レンジ測定値と直接的に結合される。   The information update rate is as fast as 1 Hz and provides a “super coupling” characteristic that is used to describe a GPS and inertial navigation integrated system. Dead reckoning and GPS information are combined in a main position / velocity Kalman filter. Dead reckoning measurements of delta range and delta heading are directly combined with GPS Doppler and pseudorange measurements.

それは、GPSおよび慣性航法複合システム100の「密」結合手法の特性を提供し、また、GPSおよび推測航法位置ならびに速度の推定値が独立して演算され、次に、互いに助けるための情報を共有せずに位置/速度領域において互いに複合される「疎」結合の解よりも良く作用する。   It provides the characteristics of the “tight” coupled approach of GPS and inertial navigation combined system 100, and GPS and dead reckoning position and velocity estimates are calculated independently and then share information to help each other It works better than the “loose” coupled solution combined in the position / velocity region without.

連続的なキャリブレーションは、並列のキャリブレーション方法論で複合モードにある場合に続行する。独立速度および針路推定器は、位置がGPS単独モードまたは複合モードで演算されるかとは無関係に、CANキャリブレーション・パラメータの連続的なキャリブレーション用の参照に対して使用される。   Continuous calibration continues when in combined mode with parallel calibration methodology. Independent speed and course estimators are used for continuous calibration reference of CAN calibration parameters, regardless of whether the position is calculated in GPS single mode or combined mode.

3つの位置モード601〜603は、2つのみの代わりに使用される。基本的なDR入力データは、1回の刻み量子化(例えば、48回の刻みで17インチの車輪だと5.6cm)を有している。幾つかのセンサは、低速で刻みを出力することをスキップする。休止期間、車輪スリップ、および逃したCANbusパケットが生じる場合がある。Blunder(ポカミス)チェックおよびフィルタリングは、使用に先立って殆どの誤差を補正するために適用されることができるが、キャリブレーションに使用することはできない。   Three position modes 601-603 are used instead of only two. The basic DR input data has one step quantization (eg, 5.6 cm for a 17 inch wheel with 48 steps). Some sensors skip outputting ticks at low speed. Pause periods, wheel slips, and missed CANbus packets may occur. Blunder checking and filtering can be applied to correct most errors prior to use, but cannot be used for calibration.

車輪回転刻み時間の同期は、CANbus130およびホストCPUの負荷に依存して変化することがある。車輪刻み差は、バンクした道路に対してバイアスする。タイヤは、温度、速度、年数に対してサイズが変化することがある。推測航法検知および処理は、各メーカによって異なり、従って、異なる誤差特性を有している。さらに、推測航法の精度は、キャリブレーションの品質に強く依存する。1°の針路キャリブレーション誤差でさえ、所定の十分な距離の移動に対して大きい位置誤差に積分されることがある。推測航法に基づく位置は、本質的に微分係数(デルタ針路およびデルタレンジ)の積分である。従って、積分は、真のデルタ位置からの未知の積分定数または誤差を持つことになる。従って、推測航法の車輪回転刻みの積分は常にバイアスし、推測航法は、絶対的な測位能力を提供することができない。   The synchronization of the wheel rotation increment time may change depending on the load of the CANbus 130 and the host CPU. Wheel increments are biased against banked roads. Tires can vary in size with respect to temperature, speed, and age. Dead reckoning detection and processing varies from manufacturer to manufacturer and thus has different error characteristics. Furthermore, the accuracy of dead reckoning strongly depends on the quality of the calibration. Even a 1 degree course calibration error may be integrated into a large position error for a given sufficient distance of movement. Position based on dead reckoning is essentially an integral of the derivative (delta heading and delta range). Thus, the integration will have an unknown integration constant or error from the true delta position. Thus, dead reckoning wheel rotation step integration is always biased and dead reckoning navigation cannot provide absolute positioning capability.

GPSセンサは、全く異なる利点および欠点のセットを有している。GPSキャリア位相観測は、キャリア波長の5%よりも良く測定することができる(0.05*0.19m<1cm)。それらは、キャリア位相標準偏差を1mm/秒に減少させるために、50Hzの位相固定・ループから1秒に50回の位相測定のドップラーを平均する。GPSのキャリア周波数の積分は、車輪回転刻みを積分しようとすることよりも遥かに正確である。GPSの擬似乱数的なコード位相は、絶対的な位置を提供する。コード位相波長は、293mであるが、マルチパス干渉がない場合には1mの精度で測定されることができる。市街地での脆弱性は、GPSがマルチパスおよび純粋な反射に苦しむということにある。   GPS sensors have a completely different set of advantages and disadvantages. GPS carrier phase observation can measure better than 5% of the carrier wavelength (0.05 * 0.19 m <1 cm). They average the Doppler of 50 phase measurements per second from the 50 Hz phase lock loop to reduce the carrier phase standard deviation to 1 mm / sec. The integration of the GPS carrier frequency is much more accurate than trying to integrate the wheel rotation increments. The GPS pseudo-random code phase provides an absolute position. The code phase wavelength is 293 m, but can be measured with an accuracy of 1 m in the absence of multipath interference. The vulnerability in urban areas is that GPS suffers from multipath and pure reflection.

推測航法センサおよびGPSセンサの利点および欠点を与えて、GPS単独モード603は、推測航法単独モード601における長い動作期間を強いるGPS信号受信の休止期間から最も速く回復するために使用される。推測航法モード601は、絶対誤差を測定することができず、位置変化だけを測定することができる。従って、推測航法データの如何なる複合も、GPS休止期間からの回復を単に遅くする。推測航法からの積分のバイアスと車輪スリップおよび量子化誤差などのCANbusデータの誤りとを複合せずにGPSの状況が好ましい場合に、GPS単独モード603は、最良の絶対精度を判断するために使用される。   Given the advantages and disadvantages of dead reckoning sensors and GPS sensors, the GPS only mode 603 is used to recover the fastest from a pause in GPS signal reception that imposes a longer period of operation in the dead reckoning mode 601. Dead reckoning mode 601 cannot measure an absolute error and can measure only a position change. Thus, any combination of dead reckoning data simply slows recovery from GPS pauses. The GPS only mode 603 is used to determine the best absolute accuracy when the GPS situation is favorable without compounding the integration bias from dead reckoning and CANbus data errors such as wheel slip and quantization errors. Is done.

GPS単独モード603は、複数の推測航法システムに亘ってよりロバストな解を提供するために使用される。各メーカのCANバスの実施は、僅かに異なり、世界で販売される様々な種類の車両で変わる。複合モード602はGPS誤差が推測航法誤差よりも大きい場合にのみ使用されるので、GPS単独モード603の使用を最大限にすることはその差を隠してしまう。   The GPS only mode 603 is used to provide a more robust solution across multiple dead reckoning systems. The implementation of each manufacturer's CAN bus is slightly different and varies with the various types of vehicles sold worldwide. Since the composite mode 602 is used only when the GPS error is larger than the dead reckoning error, maximizing the use of the GPS single mode 603 hides the difference.

複合モード602は、高マルチパスまたは僅かな使用可能な航行衛星による高水平精度低下率(HDOP)が存在する状態でGPSベースの位置解を安定化させるために使用される。複合モード602は、密集した都会の峡谷に入るときに高いGPSの精度を維持するために使用される。   Composite mode 602 is used to stabilize the GPS-based position solution in the presence of high multipath or high horizontal accuracy reduction (HDOP) due to few usable navigation satellites. Composite mode 602 is used to maintain high GPS accuracy when entering a dense urban canyon.

GPS単独モード603に対する複合モード602の相対的な重みは、GPS解の絶対精度と推測航法精度との間でバランスする。この利点は、1秒ほどで変化することがある。   The relative weight of the combined mode 602 relative to the GPS only mode 603 balances between the absolute accuracy of the GPS solution and dead reckoning accuracy. This advantage can change in as little as a second.

一般に、野外の状態では、最良の航法性能は、GPS単独モード603によるものであり、GPSキャリア位相測定は、車輪センサよりも正確である。都会の状態では、マルチパスおよび反射ノイズの影響が推測航法ノイズの影響を超えるので、最良の航法性能は、複合モード602によるものである。   In general, in the outdoor state, the best navigation performance is due to the GPS only mode 603, and the GPS carrier phase measurement is more accurate than the wheel sensor. In urban situations, the best navigation performance is due to the composite mode 602 because the effects of multipath and reflected noise exceed those of dead reckoning noise.

車載プロセッサのないGPSチップセットおよびモジュールは、測定プラットフォーム(MP)として分類され、シリアルUART接続を通じてホストプロセッサにデータを提供する。ホストCPUは、位置および針路情報を演算する航法ソフトウェアを実行する。そのような航法ソフトウェアは、ARM、Strong ARM、Pentium(登録商標)、SHモバイル、三星などの他の一般に利用可能なマイクロプロセッサを含んだ種々多様なホスト・プラットフォームとの互換性とは独立したホスト・オペレーティング・システムである。車載プロセッサを備えたモジュールおよびチップセットは、位置、速度、および時間(PVT)解として分類され、標準的なNMEAまたは専用形式において十分な航法能力を提供する。航法ソフトウェアは、モジュールまたはチップセットに埋め込まれる。   GPS chipsets and modules without an in-vehicle processor are classified as measurement platforms (MP) and provide data to the host processor through a serial UART connection. The host CPU executes navigation software that calculates position and course information. Such navigation software hosts independent of compatibility with a wide variety of other host platforms including other commonly available microprocessors such as ARM, Strong ARM, Pentium®, SH Mobile, Samsung, etc. An operating system. Modules and chipsets with onboard processors are categorized as position, velocity, and time (PVT) solutions and provide sufficient navigation capabilities in standard NMEA or dedicated formats. The navigation software is embedded in a module or chipset.

図7は、本発明の超密結合推測航法サブシステムの実施形態を表わし、一般的な参照数字700によってここで参照される。図7は、図1、図2(a)、図2(b)および図3に示されるアイテムのうちの幾つかの実現可能な実施の詳細をさらに示している。図2(a)および(b)は、ハードウェアまたはソフトウェア中の機能要素部分の実施について区別しており、ここでは、図7において、機能的な相互関係が表わされている。   FIG. 7 represents an embodiment of the ultra-tightly coupled dead reckoning subsystem of the present invention, referenced here by the general reference numeral 700. FIG. 7 further shows details of some possible implementations of the items shown in FIGS. 1, 2 (a), 2 (b) and 3. 2 (a) and 2 (b) distinguish between implementations of functional element parts in hardware or software, where the functional interrelationship is represented in FIG.

周回軌道上の航行衛星702は、マイクロ波信号を送信し、それは、航法測定プラットフォーム(MP)704(例えば、シリアル出力を備えたeRide社(カリフォルニア州サンフランシスコ)のOPUS-III nanoRide GPSモジュール)によって受信および復調される。MP704は、32チャネル無線周波数(RF)受信機、ベースバンド、およびSAWフィルタリング・ステージを備えている。MP704は、静止衛星型衛星航法補強システム(SBAS)を持った2チャネルのリアルタイム・ディファレンシャルGPSであることができる。これらは、ハードウェア・インタフェース706を通じて接続し、タイムレポート708、fixトリガ710、およびドップラーおよび擬似レンジ・レポート712を提供する。   An orbiting navigation satellite 702 transmits a microwave signal that is received by a navigation measurement platform (MP) 704 (eg, the eRide (San Francisco, Calif., OPUS-III nanoRide GPS module with serial output)). And demodulated. The MP 704 includes a 32-channel radio frequency (RF) receiver, baseband, and SAW filtering stage. The MP 704 can be a two-channel real-time differential GPS with a geostationary satellite-type satellite navigation augmentation system (SBAS). These connect through the hardware interface 706 and provide a time report 708, a fix trigger 710, and a Doppler and pseudo range report 712.

図2(b)に図示したPVT型の実施では、CANbus130データは、CANbusドライバ714およびUART716によって持ち込まれ、装置718においてタイムスタンプを押し、装置720において形式変換する。アプリケーション・プログラミング・インタフェース(API)722は、CANbusデータを入力する。代わりに、図2(a)に図示したMP型では、適切なタイムスタンプを持ったCANbus情報が、ホスト・アプリケーション724によって提供される。   In the PVT-type implementation illustrated in FIG. 2 (b), CANbus 130 data is brought in by CANbus driver 714 and UART 716, time stamped at device 718, and converted at device 720. An application programming interface (API) 722 inputs CANbus data. Instead, in the MP type illustrated in FIG. 2A, CANbus information having an appropriate time stamp is provided by the host application 724.

CANバッファ726は、新しい車輪刻みデータを処理し、数秒程度バッファする。ここでは、C,Cは、100ミリ秒に亘って左右の車輪のそれぞれに対してCANbusパケットに蓄積された刻みの回数である。車輪刻み回数は、CANbusパケットの内容は蓄積された数であるので、現在のCANbusパケットと前のCANbusパケットとの差分を取ることによって生成される。このデータは、デルタレンジ(Delta-range)、デルタ針路(Delta-heading)、およびデルタ針路合計(Delta-heading-sum)の推定値を生じさせるべく、推測航法(DR)伝搬プロセッサ730によって使用される。DR伝搬プロセッサ730は、DR誤差モデル732を形成する。 The CAN buffer 726 processes new wheel step data and buffers it for several seconds. Here, C L, C R is the number of increments accumulated in CANbus packets for each of the left and right wheels over a 100 msec. The number of wheel ticks is generated by taking the difference between the current CANbus packet and the previous CANbus packet because the content of the CANbus packet is an accumulated number. This data is used by dead reckoning (DR) propagation processor 730 to produce estimates of delta-range, delta-heading, and delta-heading-sum. The The DR propagation processor 730 forms a DR error model 732.

DRキャリブレーション装置734は、A,A,B,およびB用のカルマン・フィルタを備えている。A,Aキャリブレーション・パラメータは、左右の車輪に対するdelta-heading/tick差を表わしている(例えば、分/tick=角度*60/tickの単位)。B,Bは、左右の車輪に対するdelta-range/tickのキャリブレーション・パラメータである(例えば、mm/tickの単位)。針路オフセットは、合計デルタ針路を既知の針路基準に平行移動させるキャリブレーション・パラメータである。 DR calibration apparatus 734, A L, includes A R, B L, and a Kalman filter for B R. The A L and A R calibration parameters represent the delta-heading / tick difference for the left and right wheels (for example, units of minutes / tick = angle * 60 / tick). B L, B R is a calibration parameter of the delta-range / tick for left and right wheels (e.g., units of mm / tick). The course offset is a calibration parameter that translates the total delta course to a known course reference.

カルマン・フィルタ736は、デルタレンジおよびデルタ針路、ならびに、位置、速度、パラメータB、デルタレンジおよび針路D、および時間からの複合モード伝搬を処理する。モード選別処理738は、処理600として図6において詳述され、図3においてセレクタ314として表わされている。   The Kalman filter 736 handles delta range and delta course, and composite mode propagation from position, velocity, parameter B, delta range and course D, and time. Mode selection process 738 is detailed in FIG. 6 as process 600 and is represented as selector 314 in FIG.

データ処理742は、NMEA航法メッセージ中でエンコードされた位置解を提供する。キャリブレーション・ステータス・メッセージ744およびNMEAメッセージは、出力API746に接続されている。図5のPVT250型の実施では、NMEA航法メッセージおよびキャリブレーション・ステータス・メッセージは、UART747によって出力される。そうでなければ、図5のMP200型の実施では、NMEA航法メッセージおよびキャリブレーション・ステータス・メッセージは、ソフトウェア・インタフェースを通じてホスト・コンピュータ・アプリケーション724に出力される。   Data processing 742 provides the position solution encoded in the NMEA navigation message. Calibration status message 744 and NMEA message are connected to output API 746. In the PVT 250 implementation of FIG. 5, the NMEA navigation message and the calibration status message are output by UART 747. Otherwise, in the MP200 type implementation of FIG. 5, the NMEA navigation message and calibration status message are output to the host computer application 724 through the software interface.

適用時間オフセット演算は、CANbusデータ時間との間のオフセット演算処理748で提供され、GPS受信機内部タイマが、適切な推測航法モードにさらに必要である。これは、CANbusパケット・データとCANタイマを読み出すコールバック機能とを共に受信する1ミリ秒精度のタイムスタンプを必要とする。しかしながら、オフセット・キャリブレーションは、自動的であり、最初のCANデータ・パケットの受信から進行する。この必要なキャリブレーション・ステップは、有効なキャリブレーションの後に最初のCANbusデータ・パケットで推測航法モードに入ることを防止しない。   The application time offset calculation is provided in an offset calculation process 748 to CANbus data time, and a GPS receiver internal timer is further required for proper dead reckoning mode. This requires a 1 millisecond precision timestamp to receive both CANbus packet data and a callback function to read the CAN timer. However, offset calibration is automatic and proceeds from receipt of the first CAN data packet. This necessary calibration step does not prevent entering dead reckoning mode with the first CANbus data packet after a valid calibration.

GPS受信機104または302、および700通信がNMEA仕様書に定義されている。リアルタイム位置情報を提供する殆どのコンピュータ・プログラムは、それらのデータがNMEA形式になるものと理解し、期待する。このデータは、GPS受信機によって演算された完全な位置、速度、および時間(PVT)の解を含んでいる。NMEAは、完全に自己完結で他の文とは無関係の「文」と呼ばれるデータのラインを送信する。各装置のカテゴリに対して標準文があり、個々の会社によって使用される専用文を定義する機能もある。標準文はすべて、その文型を使用する装置を定義する2文字の接頭文字を有している。GPS受信機では、接頭文字はGPである。接頭文字の後には、文の内容を定義する連続した3文字が続く。NMEAは、ハードウェアのメーカが文字Pから始まり、メーカを識別する3文字が続く自身専用の文を定義することを可能にする。例えば、ガーミン社の文は、PGRMで始まり、マジェラン社の文は、PMGNから始まる。   GPS receiver 104 or 302, and 700 communications are defined in the NMEA specification. Most computer programs that provide real-time location information understand and expect that their data will be in NMEA format. This data includes the complete position, velocity, and time (PVT) solution computed by the GPS receiver. The NMEA sends a line of data called a “sentence” that is completely self-contained and unrelated to other sentences. There is a standard statement for each device category, and there is also the ability to define dedicated statements used by individual companies. All standard sentences have a two-letter prefix that defines the device that uses the sentence pattern. In the GPS receiver, the prefix is GP. The prefix character is followed by three consecutive characters that define the content of the sentence. NMEA allows hardware manufacturers to define their own sentences that begin with the letter P and are followed by three characters that identify the manufacturer. For example, Garmin's sentence begins with PGRM and Magellan's sentence begins with PMGN.

文はそれぞれ、「$」から始まり、復帰改行シーケンスで終わり、80文字以下の可視テキスト(それに加えてライン・ターミネータ)であることができる。データは、コンマによって区切られたデータ項目を持つこの単一のライン内に含まれている。データはそれ自体、単にASCIIテキストであり、或る専門的な例において複数の文に亘って延びることが可能であるが、通常は完全に1つの可変長文に含まれている。データは、メッセージに含まれる正確さの量が変化することがある。例えば、時間が秒の小数部に示されるか、または、位置が小数点の後に3または4桁で示されることがある。データを読むプログラムは、フィールドの境界を判断するためのコンマを単に使用すべきであり、カラム位置に依存しない。各文の終わりにチェックサムに対する準備があり、それは、データを読むユニットによってチェックされることがある。チェックサム・フィールドは、1つの「*」と、すべての文字の間の8ビットの排他的論理和を表わす2つの16進数からなるが、「$」および「*」を含んでいない。チェックサムは、幾つかの文に必要である。   Each sentence can begin with a “$”, end with a carriage return sequence, and be 80 or fewer characters of visible text (in addition to a line terminator). Data is contained within this single line with data items separated by commas. The data itself is simply ASCII text and can extend across multiple sentences in some specialized examples, but is usually contained entirely in one variable length sentence. Data may vary in the amount of accuracy included in the message. For example, the time may be indicated as a fraction of a second, or the position may be indicated with 3 or 4 digits after the decimal point. Programs that read data should simply use commas to determine field boundaries and are independent of column position. There is provision for a checksum at the end of each sentence, which may be checked by the unit reading the data. The checksum field consists of one “*” and two hexadecimal numbers representing an 8-bit exclusive OR between all characters, but does not include “$” and “*”. A checksum is necessary for some sentences.

上記標準には幾つかの変更があったが、GPSの使用では、遭遇する可能性のある唯一のものは、1.5および2.0〜2.3である。これらは、幾つかの異なる文の構成を単に指定するものであり、それらは、特定の装置の必要性に特有な場合がある。従って、GPSは、接続される装置に適合するように変更される必要がある場合がある。幾つかのGPSは、カスタマイズされた文のセットを構成する能力を提供し、他のGPSは、固定された選択肢のセットを提供することが可能である。多くのGPS受信機は、ユーザによって変更することができない固定された文のセットを単に出力する。現行バージョンの標準は3.01である。発明者はこのバージョンについて何ら具体的な情報を持っていないが、発明者はこのバージョンへの適合を必要とする如何なるGPSの製品も知らない。   Although there have been some changes to the above standards, the only ones that may be encountered with the use of GPS are 1.5 and 2.0 to 2.3. These simply specify a number of different sentence constructs, which may be specific to the needs of a particular device. Thus, the GPS may need to be changed to suit the connected device. Some GPSs provide the ability to compose a customized set of sentences, while other GPSs can provide a fixed set of options. Many GPS receivers simply output a fixed set of sentences that cannot be changed by the user. The current version standard is 3.01. The inventor has no specific information about this version, but the inventor is unaware of any GPS product that requires adaptation to this version.

NMEAは、文からなり、データ・タイプと呼ばれるその第1語は、文の残りの解釈を定義している。データ・タイプはそれぞれ、それ自身の固有の解釈を持ち、NMEA標準に定義されている。$GPGGA文は、本質的なfixデータを提供する。他の文は、同一の情報のうちの幾つかを繰り返すことがあるが、新しいデータも供給する。データを読む装置またはプログラムは、それが興味を持つデータ文に注目することができるが、興味のない他の文を単に無視する。NMEA標準では、GPSが何か他のことをすべきであることを示す命令はない。代わりに、受信機はそれぞれ、すべてのデータを単に送信し、その多くが無視されると期待している。幾つかの受信機は、送るべきすべての文のサブセット、また、或る場合には個々の文を選択することができる、ユニット内の命令を有している。文が正確に読まれているか否かをユニットに示すか、または、得ていない幾つかのデータを再送する要求をするための方法はない。代わりに、受信ユニットは、チェックサムを単にチェックし、チェックサムが悪く、データが後で再び送信されるであろうと考えた場合、そのデータを無視する。   NMEA consists of a sentence and its first word, called the data type, defines the remaining interpretation of the sentence. Each data type has its own specific interpretation and is defined in the NMEA standard. The $ GPGGA statement provides essential fix data. Other sentences may repeat some of the same information but also provide new data. A device or program that reads the data can focus on the data sentences that it is interested in, but simply ignores other sentences that are not of interest. In the NMEA standard, there is no command that indicates that the GPS should do something else. Instead, each receiver simply sends all the data and expects many to be ignored. Some receivers have instructions in the unit that can select a subset of all sentences to send, and in some cases individual sentences. There is no way to indicate to the unit whether the sentence has been read correctly or to request to resend some data that is not available. Instead, the receiving unit simply checks the checksum and ignores the data if it thinks the checksum is bad and the data will be transmitted again later.

推測航法fixは、機能APIと同様に、両方のASCII形式のNMEAストリングでGPS受信機104または302、および700によって報告される。推測航法fixは、6のfixインジケータ値によって$GPGGAストリング中にNMEA形式で示される。GPS fix値は、1である。推測航法fixは、機能APIにおける値によって報告される。推測航法は、デルタレンジを既知の観測期間で割ることによって速度推定値も提供する。これらのパラメータは両方とも、NMEA$GPRMCストリングおよびさらに機能APIにおいて目に見える。これらのフィールドは、有効なキャリブレーションが達成された後で、推測航法fixだけを報告する。   Dead reckoning fix is reported by GPS receiver 104 or 302, and 700 in both ASCII format NMEA strings as well as functional API. Dead reckoning fix is indicated in NMEA format in the $ GPGGA string by a fix indicator value of 6. The GPS fix value is 1. Dead reckoning fix is reported by value in the functional API. Dead reckoning also provides a speed estimate by dividing the delta range by a known observation period. Both of these parameters are visible in the NMEA $ GPRMC string and also the functional API. These fields report only dead reckoning fix after valid calibration is achieved.

キャリブレーション・ステータスは、ストリング中で見ることができる。推測航法デバッグ・メッセージは、推測航法キャリブレーションの進行およびステータスの詳細な監視に有用な標準的なNMEA形式で利用可能である。例えば、表VIを参照。それは、コア・ライブラリから標準的なNMEAの出力で出力されるが、そのメッセージは、求められ、次いで出力ポートまたはファイルに送られなければならない。

Figure 2013088208
The calibration status can be seen in the string. Dead reckoning debug messages are available in standard NMEA format useful for detailed monitoring of dead reckoning calibration progress and status. For example, see Table VI. It is output from the core library with standard NMEA output, but the message must be sought and then sent to an output port or file.
Figure 2013088208

任意の保存されたキャリブレーションに関連した終了時間はない。GPS/推測航法が命令で有効とされ、CANbusパケットが利用可能になると直ぐに、新しいキャリブレーションが開始する。最後のキャリブレーションのステータス・レベルは、キャリブレーションのエポックに影響されない。   There is no end time associated with any saved calibration. As soon as GPS / dead reckoning is enabled by command and a CANbus packet is available, a new calibration starts. The status level of the last calibration is not affected by the calibration epoch.

車両110に対する物理的パラメータを知ることは、最初のキャリブレーションがAPI722を通じてキャリブレーション・アルゴリズムに入ることを可能にする。AおよびBパラメータは、左右半径(R,R)、1回転当たりの回数(CPR)およびトラック幅(TW)に応じて初期化される。推測航法モード601は、最初のGPS fixが十分な速度でなされるまで可能にならず、その結果、良好な針路オフセットを確立することができる。 Knowing the physical parameters for the vehicle 110 allows the initial calibration to enter the calibration algorithm through the API 722. The A and B parameters are initialized in accordance with the left and right radii (R 1 , R r ), the number of rotations per revolution (CPR), and the track width (TW). Dead reckoning mode 601 is not possible until the first GPS fix is made at a sufficient speed, so that a good course offset can be established.

API722は、システム700を初期化し、キャリブレーションが利用可能になるときにそれを速めるための製造方法を提供し、API722および出力API746は、CANbusパケット処理726および730の機能システム検査を可能にする。   API 722 provides a manufacturing method for initializing system 700 and speeding it up as calibration becomes available, and API 722 and output API 746 allow functional system inspection of CANbus packet processing 726 and 730.

同一のアプリケーション・スレッドが各セッションの始めに使用されるので、CANbusデータのどのソースが使用されるかを示すデータは、一般に、GPSセッション毎にホストCPUアプリケーションによって提供される。多くの場合、これは、物理的パラメータを送ることを含む。メーカによって入力される物理的パラメータは、実行中のGPS受信機104または302による動作中に推定される如何なるものほど正確にはなり得ないと想定される。   Since the same application thread is used at the beginning of each session, data indicating which source of CANbus data is used is typically provided by the host CPU application for each GPS session. In many cases, this involves sending physical parameters. It is assumed that the physical parameters entered by the manufacturer cannot be as accurate as anything estimated during operation by the running GPS receiver 104 or 302.

正確なキャリブレーションは、物理的パラメータを非常に正確に知ることを必要とする。タイヤ空気圧の外見上の小さな影響でさえ、実際の車輪半径に著しく影響し、昼と夜との間で変化することがある。このような理由から、工場の物理的パラメータは、GPSのキャリブレーションしたデータの前の実行がクリアされたときにだけロードされるべきである。これは、前のGPSベースのキャリブレーションがAPIを通じて工場パラメータで上書きされないことを意味している。   Accurate calibration requires knowing the physical parameters very accurately. Even small apparent effects of tire pressure can significantly affect the actual wheel radius and vary between day and night. For this reason, factory physical parameters should only be loaded when a previous run of GPS calibrated data has been cleared. This means that the previous GPS-based calibration is not overwritten with factory parameters through the API.

殆どの製造のケースでは、メーカが高い信頼性の推測航法を提供するために十分な精度の実際の車輪半径を知らないことが予想される。例えば、タイヤの空気圧が一杯になっていないか、または、各車輪の圧力が等しくない場合がある。   In most manufacturing cases, it is expected that the manufacturer will not know the actual wheel radius with sufficient accuracy to provide reliable dead reckoning. For example, the tire pressure may not be full or the pressure on each wheel may not be equal.

ユーザが迅速に利用可能となることを望み、高精度のキャリブレーションを提供することができれば、GPSが利用可能になり、車両110を移動させると直ぐに、推測航法が利用可能になることができるが、メーカが合理的に正確な(数%以内での)キャリブレーションを純粋に提供することができれば、完全なGPSベースのキャリブレーションがそれ自体をインストールする前は、精度の不利益は小さい。これは、エアバッグ展開アプリケーションに対するケースであり、ここでは、推測航法の利用可能性は、当初は十分な精度よりも重要である。   If the user wants to be able to use it quickly and can provide high-precision calibration, GPS will be available, and dead reckoning can be used as soon as the vehicle 110 is moved. If the manufacturer can purely provide a reasonably accurate calibration (within a few percent), the accuracy penalty is small before a full GPS-based calibration installs itself. This is the case for airbag deployment applications, where the availability of dead reckoning is initially more important than sufficient accuracy.

低精度の工場モードでは、物理的パラメータは、キャリブレーションの初期条件として使用され、正確なものとして内部に分類されるが、外部から観測可能なキャリブレーションの信頼性は、0にセットされる。GPSベースのキャリブレーションが初期パラメータを改善させ、通常のキャリブレーション処理を完了することができた後で、推測航法が利用可能になる。このモードは、キャリブレーションをスピードアップさせ、GPSのキャリブレーションが完了するまで推測航法を許可しないようにするときに選択される。有効な推測航法キャリブレーションまでの時間は、開始値が提供されない場合よりも速い。   In the low-accuracy factory mode, the physical parameters are used as calibration initial conditions and classified as accurate inside, but the calibration reliability observable from the outside is set to zero. Dead reckoning is available after GPS-based calibration improves the initial parameters and completes the normal calibration process. This mode is selected to speed up calibration and not allow dead reckoning until GPS calibration is complete. The time to effective dead reckoning calibration is faster than if no starting value was provided.

実験室検査モードは、ソフトウェアおよびシステムの機能検証を提供し、実験室検査に使用される。検査が他の工場モードにおける問題を回避すべく完了する前後に、前の実行ファイルが削除される。推測航法は、如何なる付加的なキャリブレーションなしに直ちに利用可能である。開始針路は、常に0からスタートし、開始位置を必要とする。その位置は、物理的パラメータ命令を送った後、または、GPS fixを得ることによって、位置入力APIを介してインストールされることができる。   Laboratory testing mode provides functional verification of software and systems and is used for laboratory testing. Before and after the inspection is completed to avoid problems in other factory modes, the previous executable is deleted. Dead reckoning is immediately available without any additional calibration. The starting course always starts from 0 and requires a starting position. The location can be installed via a location input API after sending physical parameter instructions or by obtaining a GPS fix.

検査車両のキャリブレーションは、同様の車両のファミリーに転送することができ、ここでは、即時の推測航法が初期精度を有するよりも高い優先順位である。推測航法が直ちに必要であり、工場内で各車両を個々にキャリブレーションすることが可能でない場合には、単一の車両は車両のファミリーの代表として選択される。それは、工場のデフォルト・モード用に構成される。初期キャリブレーションは必要ではなく、テスト・ドライバは、GPSベースのキャリブレーションを蓄積するためにキャリブレーション・スイートを実行することができる。表VIのようなPERDCR,11 NMEAメッセージは、ストレージ・コンピュータ上で実行されるキャリブレーション中に可能になり、記録される。NMEAファイルは、ストレージ・コンピュータから取り出され、AおよびBキャリブレーション・パラメータは、最終のPERDCR,11ストリングから抽出される。物理的パラメータは、キャリブレーション・パラメータから推定される。物理的パラメータは、設置中に工場でロードされ、工場高精度キャリブレーション機能が選択される。ホストCPUアプリケーションは、ファイルから物理的パラメータを読むように構成されるか、または、それらは、ホストCPUアプリケーションにハード・コード化される。その後、車両のファミリーは、最初のGPS fixが十分な速度(例えば、時速25km以上)で得られると直ぐに、迅速な推測航法を観測することができる。   Inspection vehicle calibration can be transferred to a family of similar vehicles, where immediate dead reckoning is a higher priority than having initial accuracy. If dead reckoning is needed immediately and it is not possible to calibrate each vehicle individually in the factory, a single vehicle is selected as the representative of the family of vehicles. It is configured for factory default mode. Initial calibration is not required and the test driver can run a calibration suite to accumulate GPS-based calibrations. PERDCR, 11 NMEA messages such as Table VI are enabled and recorded during calibration performed on the storage computer. The NMEA file is retrieved from the storage computer and the A and B calibration parameters are extracted from the final PERDCR, 11 string. The physical parameters are estimated from the calibration parameters. The physical parameters are loaded at the factory during installation and the factory high-precision calibration function is selected. The host CPU application is configured to read physical parameters from a file, or they are hard coded into the host CPU application. The vehicle family can then observe rapid dead reckoning as soon as the initial GPS fix is obtained at a sufficient speed (eg, 25 km / h or more).

単純な数学が、キャリブレーション・パラメータから物理的パラメータを推定するために使用される。推定キャリブレーション・パラメータは、専用のNMEAストリングPERDCR,11から容易に取り出される。PERDCR,11において観測されるキャリブレーション・パラメータは、次のような単位および大きさを有している。
AL = Rl / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
AR = Rr / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
BL = Rl / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick);
BR = Rr / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick)
PERDCR,11からの推定キャリブレーション・パラメータは、次の式によって定義される。
AL' = estimate of true AL
AR' = estimate of true AR
BL' = estimate of true BL
BR' = estimate of true BR
トラック幅の物理的パラメータ(TW)は、次式によって推定される。
TWl' = BL' / AL' * (360 * 60) / (PI * 1000) (meters);
TWr' = BR' / AR' * (360 * 60) / (PI * 1000) (meters)
Simple mathematics is used to estimate physical parameters from calibration parameters. The estimated calibration parameters are easily retrieved from the dedicated NMEA string PERDCR, 11. The calibration parameters observed in PERDCR, 11 have the following units and sizes.
A L = R l / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
A R = R r / CPR / TW * 360 * 60 (minutes / tick);
B L = R l / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick);
B R = R r / CPR * PI * 1000 (millimeters / tick)
The estimated calibration parameter from PERDCR, 11 is defined by:
A L '= estimate of true A L ;
A R '= estimate of true A R ;
B L '= estimate of true B L
B R '= estimate of true B R
The physical parameter (TW) of the track width is estimated by the following equation.
TWl '= B L ' / A L '* (360 * 60) / (PI * 1000) (meters);
TWr '= B R ' / A R '* (360 * 60) / (PI * 1000) (meters)

キャリブレーション・アルゴリズムは、両方の車輪用のB/Aの比が同一になることを保証する。左または右の車輪のパラメータのいずれかを使用することができる。別の手法は、これら2つの推定値を平均化することであり、その結果、次式のようになる。
TW' estimate = (TWl' + TWr') / 2
不運にも、車輪半径(R,R)は、1回転当たりの回数(CPR)から分けることができない。これらのパラメータは、上記の数式におけるように常に結合される。車両メーカはそれぞれ、1セットの物理的パラメータにおけるCPRを供給する。この場合、車輪半径は、次のように推定される。
Rl = BL' * CPR / PI / 1000;
Rr = BL' * CPR / PI / 1000
The calibration algorithm ensures that the B / A ratio for both wheels is the same. Either left or right wheel parameters can be used. Another approach is to average these two estimates, resulting in:
TW 'estimate = (TWl' + TWr ') / 2
Unfortunately, the wheel radii (R l , R r ) cannot be separated from the number of revolutions per revolution (CPR). These parameters are always combined as in the above formula. Each vehicle manufacturer supplies CPR in a set of physical parameters. In this case, the wheel radius is estimated as follows.
R l = B L '* CPR / PI / 1000;
R r = B L '* CPR / PI / 1000

本発明のリアルタイム・キャリブレーション方法の実施形態は、3つのステップを有している:(1)デルタレンジをGPS速度と比較し、BおよびBパラメータを推定する;(2)Bパラメータを与えて、デルタ針路をGPS針路の変化と比較し、AおよびAパラメータを推定する;および(3)AおよびBパラメータを与えて、GPS針路が針路オフセットを推定するために絶対参照として使用される。 Embodiments of the real-time calibration method of the present invention have three steps: (1) compare the delta range with GPS speed and estimate B L and BR parameters; (2) B parameters given compares delta heading and changes in the GPS course, estimates the a L and a R parameters; and (3) gives a and B parameters, used as an absolute reference for the GPS course can estimate the course offset Is done.

推測航法fixを演算することができようになる前に、次のものがなければならない:(a)パラメータAおよびBの有効なキャリブレーション、針路オフセット、(b)有効な位置、および(3)同期されたタイムスタンプを押したCANbusデータ・パケットの入力。   Before the dead reckoning fix can be computed, there must be: (a) a valid calibration of parameters A and B, course offset, (b) a valid position, and (3) Input of CANbus data packet with synchronized time stamp.

GPS受信機104または302は、推測航法単独モード601を操作するために、GPS時間の推定値を必要としない。これは、たとえGPS受信機104または302が時間情報を提供していなくても「駐車場モード」が進行することを可能にする。図7において前の実行データ750で表わされるような有効なキャリブレーションは、不揮発性メモリデータまたはAPIを通じた入力のいずれかから提供されることができる。   The GPS receiver 104 or 302 does not require an estimate of GPS time in order to operate the dead reckoning single mode 601. This allows the “parking mode” to proceed even if the GPS receiver 104 or 302 is not providing time information. A valid calibration as represented by previous run data 750 in FIG. 7 can be provided either from non-volatile memory data or input through an API.

推測航法キャリブレーションは、例えば、任意のCANbusパケットが受信されると直ぐに、API命令からの初期化なしで自動的に開始する。使用可能なキャリブレーションに対する時間は、GPSデータの利用可能性、および大きい針路変化を含んだ直進および旋回の完成に依存する。キャリブレーションされる時間は、より高い速度によって減じられる。なぜならば、より多くの刻みが観測されることができ、量子化効果が比例して弱められるからである。   Dead reckoning calibration starts automatically, for example, as soon as any CANbus packet is received, without initialization from the API command. The time for available calibration depends on the availability of GPS data and the completion of straight ahead and turns including large course changes. The time to be calibrated is reduced by the higher speed. This is because more steps can be observed and the quantization effect is proportionally weakened.

Bパラメータ、車輪半径、および比のキャリブレーションは、GPS受信機104または302の直線走行のセグメントまたは直線走行のいずれかを必要とし、ここでは、8の字走行または直線走行のように針路変化が取り消される。最低要件は、そのようなセグメントを少なくとも5つ実行することである。その後、Aキャリブレーションは、トラック幅を演算し、次に旋回の実行に進む。直角旋回は、最低5個の円よりも優れている。次に、針路オフセットは、パラメータAおよびパラメータBが得られた後でキャリブレーションされることができる。   Calibration of the B parameter, wheel radius, and ratio requires either a straight segment or a straight run of the GPS receiver 104 or 302, where the course changes, such as figure 8 or straight run. Canceled. The minimum requirement is to run at least 5 such segments. Thereafter, the A calibration calculates the track width, and then proceeds to execute the turn. Right angle turning is better than at least 5 circles. The course offset can then be calibrated after parameter A and parameter B are obtained.

従って、キャリブレーションを収集して生じさせるための最低要件は、針路オフセットを得るために、大きな加速なしで少なくとも70メートルの直線セグメント、少なくとも5回の直角旋回、および5秒間で少なくとも毎秒3mの短い直線セグメントである。そのような例は、34dBHzの望ましくない信号レベルを有する。   Thus, the minimum requirement to collect and generate calibrations is to obtain at least 70 meters straight segments without significant acceleration, at least 5 right angle turns, and at least 3 meters per second for 5 seconds to obtain a course offset. It is a straight line segment. Such an example has an undesirable signal level of 34 dBHz.

車輪回転刻みセンサ120,122,124,および126(図1)は、一般にホール型の装置であり、それは、車輪が回転して磁気バンプが検出器を通過するときにデジタルのクロック刻みのような電気的な刻みを生じさせる。車輪の1回転に対して生じる刻みの回数は、プジョー車の48刻みからメルセデス車の98刻みの範囲である。   Wheel rotation step sensors 120, 122, 124, and 126 (FIG. 1) are generally Hall-type devices, such as a digital clock step as the wheel rotates and the magnetic bumps pass through the detector. Create electrical nicks. The number of ticks generated for one revolution of the wheel ranges from 48 ticks for Peugeot cars to 98 ticks for Mercedes cars.

センサによって生じる車輪回転刻みのの元のストリングは、連続的であるが、CANbus130は、必然的に、多重化のために車輪刻みを1〜10ミリ秒毎のデータ・パケットに一纏めにしなければならない。二次処理は、これらのより短いパケットを、それぞれ100ミリ秒(例えば、10Hzの速度)に亘るより長いパケットにグループ化する。これらの10HzのCAN車輪回転刻みパケットは、安全な生命安全性ネットワークと外部アプリケーション・ネットワークとの間の保護ゲートウェイを通じて外部アプリケーションによってアクセス可能である。   The original string of wheel rotation ticks produced by the sensor is continuous, but CANbus 130 must inevitably bundle the wheel ticks into 1-10 millisecond data packets for multiplexing. . Secondary processing groups these shorter packets into longer packets that each span 100 milliseconds (eg, 10 Hz rate). These 10 Hz CAN wheel rotation step packets are accessible by external applications through a protective gateway between the secure life safety network and the external application network.

CANbus130は、車輪回転刻みのサンプリング範囲を生成するために使用されるシステム・クロックを持つプロセッサ(CPU)を有している。そのようなCPUクロックは、一般に同期用に外部では利用可能でなく、従って、10Hzのパケット生成と任意のGPS受信機のクロックとの間の時間領域を非同期に扱わなければならない。   The CANbus 130 has a processor (CPU) with a system clock that is used to generate a sampling range of wheel rotation ticks. Such CPU clocks are generally not available externally for synchronization, so the time domain between 10 Hz packet generation and any GPS receiver clock must be handled asynchronously.

CANbusおよびGPS受信機のクロックを同期することができる実施形態では、キャリア・ドップラー、コード位相、および他のGPSの観測を、同一の時間範囲に亘って取ることができる。それは、マスタからスレーブに1パルス/秒(1−PPS)パルスで同期するには良い方法となる。別の実施形態は、2つのクロック領域間の相対的な時間または周波数差を観測するために、同一のクロック、または時間差もしくは周波数差の回路を使用する。eRide社(カリフォルニア州サンフランシスコ)のOPUS(商標)のベースバンド・チップは、そのような能力を有しているが、その使用は、システム・インテグレーションを劇的に複雑にする。   In embodiments where the CANbus and GPS receiver clocks can be synchronized, carrier Doppler, code phase, and other GPS observations can be taken over the same time range. It is a good way to synchronize from master to slave with 1 pulse / second (1-PPS) pulse. Another embodiment uses the same clock or time difference or frequency difference circuit to observe the relative time or frequency difference between the two clock domains. Although the OPUS ™ baseband chip from eRide (San Francisco, Calif.) has such capabilities, its use dramatically complicates system integration.

CANbusデータの同期は、CANbus130およびGPS受信機104または302などのネットワーク上のパケット・メッセージの送信に固有の遅れによってさらに複雑になる。典型的には、第3のCPUは、CANbus130に物理的に接続され、CANプロトコルから専用プロトコルに変換する。なぜならば、すべてのメーカが、異なるCANメッセージ・プロトコルおよび車輪回転刻み形式を使用するからである。そのようなCPUは、GPS受信機のCAN入力に対する共通形式に変換する。遅れの発生は次の3通りである:(1)CANbus130の遅れからの発生、(2)CAN形式変換器の遅れからの発生、および(3)GPS受信機104または302に含まれた受信バッファ中の発生。これらの遅れの組合せは、「CANbusジッタ」と呼ばれ、不変部分および可変部分がある。   Synchronization of CANbus data is further complicated by the delay inherent in the transmission of packet messages over a network such as CANbus 130 and GPS receiver 104 or 302. Typically, the third CPU is physically connected to the CANbus 130 and converts from the CAN protocol to a dedicated protocol. This is because all manufacturers use different CAN message protocols and wheel rotation ticks. Such a CPU converts to a common format for the CAN input of the GPS receiver. There are three types of delays: (1) generated from the delay of the CANbus 130, (2) generated from the delay of the CAN format converter, and (3) the reception buffer included in the GPS receiver 104 or 302. Outbreak. The combination of these delays is called “CANbus jitter” and has an invariant part and a variable part.

CANbusジッタの組合せと、CANbusクロックとGPSのクロックと間の任意の時間のドリフトは、CANおよびGPSデータの同期および処理におけるノイズ要素を生じさせる。   The combination of CANbus jitter and any time drift between the CANbus clock and the GPS clock creates a noise factor in the synchronization and processing of CAN and GPS data.

同期は、CANbusパケットが万能非同期送受信機(UART)のシリアル割り込みドライバを通じてGPS受信機のバッファに到達したときに、各CANbusパケットにタイムスタンプを押すことによって得られる。   Synchronization is obtained by stamping each CANbus packet as it arrives at the GPS receiver buffer through a universal asynchronous transceiver (UART) serial interrupt driver.

ホストCPUプログラムとして実行されるGPS受信機ソフトウェアは、CANbusデータをキャリブレーションおよび推測航法伝搬の両方に使用するために、どのパケットがGPS時間範囲に時間的に最も近いかを選択しなければならない。典型的な、範囲は1秒である。各々のGPSの1秒間の時間範囲内での時間タグを持ったパケットは、通常は10個ある。   The GPS receiver software running as the host CPU program must select which packet is closest in time to the GPS time range in order to use the CANbus data for both calibration and dead reckoning propagation. A typical range is 1 second. There are typically 10 packets with time tags within each GPS one second time range.

自動車の実験では、時間タグは急速にシフトし、たった数分で、実際には11個のパケットとなってCANbusクロックが高速に動作したことを示すか、または、9個のパケットとなってCANbusクロックが低速に動作したことを示す。さらに、CANbusジッタは、典型的には1秒間の収集動作で、9個または11個のパケットの変動を担うと見られる。   In car experiments, the time tag shifted rapidly and in just a few minutes, it actually became 11 packets, indicating that the CANbus clock was running fast, or 9 packets and CANbus. Indicates that the clock has run slowly. Furthermore, CANbus jitter is seen to be responsible for 9 or 11 packet variations, typically with a 1 second acquisition operation.

そのような問題は、単純な解を持つ。まず、ノイズの多いパケットの開始時刻とGPSレンジ時間との間のオフセットは、殆どのジッタを除去するようにフィルタリングされる。平均差は、維持される。それは、ドリフト成分で偏らされ、従って、フィルタは、変化を追跡するように構成される。ジッタを持った元の時間タグは、GPS時間領域における開始および終了の両方の間隔を含んだパケットを選択するために使用される。次に、平均差は、GPS fix時刻を有したパケットの部分を定義するために使用される。GPS間隔内のパケットの貢献は、パケットの全個数から補間される。   Such a problem has a simple solution. First, the offset between the start time of a noisy packet and the GPS range time is filtered to remove most jitter. The average difference is maintained. It is biased with a drift component, so the filter is configured to track changes. The original time tag with jitter is used to select packets that include both start and end intervals in the GPS time domain. The average difference is then used to define the portion of the packet that has a GPS fix time. The contribution of packets within the GPS interval is interpolated from the total number of packets.

例えば、GPS開始時刻を有したパケット中で、GPS開始時刻および予定パケット時刻よりも早い部分は、平均差を引くことによって、GPS時間よりも後に生じた部分を残して補間される。同様に、GPS終了時刻の後に生じたデータを有しているパケットについては、補間は、使用された部分を想定し、平均差を使用してGPS終了時刻から予定パケット開始時刻迄である、GPS時間の後の任意の期間を除去する。これらの2つの境界パケット間の他のパケットは、それらの全体で使用される。   For example, in a packet having a GPS start time, a portion earlier than the GPS start time and the scheduled packet time is interpolated, leaving a portion generated after the GPS time by subtracting the average difference. Similarly, for packets that have data that occurred after the GPS end time, interpolation assumes the used portion and uses the average difference from the GPS end time to the scheduled packet start time. Remove any period after time. Other packets between these two boundary packets are used in their entirety.

そのような技術は、左右の車輪のセンサ124および126の両方からの刻みに使用され、その結果、補間された車輪回転刻み回数は、対応するGPS時間間隔と最も良く一致するように調整される。   Such techniques are used for ticks from both the left and right wheel sensors 124 and 126 so that the interpolated wheel rotation ticks are adjusted to best match the corresponding GPS time interval. .

GPS開始時間および終了時間は、デルタレンジおよびデルタ針路の数式毎に異なる。デルタレンジ測定では、1秒以上のGPS速度が全車輪回転刻みと同一間隔で比較される。GPSキャリア・トラッキング波長が0.1904mであるので、GPS速度の1秒積分が使用され、これは、GPSベースの速度判定に共通の従来の位相固定ルック方法を使用して数度内で判断される。一方、GPS符号位相は、293mの1つのチップに相当する波長を有している。従って、符号位相からの1秒間のデルタレンジは、短時間のキャリブレーションにはノイズが多すぎる。   The GPS start time and end time are different for each formula of delta range and delta course. In the delta range measurement, a GPS speed of 1 second or more is compared at the same interval with all wheel rotation increments. Since the GPS carrier tracking wavelength is 0.1904m, a 1 second integral of GPS speed is used, which is determined within a few degrees using a conventional phase-locked look method common to GPS-based speed determination. The On the other hand, the GPS code phase has a wavelength corresponding to one chip of 293 m. Therefore, the 1 second delta range from the code phase is too noisy for a short time calibration.

GPS導出位置解を持った長時間のキャリブレーションは可能であるが、それらは甚大な処理およびメモリを必要とする。   Long time calibrations with GPS derived position solutions are possible, but they require extensive processing and memory.

好ましい実施形態は、主なキャリブレーション・ソースとしてGPS速度解からの東速度および北方速度を使用する。GPSからのデルタレンジは、東方速度の2乗と北方速度の2乗との合計の平方根として定義される。針路は、北方速度で除算した東方速度の逆タンジェント(アークタンジェント)の四象限結果として定義される。東方および北方速度は、正負の符号および大きさの両方を含んでいる。   The preferred embodiment uses east and north speeds from the GPS speed solution as the main calibration source. The delta range from GPS is defined as the square root of the sum of the east speed squared and the north speed squared. The course is defined as the quadrant result of the inverse tangent (arc tangent) of the eastern speed divided by the northward speed. The east and north velocities include both positive and negative signs and magnitudes.

GPSの東方および北方速度それ自体は、GPSドップラー測定値から推定される。ドップラー測定値は、測定間隔で除算したキャリア・ドップラー周波数の平均である。測定に対する適用可能な時間は、上記範囲の中心である。   The GPS east and north velocities themselves are estimated from GPS Doppler measurements. The Doppler measurement is the average of the carrier Doppler frequency divided by the measurement interval. The applicable time for the measurement is the center of the above range.

デルタレンジのキャリブレーションでは、車輪回転刻みは、GPS測定の開始および終了時刻に近似したを開始および終了時刻によって選択される。   In delta range calibration, wheel rotation increments are selected by start and end times that approximate the start and end times of GPS measurements.

速度fixは、時間追跡状態機械(TSM)の測定値によって定義される1秒間の範囲の中心になされる。GPS fixの針路は、TSM範囲の中心に適用される。タイミングは、GPSからDRへの移行が時間タグのジャンプを生じさせないものとする。   The speed fix is centered on a one second range defined by a time tracking state machine (TSM) measurement. The GPS fix course is applied to the center of the TSM range. Timing is assumed that the transition from GPS to DR does not cause time tag jumps.

左への刻み(TL)および右への刻み(TR)が、1秒間の車輪刻みとして定義される。針路では、TLおよびTRは、前の範囲の中心から新しい範囲の中心までの時間範囲を有している。   Left increment (TL) and right increment (TR) are defined as 1 second wheel increments. In the course, TL and TR have a time range from the center of the previous range to the center of the new range.

その係数は、次のようなものである。
AL = RadiusLeft / CPR * TRACKWIDTH * degree * 60 (minutes / tick);
BR = RadiusLeft / CPR * 1000 (millimeters / tick)
The coefficients are as follows.
A L = RadiusLeft / CPR * TRACKWIDTH * degree * 60 (minutes / tick);
B R = RadiusLeft / CPR * 1000 (millimeters / tick)

1秒間のデルタ針路は、次のようなものである。
δh = AL * TL - AR * TR
そして、
AL = A + dA
AR = A - dA
δh = (A + dA) TL - (A - dA) TR
= A * [TL - TR] + dA * [TL + TR]
DH=0のとき、GPS測定値から判断されるように、円弧は、暫くの間、閉じているか、または、直線走行している。
The one second delta course is as follows.
δh = A L * TL-A R * TR
And
A L = A + dA
A R = A-dA
δh = (A + dA) TL-(A-dA) TR
= A * [TL-TR] + dA * [TL + TR]
When DH = 0, the arc is closed for a while or is running straight, as judged from GPS measurements.

次に、
AL * TL = AR * TR
AL / AR = TR / TL
α = AL / AR = (A + dA) / (A - dA)
(1 - α) / (1 + α)を作り、次のように解くと、
(1 - α) / (1 + α) = -dA / A
従って、dA = -A (1 - α) / (1 + α)
next,
A L * TL = A R * TR
A L / A R = TR / TL
α = A L / A R = (A + dA) / (A-dA)
Make (1-α) / (1 + α) and solve as
(1-α) / (1 + α) = -dA / A
Therefore, dA = -A (1-α) / (1 + α)

デルタレンジでは、車輪刻みは、TSM範囲と同一時間枠に亘る生データの刻みであると定義する。
δh = A * [TL - TR] - (1 - α) / (1 + α) * [TL + TR]
= A * [ (TL - TR) - (1 - α) / (1 + α) * (TL + TR)]
In the delta range, the wheel increment is defined as the increment of raw data over the same time frame as the TSM range.
δh = A * [TL-TR]-(1-α) / (1 + α) * [TL + TR]
= A * [(TL-TR)-(1-α) / (1 + α) * (TL + TR)]

1秒間のデルタレンジは、次のようなものである。
dr = BL * TR + BR * TR
そして、
BL = B + dB
BR = B - dB
結果として、
dR = (B + dB) * TL + (B - dB) * TR
= B * (TL + TR) + dB * (TL - TR)
The 1 second delta range is as follows.
dr = B L * TR + B R * TR
And
B L = B + dB
B R = B-dB
as a result,
dR = (B + dB) * TL + (B-dB) * TR
= B * (TL + TR) + dB * (TL-TR)

物理的パラメータにおけるBおよびBの定義によって、
BL / BR = AL / AR
従って、
dB = -B (1 - α) / (1 + α)
dr = B * (TL + TR) - B (1 - α) / (1 + α) * (TL - TR)
dr = B * [(TL + TR) - (1 - α) / (1 + α) * (TL - TR)]
前のfix時刻から1秒ずつ位置を伝搬させる推測航法fixを演算するために、
deltaN = dr * cos heading (delta-north);
deltaE=dr*sin heading (delta-east);
heading h(ti) = h0 + Σdhn (n=0,i)
である。
By the definition of B L and B R in the physical parameter,
B L / B R = A L / A R
Therefore,
dB = -B (1-α) / (1 + α)
dr = B * (TL + TR)-B (1-α) / (1 + α) * (TL-TR)
dr = B * [(TL + TR)-(1-α) / (1 + α) * (TL-TR)]
To calculate dead reckoning fix that propagates the position by 1 second from the previous fix time,
deltaN = dr * cos heading (delta-north);
deltaE = dr * sin heading (delta-east);
heading h (t i ) = h0 + Σdh n (n = 0, i)
It is.

,A,B,およびBの公証キャリブレーションを推定することを想定して、
1) αを推定するために、+Σdhn (n=0,i) GPSが0である軌道の区画を見つける。この場合、右から左への刻みの比は、次のように定義される。
a. α = TR / TL
2) Bを推定するために、GPSからdrの推定値、およびGPSレンジ変化観測範囲としての同一観測範囲から同一の車輪刻みを得る。
B = dr / [ (TL + TR) - (1 - α) / (1 + α) * (TL - TR) ]
3) Aを推定するために、GPSからdhの推定値を得て、GPS針路変化観測範囲としての同一観測範囲からCAN刻みを得る。
A = δh / [ (TL - TR) - (1 - α) / (1 + α) * (TL + TR) ]
4) h0を推定するために、GPS針路が信頼できる場合、合計(dh)およびGPS針路の差を維持する。
A L, A R, B L , and assuming that the estimated notarized calibration B R,
1) To estimate α, find the segment of the orbit where + Σdh n (n = 0, i) GPS is zero. In this case, the ratio of steps from right to left is defined as follows.
a. α = TR / TL
2) In order to estimate B, the same wheel increment is obtained from the estimated value of dr from GPS and the same observation range as the GPS range change observation range.
B = dr / [(TL + TR)-(1-α) / (1 + α) * (TL-TR)]
3) In order to estimate A, an estimated value of dh is obtained from GPS, and the CAN increment is obtained from the same observation range as the GPS course change observation range.
A = δh / [(TL-TR)-(1-α) / (1 + α) * (TL + TR)]
4) To estimate h0, if the GPS course is reliable, maintain the difference between the sum (dh) and the GPS course.

DRは、短時間では安定し、長時間では不安定である
GPSは、短時間では不安定であり、長時間では安定である
キャリブレーションは、ポイント観測を使用して得られる。これらの観測は、0の中間値である速度情報からそれぞれ導き出されるが、積分は、静止していない。静止している最終キャリブレーションを得るために、GPS位置からの情報が必要である。
The DR, which is stable for a short time and unstable for a long time, is unstable for a short time, and stable for a long time, is obtained using point observation. These observations are each derived from velocity information that is an intermediate value of 0, but the integration is not stationary. In order to obtain a final calibration that is stationary, information from the GPS location is required.

GPSからのdEおよびdNの長時間の観測では、
DEgps = ΣdEgps
DNgps = ΣdNgps
短時間のキャリブレーションをされたDRから形成された同様の推定値では、
DEdr = ΣdEdr
DNdr = ΣdNdr
である。短時間のキャリブレーションをされたDRから形成された同様の推定値では、3ポイントの合計が例えば使用される。
DEdr = ΣdEdr
= dr1 * sin (h0 + dh1) + dr2 * sin (h0 + dh2 + dh2) + dr3 * sin (do + dh1 + dh2 + dh3);
DNdr = ΣdNdr
= dr1 * cos (h0 + dh1) + dr2 * cos (h0 + dh2 + dh2) + dr3 * cos (do + dh1 + dh2 + dh3)
AおよびBの推定値は、十分に正確であると想定され、その結果、一次テーラー級数を使用することができる。
For long time observation of dE and dN from GPS,
DE gps = ΣdE gps
DN gps = ΣdN gps
With a similar estimate formed from a short-calibrated DR,
DE dr = ΣdE dr
DN dr = ΣdN dr
It is. In a similar estimate formed from a short time calibrated DR, a total of 3 points is used, for example.
DE dr = ΣdE dr
= dr1 * sin (h0 + dh1) + dr2 * sin (h0 + dh2 + dh2) + dr3 * sin (do + dh1 + dh2 + dh3);
DN dr = ΣdN dr
= dr1 * cos (h0 + dh1) + dr2 * cos (h0 + dh2 + dh2) + dr3 * cos (do + dh1 + dh2 + dh3)
The estimates of A and B are assumed to be sufficiently accurate so that a first order Taylor series can be used.

本発明の実施形態は、図8においてカーブ800で表わされる速度効果現象に対する回転刻みを補償する。低速カットオフよりも下の低速セグメント801は、本質的に平坦な線である。低速カットオフと高速カットオフとの間の中間速度セグメント802は、多項式、1 + c1st(s-SL) + c2nd(s-SL)2に従う。高速セグメント303は、係数の規模限界を超えている。 Embodiments of the present invention compensate for the rotational step for the speed effect phenomenon represented by curve 800 in FIG. The low speed segment 801 below the low speed cut-off is an essentially flat line. The intermediate speed segment 802 between the low speed cutoff and the high speed cutoff follows a polynomial, 1 + c 1st (sS L ) + c 2nd (sS L ) 2 . The high speed segment 303 exceeds the scale limit of the coefficient.

速度に関連する効果は、車輪半径の変化のために、速度に対する回転における左右の車輪刻みの回数差の変化をもたらす。換言すれば、異なる速度で得られた同一の回転は、左右の車輪の刻み回数の回数差における相違を生じさせる。その原因は、車輪ワーピングおよび車両サスペンション反応である。   Speed related effects result in a change in the difference in the number of left and right wheel ticks in rotation with respect to speed due to changes in wheel radius. In other words, the same rotation obtained at different speeds causes a difference in the number of ticks between the left and right wheels. The cause is wheel warping and vehicle suspension reaction.

より高い速度では、車輪刻みの差として見られる、より大きな量の旋回エネルギが、より低い速度と比較して生じる。勿論、より高い速度で1秒当たりの刻みは多くなり、従って、車輪は、回転刻みから演算される明白な角速度は、速度に対して補償されなければならない。   At higher speeds, a greater amount of turning energy, seen as wheel increment differences, occurs compared to lower speeds. Of course, the higher the speed, the more ticks per second, so the wheel must compensate for the apparent angular speed calculated from the rotational ticks.

個々の基本デルタ針路更新に入る回転刻み(turn ticks)は、適切に補償(compensate)されなければならず、ここでは、
delta Heading = A * turn ticks
である。回転刻みは、直進するときの車輪半径の差に基づいてルーチン的に補償される。
Delta heading = Aleft * WheelTicksLeft - Aright * WheelTicksRight
= A * (WheelTicksLeft - WheelTicksRight) - alpha * (WheelTicksLeft + WheelTicksRight)
= A * compensated turn ticks
= A * compTT
である。補償されない回転刻みは、
turnTicks = left wheel ticks - right wheel ticks
である。車輪半径に対する、セグメント801に関する低速補正(1)は、
compensated turn ticks(1)compTT(1) = turn ticks - alpha * sum ticks;
alpha = 1-ratio / 1+ratio
であり、ここで、「比(ratio)」は、旋回しないときの左車輪刻みで除算された右車輪刻みのフィルタリングされた値である。
The turn ticks that enter the individual basic delta course updates must be properly compensated, where:
delta Heading = A * turn ticks
It is. The rotational increment is routinely compensated based on the difference in wheel radius when going straight.
Delta heading = Aleft * WheelTicksLeft-Aright * WheelTicksRight
= A * (WheelTicksLeft-WheelTicksRight)-alpha * (WheelTicksLeft + WheelTicksRight)
= A * compensated turn ticks
= A * compTT
It is. Rotation not compensated for
turnTicks = left wheel ticks-right wheel ticks
It is. The low speed correction (1) for segment 801 relative to the wheel radius is
compensated turn ticks (1) compTT (1) = turn ticks-alpha * sum ticks;
alpha = 1-ratio / 1 + ratio
Where “ratio” is the filtered value of the right wheel increment divided by the left wheel increment when not turning.

速度効果CompTT(2)に対するセグメント802の補正は、次の多項式によってcompTT(1)を計る。
1 + c1st (s - SL) + c2nd (s - SL)2
これは、合計刻みの関数であり、
ここでは、
s = 合計刻み(sum ticks)
SL = 基準点
低速カットオフ以下、多項式=1
高速カットオフ以上、多項式=coeffScale限界である。
The correction of the segment 802 to the speed effect CompTT (2) measures compTT (1) by the following polynomial.
1 + c 1st (s-S L ) + c 2nd (s-S L ) 2
This is a function of total increments,
here,
s = sum ticks
S L = Below reference point low-speed cutoff, polynomial = 1
Above the fast cutoff, polynomial = coeffScale limit.

デルタ針路キャリブレーションでは、図9に表わされるように、2つの連続したGPS針路観測の差が使用される。個々の針路の時間タグは、GPS測定範囲の中心である。従って、2つのGPS針路の差は、2つのGPS針路の2つの時間タグ間の適用可能性のある時刻を有している。このような理由から、デルタ針路に使用される車輪回転刻みは、デルタレンジ用のものとは異なる時間範囲にあり、デルタレンジが、各針路をそれぞれ形成するのに使用した、より早い速度か、または、より遅い速度であるかに依存して、デルタレンジ範囲から0.5秒進んでいるか、または、0.5秒遅れているかのいずれかであることができる。   In delta course calibration, the difference between two consecutive GPS course observations is used, as represented in FIG. The individual head time tag is the center of the GPS measurement range. Thus, the difference between the two GPS courses has an applicable time between the two time tags of the two GPS courses. For this reason, the wheel rotation increment used for the delta course is in a different time range than that for the delta range, and the delta range is the higher speed used to form each course individually, Or, depending on whether it is at a slower speed, it can either be 0.5 seconds ahead of the delta range range or it can be 0.5 seconds behind.

実際には、より早い(またはより遅い)speed1がデルタレンジに使用される。なぜならば、speed2の間隔を延ばすのに必要なすべてのCANbusパケットの受信に遅れが出ることがあるからであり、speed2がCAN通信線(例えば、GPSシリアル・ポートへの変換器へのCAN)上のより多くの迅速なデータを必要とするからである。   In practice, the earlier (or slower) speed1 is used for the delta range. This is because there may be a delay in receiving all CANbus packets required to extend the speed2 interval, and speed2 is on the CAN communication line (eg, CAN to converter to GPS serial port). Because it requires more rapid data.

一般には、左右の車輪回転刻み用の基本式は、各車輪を単純化したスケール因子を使用する。
DH = delta-heading = Aleft * ticks left for DH - Aright * ticks right for DH;
DR = delta-range = Bleft * ticks left for DR + Bleft * ticks right for DR
さらに、
DR heading = initial heading from GPS + sum DH;
であるとき、
Delta East = DR sin (DR heading);
Delta North = DR cos (DR heading)
である。
In general, the basic formula for rotating the left and right wheels uses a scale factor that simplifies each wheel.
DH = delta-heading = A left * ticks left for DH-A right * ticks right for DH;
DR = delta-range = B left * ticks left for DR + B left * ticks right for DR
further,
DR heading = initial heading from GPS + sum DH;
When
Delta East = DR sin (DR heading);
Delta North = DR cos (DR heading)
It is.

実験は、パラメータの推定が見た目ほど単純ではないことを示している。パラメータAおよびBは、全く一定ではなくなっている。それらは、時間と共に変化する。なぜならば、車輪半径が、タイヤ空気圧、外部温度、速度、旋回効果、車両荷重、乗客の配置および人数、タイヤ磨耗などと共に変化するからである。ここで記述する解は、ゆっくりと変化するパラメータとして各パラメータをモデル化するものであり、各々は、異なる時間モデルに応じたものである。   Experiments show that parameter estimation is not as simple as it looks. Parameters A and B are no longer constant. They change with time. This is because the wheel radius changes with tire pressure, external temperature, speed, turning effect, vehicle load, passenger arrangement and number of people, tire wear, and the like. The solution described here models each parameter as a slowly varying parameter, each corresponding to a different time model.

多変数非線形系の数式におけるパラメータをすべて解くことが可能であるが、正しい順に行われた場合、実験でパラメータをそれぞれ単一変数の数式の系で独立して演算することができることが分かった。   Although it is possible to solve all the parameters in the multivariable nonlinear system mathematical formula, it was found that the parameters can be independently calculated by a single variable mathematical system if they are performed in the correct order.

AおよびBに対する左右のパラメータの各々を解くのではなく、
Aright / Aleft = Bleft / Bright = r
1秒間のデルタ針路は、
δh = AL * TL - AR * TR;
そして、
AL = A + dA;
AR = A - dA;
δh = (A + dA) TL - (A - dA) TR;
Instead of solving each of the left and right parameters for A and B,
A right / A left = B left / B right = r
The 1-second delta course is
δh = A L * TL-A R * TR;
And
A L = A + dA;
A R = A-dA;
δh = (A + dA) TL-(A-dA) TR;

=A * [TL - TR] + dA * [TL + TR];
そして、r = AL / AR = (A + dA) / (A - dA);
並べ替えると、
dA = -A (1 - r) / (1 + r)
である。従って、
delta-heading = A * [(TL - TR) - (1 - r) / (1 + r) * (TL + TR)]
= A * compTT
である。
= A * [TL-TR] + dA * [TL + TR];
And r = A L / A R = (A + dA) / (A-dA);
Once sorted,
dA = -A (1-r) / (1 + r)
It is. Therefore,
delta-heading = A * [(TL-TR)-(1-r) / (1 + r) * (TL + TR)]
= A * compTT
It is.

ここでは、補償された回転刻みエネルギは、
compTT = (TL-TR) - (1 - r) / ( 1 + r) * (TL + TR)
である。同様に、共通のBパラメータを解くと、
delta-range = B * [(TL + TR) - (1 - α) / (1 + α) * (TL - TR)]
= B * compST
である。ここで、compST=補償された合計刻みである。
Here, the compensated rotational step energy is
compTT = (TL-TR)-(1-r) / (1 + r) * (TL + TR)
It is. Similarly, when solving the common B parameter,
delta-range = B * [(TL + TR)-(1-α) / (1 + α) * (TL-TR)]
= B * compST
It is. Where compST = compensated total increment.

単純な公式化は、左右の車輪が同一の半径を有効に有していない一般的なケースを扱う。左右の車輪刻み間のバイアスは、車両110が直進していても蓄積する。   A simple formulation deals with the general case where the left and right wheels do not effectively have the same radius. The bias between the left and right wheel increments accumulates even when the vehicle 110 is traveling straight.

このパラメータを推定する単純な方法は、車両110が直進または僅かな旋回をする運転状態を分離するために、GPS受信機104または302を使用することである。この条件の下では、比「R」は、積分開始から積分終了までのGPS針路の如何なる変化も、GPS針路の小さな変化である期間に亘って、次のように推定されることができる。
R = sum ticks right / sum ticks left
つまり、開始および終了期間は、(headGPSstart-headGPS)の絶対値が典型的には1°の閾値以下であるときに考慮される。
A simple way to estimate this parameter is to use the GPS receiver 104 or 302 to isolate driving conditions in which the vehicle 110 goes straight or makes a slight turn. Under this condition, the ratio “R” can be estimated as follows over a period in which any change in the GPS course from the start of integration to the end of integration is a small change in the GPS course.
R = sum ticks right / sum ticks left
That is, the start and end periods are considered when the absolute value of (headGPSstart-headGPS) is typically below a threshold of 1 °.

デルタ針路の推定値は、如何なるGPS針路誤差、および車輪回転刻み差における正確な旋回エネルギを生じさせる車両110の針路の如何なる真の変化も含んでいる。   The estimate of the delta course includes any true change in the course of the vehicle 110 that causes any GPS course error and accurate turning energy in the wheel rotation increment.

これとすべての一般的な変化状態とを提供するために、個々のrの推定値は、単一状態のカルマン・フィルタでブレンドされる。各々の測定値に対する雑音モデルは、2つのGPS針路推定値の信頼性を明らかにする。カルマン・フィルタ用の処理雑音モデルは、比のパラメータがどのくらい速く変化することができるかを提供するように調整される。   In order to provide this and all common change states, the individual r estimates are blended with a single state Kalman filter. The noise model for each measurement reveals the reliability of the two GPS course estimates. The processing noise model for the Kalman filter is adjusted to provide how fast the ratio parameter can change.

処理ノイズは、車両110が長時間停止するときは常に大きく設定される。なぜならば、車両荷重の変化が、タイヤ半径に著しく影響することがあるからである。処理ノイズを定常状態に均一化することは、比の推定値が5分毎に条件の変化を提供することを可能にする。   The processing noise is always set large when the vehicle 110 is stopped for a long time. This is because changes in vehicle load can significantly affect the tire radius. Uniformizing the processing noise to a steady state allows the ratio estimate to provide a change in condition every 5 minutes.

都会の峡谷および/または非常に弱い信号状態で動作する場合、GPS針路推定値は、不安定で信頼性が低くなることがある。非常に大きい雑音モデルを使用しなければならない。選抜除去スキームは、正常値から遠過ぎるような、対応するカルマン・フィルタからの如何なる範囲外の測定値も選抜除去するために使用される。   When operating in urban canyons and / or very weak signal conditions, GPS course estimates may be unstable and unreliable. A very large noise model must be used. The deselection scheme is used to select out-of-range measurements from the corresponding Kalman filter that are too far from normal values.

そのような比は、車両110が直進するか、または、正味の針路変化が0に相殺される(例えば、15°の右旋回に続いて15°の左旋回)場合は、常に推定されることができる。比は、車輪半径の差を補償し、走行を真っ直ぐにする。盲目的に1.0の比を適用すると、推測航法伝搬は、直線道路を実際に走行する場合であっても、大きなカーブを持った経路を計画することができる。   Such a ratio is always estimated when the vehicle 110 goes straight or the net course change cancels out to zero (eg, 15 ° right turn followed by 15 ° left turn). be able to. The ratio compensates for wheel radius differences and straightens the run. If a ratio of 1.0 is applied blindly, dead reckoning propagation can plan a route with a large curve even when actually traveling on a straight road.

経験的には、項AおよびAleftおよびArightが車両110のサスペンションの動作の仕方によって旋回の間に現実から逸れることがあることが分かった。一般に、オーバーステアリングの印象をもたらす旋回エネルギがもっと観測される(つまり、対地追跡は、真の針路変更よりも大きいものを示す)。 Experience has shown that the terms A and A left and A right can deviate from reality during a turn, depending on how the suspension of the vehicle 110 operates. In general, more turning energy is observed that gives the impression of oversteering (ie, ground tracking shows more than a true course change).

この効果を補償するために、速度補償パラメータ「C」がここでは導入され、車輪半径の任意の実際の差によって既に補償された回転刻みをさらに補償する。Cパラメータの一般形態は、値0:1である。低速では、Cパラメータは、0近傍であり、高速では、それは収束するが、1には到達しない。   To compensate for this effect, a speed compensation parameter “C” is introduced here to further compensate for the rotational step already compensated by any actual difference in wheel radius. The general form of the C parameter is the value 0: 1. At low speed, the C parameter is near zero and at high speed it converges but does not reach one.

Cパラメータは、推定するのがより難しい。なぜならば、それは、車両110にとって可能な全速度範囲に亘る旋回条件についての観測を必要とするからである。従って、ベースラインまたはデフォルト・モデルが利用される。Cパラメータは、車両110の寿命に亘って別の単一状態カルマン・フィルタで頻繁に改善される。   The C parameter is more difficult to estimate. This is because it requires observation of turning conditions over the entire speed range possible for the vehicle 110. Therefore, a baseline or default model is used. The C parameter is frequently improved with another single state Kalman filter over the life of the vehicle 110.

Cパラメータの典型的な形態は、LowSpeedCutOffと呼ばれる0の速度からベースライン値までの単位である。その後、カーブは、低下し、カーブが固定のより低い値で平坦に留まる最大速度まで直線的になる。中間領域の傾斜は、リアルタイムで推定される。速度表現を単純化するための独立変数は、左右の車輪回転刻みの合計であり、ここでは、sumTicksと呼ばれる。   A typical form of the C parameter is a unit from zero speed to a baseline value called LowSpeedCutOff. The curve then decreases and becomes linear to the maximum speed at which the curve stays flat at a fixed lower value. The slope of the intermediate region is estimated in real time. The independent variable for simplifying the speed representation is the sum of the left and right wheel rotation increments, here called sumTicks.

Cパラメータを推定するためのモデル化数式は、
deltaHeading = A *(1 + C * (compST - LowSpeedCutOff)) *compTT
である。
The modeling formula for estimating the C parameter is
deltaHeading = A * (1 + C * (compST-LowSpeedCutOff)) * compTT
It is.

Cパラメータの推定値は、次のように形成されることができる。
C estimate = (deltaHeadingGPS - A * compTT) / (A *compTT * (compST - LowSpeedCutOff))
Aパラメータのベースライン推定値が必要であり、Cパラメータには、単位がない。
An estimate of the C parameter can be formed as follows.
C estimate = (deltaHeadingGPS-A * compTT) / (A * compTT * (compST-LowSpeedCutOff))
A baseline estimate of the A parameter is required, and the C parameter has no units.

Aパラメータは、左右の車輪間の車輪回転刻みの変化を針路変化に変換する。次いで、針路変化は、合計推測航法針路を生成するために任意の定数で積分される。Aパラメータの演算は、デルタ針路を得ることができる少なくとも2つのGPS速度推定値を収集すること、および、同一の積分期間に対応する補償された回転刻み推定値を収集することを必要とする。従って、   The A parameter converts a change in the wheel rotation increment between the left and right wheels into a course change. The course change is then integrated with an arbitrary constant to produce a total dead reckoning course. The computation of the A parameter requires collecting at least two GPS speed estimates that can obtain a delta course, and collecting compensated rotational step estimates corresponding to the same integration period. Therefore,

A-estimate = deltaHeadingGPS / (compTT * C)
である。ここで、A推定値(A-estimate)は、回転刻み当たりラジアンである。
A-estimate = deltaHeadingGPS / (compTT * C)
It is. Here, the A estimate (A-estimate) is radians per rotation increment.

実験は、精度がGPS針路測定値の品質に依存することを示している。ソフトウェア・プログラミングは、針路を推定する少なくとも2つの方法を有するべきである。例えば、最小二乗バッチ推定器は、1つの時間間隔において得られた1セットのGPSドップラー測定値から東方および北方速度を推定し、従って、それは、動的モデルを有しないので、力学の下では遅れを持たない。別の例では、推定器は、各GPSドップラー測定値の複雑な測定誤差モデルと、GPS速度および位置がどのようにエポックからエポックへと変化するかの複雑なモデルを備えた航法カルマン・フィルタを備えている。より高い雑音比を持った弱い信号条件の下では、カルマン・フィルタは、東方および北方速度におけるより少ない変わり易さを提供する。   Experiments show that the accuracy depends on the quality of the GPS course measurements. Software programming should have at least two ways to estimate the course. For example, the least square batch estimator estimates the east and north velocities from a set of GPS Doppler measurements obtained in one time interval, so it does not have a dynamic model and is therefore delayed under dynamics. Does not have. In another example, the estimator uses a navigational Kalman filter with a complex measurement error model for each GPS Doppler measurement and a complex model of how GPS speed and position change from epoch to epoch. I have. Under weak signal conditions with higher noise ratios, the Kalman filter provides less variability in east and north velocities.

もう1つの単一状態カルマン・フィルタは、A推定値の時系列を共にブレンドするために使用される。A推定値はそれぞれ、GPS針路成分における誤差モデルに基づいた測定誤差モデルを有している。タイヤ条件を変更するようにゆっくりと適応させるフィルタの時定数を設定する処理雑音モデルが含まれている。   Another single state Kalman filter is used to blend together the time series of A estimates. Each A estimated value has a measurement error model based on an error model in the GPS course component. A processing noise model is included that sets a filter time constant that slowly adapts to changing tire conditions.

A推定値は、2つの他のパラメータ、車輪半径比r、および速度補償モデルCに依存する。Aパラメータは、初期の実際の動作から連続的に推定され、パラメータをそれぞれ推定することができるまで、比およびデフォルト・モデルに対して1つの値を使用する。   The A estimate depends on two other parameters, the wheel radius ratio r, and the speed compensation model C. The A parameter is estimated continuously from the initial actual behavior and uses one value for the ratio and default model until the parameters can be estimated respectively.

パラメータBを推定する際に、デルタレンジ・パラメータBは、推測航法に対する速度を設定するために使用される。それは、左右の車輪回転刻みの合計を推測航法速度に変換する。パラメータBは、GPS速度および補償された合計刻み測定値(compST)を使用して次のように推定される。
B-estimate = GPS speed in one second / compST in one second
B推定値は、単一状態のカルマン・フィルタでブレンドされ、ここでは、測定ノイズは、GPS速度誤差の推定値の関数である。カルマン・フィルタに対する処理ノイズは、Bが時間と共にどのように変化するかの時定数を設定する。一般に、タイヤは、様々な速度および車両荷重で圧縮および膨張する。従って、含めるべき処理ノイズの量は、5分の時定数程度を有するように設定される。
In estimating parameter B, delta range parameter B is used to set the speed for dead reckoning. It converts the sum of left and right wheel rotation increments to dead reckoning speed. Parameter B is estimated using the GPS speed and the compensated total step measurement (compST) as follows:
B-estimate = GPS speed in one second / compST in one second
The B estimate is blended with a single state Kalman filter, where the measurement noise is a function of the GPS speed error estimate. The processing noise for the Kalman filter sets a time constant for how B varies with time. In general, tires compress and expand at various speeds and vehicle loads. Accordingly, the amount of processing noise to be included is set to have a time constant of about 5 minutes.

針路オフセットOパラメータについては、1セットの新しい左右の車輪回転刻みからの推測航法位置の変化を推定するために、推測航法からの絶対針路推定値を有することが必要である。このパラメータは、ここではDR_headingと呼ばれる。
DR_heading = heading offset + sum of all delta-headings
For the course offset O parameter, it is necessary to have an absolute course estimate from dead reckoning to estimate the change in dead reckoning position from a set of new left and right wheel rotation increments. This parameter is called DR_heading here.
DR_heading = heading offset + sum of all delta-headings

針路オフセットは、最初の信頼できるGPS針路が利用可能になった場合に、最初にセットされる(例えば、GPS受信機が、毎秒数m以上の速度で移動すると直ぐに)。初期化するには、
Heading offset = Heading from last fix
である。
The course offset is set first when the first reliable GPS course becomes available (eg, as soon as the GPS receiver moves at a speed of several meters per second or more). To initialize
Heading offset = Heading from last fix
It is.

そして、更新するには、
DR heading on first update = heading offset + deltaHEading1
である。2回目の更新では、
DR heading = heading offset + deltaHeading1 + deltaHeading2;
= heading offset + sum of all DR deltaHeadings;
= heading offset + sumDeltaHeading
である。
And to update
DR heading on first update = heading offset + deltaHEading1
It is. In the second update,
DR heading = heading offset + deltaHeading1 + deltaHeading2;
= heading offset + sum of all DR deltaHeadings;
= heading offset + sumDeltaHeading
It is.

もしすべてのそのようなデルタ針路推定値の合計が完全ならば、針路オフセットは、固定した定数になり、更新される必要がない。しかし、実際には、針路オフセットは、システム雑音およびモデル化失敗によってかなり急速に変化する場合がある。針路オフセットを正確にしておくために針路オフセットを連続的に推定するためには、別の信号状態のカルマン・フィルタが必要である。
The heading offset estimate, O = GPS heading - sumDeltaHeading
If the sum of all such delta course estimates is complete, the course offset is a fixed constant and does not need to be updated. In practice, however, the heading offset may change fairly rapidly due to system noise and modeling failure. In order to continuously estimate the course offset in order to keep the course offset accurate, another signal state Kalman filter is required.
The heading offset estimate, O = GPS heading-sumDeltaHeading

そして、GPS針路誤差推定値に基づいた測定雑音モデルに応じたすべての針路オフセット推定値とブレンドされる。時定数は、約5分にセットされる。   Then, it is blended with all the course offset estimated values corresponding to the measurement noise model based on the GPS course error estimated value. The time constant is set at about 5 minutes.

要約すると、キャリブレーションは、表VIIにおいて次のように進行する。

Figure 2013088208
In summary, calibration proceeds as follows in Table VII.
Figure 2013088208

本発明の一実施形態は、密結合GPSと、ホスト・コンピュータ中のGPSアプリケーションとして実行するための推測航法ソフトウェア・アプリケーション・プログラムとを備えている。それは、車輪を備えた車両上のGPS測定プラットフォーム(MP)から測定値を受信するように接続される。例えば、車輪112,114,116,および118を備えた車両110(図1)上のMP704(図7)である。密結合GPSおよび推測航法ソフトウェア・アプリケーション・プログラムは、時間、fixトリガ、ドップラー、および擬似レンジ報告をGPS測定プラットフォームから収集するための入力処理を含んでいる。GPS時間からホスト・コンピュータ時間へのオフセット演算処理は、車両によって生成されるそうでなければ非同期なデータをGPS時間に揃えるために使用される。最小二乗スナップショット推定値は、位置(P)、速度(V)、車輪半径および比に対するキャリブレーション・パラメータ(B)、デルタ針路およびデルタレンジ(D)、ならびに個々の新しい位置fixおよびGPSシステム時刻に基づいた時間に対して演算される。カルマン・フィルタは、位置(P)、速度(V)、車輪半径および比に対するキャリブレーション・パラメータ(B)、デルタ針路およびデルタレンジ(D)、ならびに時間に対して含まれ、構成され、また、推測航法デルタレンジ、デルタ針路、複合モードを処理し、伝搬する。   One embodiment of the present invention comprises a tightly coupled GPS and dead reckoning software application program for execution as a GPS application in a host computer. It is connected to receive measurements from a GPS measurement platform (MP) on a vehicle with wheels. For example, MP 704 (FIG. 7) on vehicle 110 (FIG. 1) with wheels 112, 114, 116, and 118. The tightly coupled GPS and dead reckoning software application program includes input processing for collecting time, fix triggers, Doppler, and pseudorange reports from the GPS measurement platform. The offset calculation process from GPS time to host computer time is used to align otherwise asynchronous data generated by the vehicle to GPS time. Least square snapshot estimates include position (P), velocity (V), calibration parameters for wheel radius and ratio (B), delta course and delta range (D), and individual new position fix and GPS system time Is calculated for the time based on The Kalman filter is included and configured for position (P), velocity (V), calibration parameters for wheel radius and ratio (B), delta course and delta range (D), and time, and Process and propagate dead reckoning delta range, delta heading, combined mode.

連続モード選別処理は、GPS解および車輪データ・キャリブレーションの利用可能性に依存して、GPS単独モード、推測航法単独モード、またはGPSおよび推測航法の両方の複合モードでの動作を選択する。新しいfix演算処理は、ハードウェア事前データを演算し、時間オフセット演算処理に接続されたGPSミリ秒タイマを調整する。バッファ・プロセッサは、車両の車輪トランスデューサによって測定される車輪回転刻みに関するタイムスタンプを押したCANbusデータを収集する。推測航法キャリブレーションのカルマン・フィルタは、左右の車輪のdelta-heading/tick差に対するAおよびAキャリブレーション・パラメータ、ならびに、左右の車輪のdelta-range/tickに対するBおよびBキャリブレーション・パラメータ、ならびに、合計デルタ針路を既知の針路基準に平行移動させるための針路オフセット・キャリブレーション・パラメータを処理する。推測航法データ・プロセッサは、データをバッファ・プロセッサからカルマン・フィルタによって後の処理のためのデルタレンジ、デルタ針路、およびデルタ針路合計の情報に変換するものであり、推測航法誤差モデルを備えている。アプリケーション・プログラミング・インタフェース(API)は、新しい航法fixを出力する。 The continuous mode selection process selects operation in GPS only mode, dead reckoning navigation only mode, or a combined mode of both GPS and dead reckoning, depending on the availability of GPS solutions and wheel data calibration. The new fix computation process computes hardware pre-data and adjusts the GPS millisecond timer connected to the time offset computation process. The buffer processor collects time stamped CANbus data for wheel rotation ticks measured by the vehicle wheel transducer. Kalman filter dead reckoning calibration, A L and A R calibration parameters for delta-heading / tick difference between the left and right wheels, as well as, B L and B R Calibration for delta-range / tick of the left and right wheels Process the parameters as well as the course offset calibration parameters to translate the total delta course to a known course reference. Dead Reckoning Data Processor converts data from the buffer processor to the delta range, delta heading, and delta heading sum information for later processing by a Kalman filter and includes a dead reckoning error model . The application programming interface (API) outputs a new navigation fix.

密結合GPSおよび推測航法ソフトウェア・アプリケーション・プログラムは、GPS受信機単独、DRコンピュータ単独、およびGPS受信機およびDRコンピュータの両方を含んだ複合モードを含む3つのモードのうちの1つで動作するモード選択処理をさらに含むことができる。GPS受信機単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能であり、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルが存在し、2基を超える衛星ビークルが追跡されている場合に生じる。DRコンピュータ単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能ではない、または、2基以下の衛星ビークルが追跡されている場合に生じる。そして、複合モードにおける動作は、検査から、2基以下の衛星ビークルが追跡されている、または、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルが存在しない、および、キャリブレーションが利用可能であり、確認される場合に生じる。新しい航法fixは、APIを通じてその後出力される。
[フィードバック]
Tightly coupled GPS and dead reckoning software application program operates in one of three modes including GPS receiver alone, DR computer alone, and combined mode including both GPS receiver and DR computer A selection process may further be included. Operation in the GPS receiver single mode occurs when a GPS fix is available, there are satellite vehicles that are available consistently enough, and more than two satellite vehicles are being tracked. Operation in DR computer single mode occurs when GPS fix is not available or when two or fewer satellite vehicles are being tracked. And operation in combined mode confirms from inspection that no more than two satellite vehicles are being tracked, or that there are no satellite vehicles available consistently, and that calibration is available. It happens when it is done. The new navigation fix is then output through the API.
[feedback]

本発明の実施形態は、ポジショニング・フィードバックを提供するためにロードマッピングを使用する。このユーザのナビゲーションシステムが車両で移動中であり、その車両は道路の上を走行中であると仮定されている。また、このロードマッピングはすべての道路情報を把握していると仮定されているが、新たな工事、補修、および迂回路によってそれが常に正しいとは言えない。また、通常、このロードマッピングのデータベースはDVDディスク上に格納されており、典型的には年に一度しか更新されないが、ユーザは2,3年ほど最新版を購入しない。従って、オフロードを走行するにはフィードバックに調整がなければならない。   Embodiments of the present invention use road mapping to provide positioning feedback. It is assumed that the user's navigation system is moving on a vehicle and that the vehicle is traveling on the road. It is also assumed that this road mapping captures all road information, but it is not always correct due to new construction, repairs and detours. Also, this road mapping database is usually stored on a DVD disc and is typically updated only once a year, but the user does not purchase the latest version for a few years. Therefore, feedback must be adjusted to travel off-road.

時間および位置の推定は、GPS期限切れおよびアウテージ時に推測航法伝搬を支援するためのフィードバックとして提供されることができる。推定した時間および位置を有用するためには、フィードバック処理は初期化され、データの選定をGPSアウテージの前およびアウテージ中に行なわなければならない。   Time and position estimates can be provided as feedback to assist dead reckoning propagation during GPS expiration and outage. In order to make use of the estimated time and position, the feedback process must be initialized and data selection must be made before and during the GPS outage.

有用に適用されるために、フィードバックは、均等な間隔(例えば、5秒毎)または1秒毎で行なわれる。フィードバックは、位置が出力された後、最大でも1GPSエポックの遅れで到達する。フィードバックは、次のfixが処理されるまで任意のタイミングで到達することが可能である。実際には、これは前回の出力の800ミリ秒以内を意味する。2GPSエポック以上後に到達する如何なるフィードバックも価値が低く、従って破棄される。   In order to be usefully applied, feedback is made at even intervals (eg, every 5 seconds) or every second. The feedback arrives with a delay of at most 1 GPS epoch after the position is output. Feedback can arrive at any time until the next fix is processed. In practice, this means within 800 milliseconds of the previous output. Any feedback that arrives after 2 GPS epochs is of low value and is therefore discarded.

図10(a)では、時系列1000は、対応するfixの後1秒以内にフィードバックが来ている。例えば、fix x、fix x+1、fix x+2、fix x+3、fix x+4、fix x+5、fix x+6の時間的に後に、それぞれフィードバックx、フィードバックx+1、フィードバックx+2、フィードバックx+3、フィードバックx+4、フィードバックx+5などが続いている。   In FIG. 10A, the time series 1000 receives feedback within one second after the corresponding fix. For example, fix x, fix x + 1, fix x + 2, fix x + 3, fix x + 4, fix x + 5, fix x + 6, after time, feedback x, feedback x + 1, feedback followed by x + 2, feedback x + 3, feedback x + 4, feedback x + 5, and so on.

図10(b)では、フィードバック時系列1050は、対応するfixから1〜2秒の間に到達している。例えば、fix x、fix x+1。fix x+2、fix x+3、fix x+4、fix x+5、およびfix x+6の時間的に後に、それぞれフィードバックx-1、フィードバックx、フィードバックx+1、フィードバックx+2、フィードバックx+3、フィードバックx+4と続いている。   In FIG. 10B, the feedback time series 1050 arrives within 1-2 seconds from the corresponding fix. For example, fix x, fix x + 1. After the time of fix x + 2, fix x + 3, fix x + 4, fix x + 5, and fix x + 6, feedback x-1, feedback x, feedback x + 1, feedback x + 2, This is followed by feedback x + 3 and feedback x + 4.

フィードバック・メッセージの形式は、
PERDAPI,ETPOS,TIME,LAT,N/S,LON,E/W,HEAD,CHKS;
ここで、PERDAPIは、PERDアプリケーション・プログラミング・インタフェース;
ETPOSは、推定時間・位置文インジケータ;
TIMEは、フィードバック時刻;
LATは、フィードバック緯度;
N/Sは、北/南;
LONは、フィードバック経度;
E/Wは東/西;
HEADは、フィードバック針路;
CHKSは、チェックサム
である。
The format of the feedback message is
PERDAPI, ETPOS, TIME, LAT, N / S, LON, E / W, HEAD, CHKS;
Where PERDAPI is the PERD application programming interface;
ETPOS is an estimated time / position sentence indicator;
TIME is the feedback time;
LAT is the feedback latitude;
N / S is north / south;
LON is the feedback longitude;
E / W is East / West;
HEAD is a feedback course;
CHKS is a checksum.

図11(a)、図11(b)および図12は、2つの部分を備えた実施形態のフィードバック実施を表わしている。図11(a)および図11(b)における第1部分1100は、情報を有効にし、構造を更新する。ロードマッピングから情報を伴って入ってくるフィードバック文は、受信を有効にされる。フィードバック構造は、満たされ、フィードバック情報と、対応するGPS受信機の導出位置/速度/時間(スピードおよび針路を黙示的に含む)との両方を含んでいる。フィードバック構造中のデータ(GPSおよびフィードバック情報)は、DR伝搬に使用されるに適したフィードバック・データか否かを解析される。   FIG. 11 (a), FIG. 11 (b) and FIG. 12 represent a feedback implementation of an embodiment with two parts. The first part 1100 in FIG. 11 (a) and FIG. 11 (b) validates the information and updates the structure. Feedback statements that come in with information from the road mapping are enabled for receipt. The feedback structure is filled and includes both feedback information and the corresponding GPS receiver derived position / velocity / time (implicitly including speed and course). Data in the feedback structure (GPS and feedback information) is analyzed to determine whether it is suitable feedback data for use in DR propagation.

具体的には、図11(a)では、図10(a)のように、ロードマッピングからの情報を伴う入ってくるフィードバック文は、ステップ1102でテストされ、フィードバックが1秒以内でfixに続いているか否かを確認する。Noでなければ、図10(b)で示されるように、ステップ1104は、フィードバックが2秒以内でfixに続いているか否かを確認するためにテストする。Yesであれば、ステップ1106は、フィードバック入力データが有効であることを示すフラグを設定する。Noであれば、ステップ1108は、フィードバック入力データが有効ではないことを示すフラグを設定する。ステップ1110は、適切な待ち時間を設定し、緯度、経度および高度(LLA)を十進化分で演算し、フィードバック情報で構造を満たし、関連するGPS fix情報で構造を満たす。初期コアライブラリ処理は、フィードバック推測時間および位置構造を投入し、フィードバックの正確さおよび妥当さの格付けを更新するために使用される。試作品では、これら2つの機能は、tpSetDrEtPositionおよびpfDrEtUpdateConfと呼ばれる。その情報の結果は、DR伝搬で後に使用される。   Specifically, in FIG. 11 (a), as shown in FIG. 10 (a), the incoming feedback statement with information from the road mapping is tested in step 1102 and the feedback follows the fix within 1 second. Check if it is. If not, step 1104 tests to see if feedback follows the fix within 2 seconds, as shown in FIG. 10 (b). If Yes, step 1106 sets a flag indicating that the feedback input data is valid. If No, step 1108 sets a flag indicating that the feedback input data is not valid. Step 1110 sets an appropriate waiting time, computes latitude, longitude, and altitude (LLA) in decimal, fills the structure with feedback information, and fills the structure with related GPS fix information. The initial core library process is used to populate the feedback estimation time and position structure and update the feedback accuracy and validity rating. In the prototype, these two functions are called tpSetDrEtPosition and pfDrEtUpdateConf. The result of that information is used later in DR propagation.

図11(b)では、ステップ1114は、フィードバックが遅れた場合にフィードバック位置を伝搬し、位置フィードバック推定時間および位置構造を満たす。ステップ1116は、入力データ・フラグが有効に設定されたか否かを確認する。Noであれば、ステップ1118は、如何なる針路調整も無効にする。Yesであれば、ステップ1120が、基準針路とフィードバック針路との間、今回のフィードバック針路と前回のフィードバック針路との間、今回の基準(GPS)針路と前回の基準針路との間、および、基準位置とフィードバック位置との間の差を演算する。フィードバックおよび基準(GPS)の連続する針路差、ならびにフィードバックと基準との間の位置差および針路差は、回転フラグ、良好フィードバック・フラグ、および不良フィードバック・フラグを設定するために適宜使用される。質的には、フィードバック・データおよびGPSデータおよび安定した位置差からの同様の針路変化は、回転フラグおよび良好フィードバック・フラグを許可するためにある筈である。同様でない針路変化または不安定な位置差は、不良フィードバック・フラグを設定する。   In FIG. 11 (b), step 1114 propagates the feedback position when the feedback is delayed and satisfies the position feedback estimation time and position structure. Step 1116 determines whether the input data flag has been set valid. If no, step 1118 disables any course adjustment. If yes, step 1120 is between the reference course and the feedback course, between the current feedback course and the previous feedback course, between the current reference (GPS) course and the previous reference course, and Calculate the difference between the position and the feedback position. Feedback and reference (GPS) successive course differences, as well as position and course differences between feedback and reference, are used as appropriate to set the rotation flag, good feedback flag, and bad feedback flag. Qualitatively, similar heading changes from feedback and GPS data and stable position differences should be to allow rotation and good feedback flags. A similar course change or unstable position difference sets a bad feedback flag.

ステップ1122は、良好フィードバック・フラグをテストし、良好であれば、ステップ1124は、正確性の格付けを上げる。ステップ1126は、不良フィードバック・フラグをテストし、不良であれば、ステップ1128は、正確性の格付けを下げる。良好または不良フィードバック・フラグのどちらも上げられない場合には、正確性の格付けには影響しない。ステップ1129は、回転フラグの不良フィードバックが不良であるか否かを確認する。もし不良でなければ、ステップ1130は、針路調整を更新する。そうでなければ、ステップ1118は、任意の針路調整を無効にする。   Step 1122 tests the good feedback flag, and if it is good, step 1124 raises the accuracy rating. Step 1126 tests the bad feedback flag, and if it is bad, step 1128 reduces the accuracy rating. If neither the good or bad feedback flag is raised, the accuracy rating is not affected. Step 1129 checks whether or not the failure feedback of the rotation flag is bad. If not, step 1130 updates the course adjustment. Otherwise, step 1118 disables any course adjustment.

図12では、第2部分1200は、DR伝搬用に提供される。適切な推定時間および位置構造が決定される。通常の場合、それは前回のGPS/DR fixから決定される。フィードバックが存在し、適性検査に合格した場合、フィードバック推定時間および位置構造が使用される。幾つかのfixは、通常のDR伝搬に従い、有効なフィードバック位置は、この位置へのジャンプと、フィードバック構造を使用するための条件を再び満足するまで通常のDR伝搬が再び後に続くDR針路の合計になされる訂正とを誘導する。   In FIG. 12, the second portion 1200 is provided for DR propagation. Appropriate estimation time and location structure is determined. Usually it is determined from the previous GPS / DR fix. If feedback is present and passes the aptitude test, the feedback estimation time and position structure is used. Some fixes follow normal DR propagation, and a valid feedback position is the sum of the jump to this position and the DR course followed by normal DR propagation again until the conditions for using the feedback structure are satisfied again. To guide the corrections made.

判断は、DR伝搬にどの位置構造を使用するか、フィードバック位置かまたは前回のfixからの通常位置か、のいずれかに対してなされる。GPS fixはすべて、通常の推定時間および位置構造を使用する。その範囲は、DR fix中にのみ更新され、DRモードで動作していないときには零にリセットされる。   The decision is made on which position structure to use for DR propagation, either the feedback position or the normal position from the previous fix. All GPS fixes use normal estimated time and location structures. The range is updated only during DR fix and reset to zero when not operating in DR mode.

具体的には、ステップ1202は、フィードバック位置の正確性の格付けをフェッチし、最後のフィードバックの使用以来の範囲を更新する。ステップ1204は、最後のフィードバックの使用以来の走行距離が十分であるか、位置フィードバックに最低の正確性の格付けがあるか、フィードバック位置が古過ぎないか、および有効になった針路補正があるか否かを確認する。すべて確認されれば、ステップ1208は、DR針路合計を調整によって補正し、ステップ1210は、フィードバック推定時間および位置構造をDR伝搬に使用する。確認することができなければ、ステップ1206は、通常の推定時間および位置構造をDR伝搬に使用する。   Specifically, step 1202 fetches the feedback location accuracy rating and updates the range since the last use of the feedback. Step 1204 determines whether the mileage since the last use of the feedback is sufficient, whether the position feedback has the lowest accuracy rating, whether the feedback position is not too old, and whether there is a course correction enabled Confirm whether or not. If all are confirmed, step 1208 corrects the DR course total by adjustment, and step 1210 uses the feedback estimation time and position structure for DR propagation. If not, step 1206 uses the normal estimated time and position structure for DR propagation.

「進行中の旋回」は、8度を超えるフィードバック針路の変化、または8度を超える基準針路の変化として定義される。不良フィードバックは、フィードバックおよび基準針路が不良針路限界を超え、且つ、進行中の旋回である場合、または、フィードバックおよび基準位置が35mを超え、且つ、位置不確実性(posSigma)が35m未満である場合、または、フィードバックおよび基準位置が50mを超えて離隔している場合として定義される。良好なフィードバックは、GPSモードであり、且つ、フィードバックおよび基準位置が20m未満離隔しており、且つ、フィードバックおよび基準針路が5度未満異なる場合として定義される。不良針路限界は、10度に針路変化の12%を加えたものである(180度を上限とする)。不良フィードバックは、非常に大きな旋回をした場合の最大32度までの針路誤差によっては宣言はされない。最大の位置の正確性の格付けは12であり、その使用に対する格付けの閾値は6である。位置および針路の更新は、DR軌道で100mに1回以上は行なわれない。   “A turn in progress” is defined as a change in the feedback course of more than 8 degrees or a change of the reference course of more than 8 degrees. Bad feedback is when the feedback and reference course exceeds the bad course limit and the turn is in progress, or the feedback and reference position is greater than 35m and the position uncertainty (posSigma) is less than 35m Or when the feedback and reference positions are separated by more than 50 m. Good feedback is defined as being in GPS mode, where the feedback and reference positions are separated by less than 20 meters, and the feedback and reference courses differ by less than 5 degrees. The bad course limit is 10 degrees plus 12% of course change (with 180 degrees as the upper limit). Bad feedback is not declared by course errors up to 32 degrees for very large turns. The maximum position accuracy rating is 12, and the rating threshold for its use is 6. The position and course are not updated more than once per 100 m in the DR trajectory.

要約すると、表VIIIは、CANフレームにおける車輪刻みに対するパラメータについて記述し、表IXは、APIによって設定される速度補償パラメータを列挙している。

Figure 2013088208
Figure 2013088208
[アルゴリズム]
C1を推定するためのモデル式は、
dh = A * (1 + C1 * (SumT - LowSpeedCutOff)) * dT
である。並べ替えると、
C1 = (dh - A * dT) / (A * dT * (SumT - LowSpeedCutOff))
である。ここで、
TL:左車輪刻み(Left wheel ticks)
TR:右車輪刻み(Right wheel ticks)
A:デルタ針路を演算するためのパラメータ
Ratio:「Ratio = TL / TR」の数式に対して推定される左右の車輪刻みの比
SumT:車輪刻みの合計は、「SumT = TL + TR」として定義される
dT:車輪刻みの差は、「dT = (TL - TR) + (1 - Ratio) / (1 + Ratio) * SumT」として定義される。 In summary, Table VIII describes parameters for wheel ticks in a CAN frame, and Table IX lists the speed compensation parameters set by the API.
Figure 2013088208
Figure 2013088208
[algorithm]
The model equation for estimating C1 is
dh = A * (1 + C1 * (SumT-LowSpeedCutOff)) * dT
It is. Once sorted,
C1 = (dh-A * dT) / (A * dT * (SumT-LowSpeedCutOff))
It is. here,
TL: Left wheel ticks
TR: Right wheel ticks
A: Parameters for calculating the delta course
Ratio: Ratio of left and right wheel increments estimated for the formula "Ratio = TL / TR"
SumT: Sum of wheel increments is defined as “SumT = TL + TR”
dT: Wheel tick difference is defined as “dT = (TL−TR) + (1−Ratio) / (1 + Ratio) * SumT”.

図13は、本発明の密結合GPSおよび推測航法車両航法の実施形態に対するサーバ・ベースのロードマップ・フィードバック・システムを表わし、ここでは一般参照数字1300によって参照される。サーバベース・システム1300は、無線ネットワーク1306を通じて少なくとも1台の車両1304と無線通信することができる少なくとも1つのネットワーク・サーバ1302を備えている。GPS航行衛星群1308は、通常は車両1304から見ることができるが、駐車場、トンネル内などにあることによってもたらされる信号障害を受けることがある。無線ネットワーク1306は、例えば、ダイアルアップの無線トランシーバ電話機1310および1312を具備した従来のGSM携帯電話技術を含んでいる。無線トランシーバ電話機1312は、携帯電話サービスに共通する信号障害を受けることがある。   FIG. 13 represents a server-based roadmap feedback system for the tightly coupled GPS and dead reckoning vehicle navigation embodiment of the present invention, referred to herein by the general reference numeral 1300. Server-based system 1300 includes at least one network server 1302 that can wirelessly communicate with at least one vehicle 1304 through wireless network 1306. The GPS navigation satellites 1308 are normally visible from the vehicle 1304, but may experience signal impairments caused by being in a parking lot, tunnel, etc. Wireless network 1306 includes, for example, conventional GSM mobile phone technology with dial-up wireless transceiver phones 1310 and 1312. Wireless transceiver telephone 1312 may experience signal impairments common to cellular telephone services.

ロードマップ・データベース1320は、ネットワーク(例えば、インターネット)上のフィードバック・サーバ1322によってアクセス可能である。そのようなロードマップ・データベース1320は、Navteq社(イリノイ州シカゴ)などによって販売されているマップ・データベース・サービスを含むことができ、加入者操作車両1304がアクセス可能な最新の公共の、私的な、および安全な道路情報を表示する。加入者認証ユニット1324は、フィードバック・サーバ1322へのリアルタイム・アクセスを、許可した加入者に制限する。   The roadmap database 1320 is accessible by a feedback server 1322 on a network (eg, the Internet). Such a roadmap database 1320 can include a map database service sold by Navtech, Inc. (Chicago, Illinois), etc., and is the latest public, private, accessible to subscriber-operated vehicles 1304. Display safe and safe road information. Subscriber authentication unit 1324 restricts real-time access to feedback server 1322 to authorized subscribers.

車両1304が自身のロードマップ・ソフトウェアおよび表示によって提供される利益を享受しない場合、ネットワーク・サーバ1302は、図1、図3、図10、図11(a)、図11(b)、および図12に関連して上記したように、フィードバック補正に必要な最低限のマップ情報を供給することができる。フィードバックは、スナップ誤差が所定値を超える都度、GPSおよび推測航法混合位置がドリフトを補正されることを可能にする。そのようなフィードバック無しでは、マップ・スナッピングの範囲を超えてしまう。ここで使用されるフィードバックは、前のドリフト補正を積分することによって位置を補正し、スナッピングの範囲を妥当なレベルに維持する。最終的な目的は、より正確な車両位置を常に出力することである。   If the vehicle 1304 does not enjoy the benefits provided by its roadmap software and display, the network server 1302 can be configured as shown in FIGS. 1, 3, 10, 11 (a), 11 (b), and FIG. As described above with reference to FIG. 12, the minimum map information required for feedback correction can be provided. The feedback allows GPS and dead reckoning mixed positions to be drift compensated each time the snap error exceeds a predetermined value. Without such feedback, the scope of map snapping is exceeded. The feedback used here corrects the position by integrating the previous drift correction and keeps the snapping range at a reasonable level. The ultimate goal is to always output a more accurate vehicle position.

限定的な即時のローカルエリア・マップ情報は、ロードマップ・データベース1320から無線ネットワーク1306を通じてローカルの先読みデータベース1330にダウンロードされる。無線ネットワーク1306とモバイル無線トランシーバ1312との間の通信が頻繁に行なわれ、場合によっては信号障害を拡大するので、ローカルの先読みデータベース1330は、妥当な時間および距離のフィードバック動作を継続するために十分なデータを備えておく必要がある。例えば、地域の制限速度での5分間の車両移動である。   Limited immediate local area map information is downloaded from the roadmap database 1320 through the wireless network 1306 to the local prefetch database 1330. Since communication between the wireless network 1306 and the mobile wireless transceiver 1312 is frequent and in some cases increases signal impairment, the local look-ahead database 1330 is sufficient to continue a reasonable time and distance feedback operation. It is necessary to have the correct data. For example, a 5 minute vehicle movement at a local speed limit.

無線ネットワーク1306およびモバイル無線トランシーバ1312の帯域幅能力は、厳しく制限されており、従って、ローカルの先読みデータベース1330で通信および格納されるマップ情報は、フィードバック補正のジョブに必須ではないすべてのデータを排除すべきである。従って、送信されたデータは、名前や違う色のない交差する線分からなる簡単な車両位置制限に減じられる。殆どの道路セグメントは、始点座標および終点座標を有した直線セグメントで記述されることができる。   The bandwidth capabilities of the wireless network 1306 and mobile wireless transceiver 1312 are severely limited, so the map information communicated and stored in the local look-ahead database 1330 eliminates all data that is not essential for feedback correction jobs. Should. Thus, the transmitted data is reduced to a simple vehicle position restriction consisting of intersecting line segments with no name or different color. Most road segments can be described by straight line segments having start and end coordinates.

上述のように、推測航法車両のレンジおよび針路解は、車輪センサ1334を備えた推測航法ユニット1332によって演算される。GPS航法位置および速度解は、GPS衛星1308から信号を受信するアンテナ1338を備えたGPS航法受信機1336によって提供される。ブレンディング・ユニット1340は、上記のように、推測航法ユニット1332とGPS航法受信機1336との間の相互動作を制御する。さらに、それはローカルの先読みデータベース1330によって提供される道路セグメント・データに、その結果が適合するようにブレンド解を制約する。ブレンディング・ユニット1340は、推測航法ユニット1332およびGPS航法受信機1336にフィードバックおよびキャリブレーションを提供し、航法解および表示1342を見るためのデータも提供する。   As described above, the dead-reckoning vehicle range and course solution are computed by dead reckoning unit 1332 with wheel sensor 1334. The GPS navigation position and velocity solution is provided by a GPS navigation receiver 1336 with an antenna 1338 that receives signals from GPS satellites 1308. Blending unit 1340 controls the interaction between dead reckoning unit 1332 and GPS navigation receiver 1336 as described above. In addition, it constrains the blend solution to match the results to the road segment data provided by the local look-ahead database 1330. Blending unit 1340 provides feedback and calibration to dead reckoning unit 1332 and GPS navigation receiver 1336 and also provides data for viewing navigation solutions and display 1342.

本発明の特定の実施形態は、記述され図示されたが、それは本発明を限定するようには意図していない。修正および変更が疑いなく当業者には明白であり、本発明が添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されている。   While particular embodiments of the present invention have been described and illustrated, it is not intended to limit the invention. Modifications and changes will no doubt become apparent to those skilled in the art, and it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims.

100−GPSおよび推測航法の組合せ、102―ディスプレイ、104−GPS受信機、106−アンテナ、108−推測航法(DR)コンピュータ 100-GPS and dead reckoning combination, 102-display, 104-GPS receiver, 106-antenna, 108-dead reckoning (DR) computer

Claims (10)

車両に搭載され、軌道上の航行衛星からの信号伝送の障害を受けるGPS受信機と、
該GPS受信機に結合され、前記信号障害の期間中に推測航法(DR)によって演算されるレンジおよび針路情報を提供するDRコンピュータであって、車両航法解および支援がユーザへのスクリーン表示装置を通じて継続的に利用可能であることと、
DRコンピュータに結合され、前記車両を支持する個々の車輪の回転に関する回転データを提供する車輪刻みセンサと、
カーナビゲーションシステムに一致する道路セグメント情報を有したロードマップ・データベースとを備えたカーナビゲーションシステムにおいて、
動力車両によって要求された限定地域に対して、ロードマップ・データベースから道路セグメント情報を提供するネットワーク・サーバと、
前記個々の車輪の真の半径の推定値とを備え、
該個々の車輪の真の半径の推定値は、レンジの変化(つまり、デルタレンジ)および針路変化(つまり、デルタ針路)、前記車両の動作に関する情報を生成するために、車輪刻みセンサからの前記回転データと組み合わせられ、
車両航法解として、推測航法の結果が場合によって単独で出力されると共に、GPS受信機から定期的に得られる絶対的な位置情報が、DRコンピュータによってデルタレンジおよびデルタ針路情報で伝搬され、
前記先読みデータベースに格納される道路セグメント情報は、前記車両航法解と一致し、GPSアウテージ中に推測航法伝搬におけるドリフトを補正するのに使用され、
GPSおよび推測航法混合位置は、スナッピング誤差が所定値を超える都度、ドリフトを補正され、
前記車両航法解および支援は、ユーザへのスクリーン表示装置を通じて継続的に利用可能とされ、前記GPS受信機から単独で、前記DRコンピュータによって単独で、またはフィードバック補正によって道路セグメントからのドリフトを定期的に修正される、前記GPS受信機および前記DRコンピュータによって提供される複合物から導き出され、
マップ・マッチング機能は、サーバが提供するマップ線分に基づいているカーナビゲーションシステム。
A GPS receiver mounted on a vehicle and subject to signal transmission obstacles from navigation satellites in orbit,
A DR computer coupled to the GPS receiver and providing range and course information computed by dead reckoning (DR) during the signal failure, wherein vehicle navigation solutions and assistance are through a screen display to the user Being continuously available,
A wheel notch sensor coupled to a DR computer and providing rotation data relating to rotation of individual wheels supporting the vehicle;
In a car navigation system comprising a road map database having road segment information matching the car navigation system,
A network server that provides road segment information from the roadmap database for limited areas requested by powered vehicles;
An estimate of the true radius of the individual wheels,
The estimate of the true radius of the individual wheels is the range change (ie, delta range) and course change (ie, delta course), the wheel step sensor from the wheel increment sensor to generate information about the operation of the vehicle. Combined with rotation data,
As a vehicle navigation solution, dead reckoning results are sometimes output alone, and absolute position information periodically obtained from the GPS receiver is propagated by the DR computer with delta range and delta course information,
Road segment information stored in the look-ahead database matches the vehicle navigation solution and is used to correct drift in dead reckoning propagation during GPS outage;
The GPS and dead reckoning mixed position is corrected for drift whenever the snapping error exceeds a predetermined value,
The vehicle navigation solution and assistance is continuously available through a screen display to the user, and periodically drifts from the road segment alone from the GPS receiver, alone by the DR computer, or by feedback correction. Derived from the composite provided by the GPS receiver and the DR computer, modified to
The map matching function is a car navigation system based on map segments provided by the server.
前記GPS受信機から単独で、DRコンピュータから単独で、または、前記GPS受信機および前記DRコンピュータの両方によって提供される複合物からの前記車両航法解を選択し、導き出すコンピュータ・プログラムをさらに備える請求項1記載のカーナビゲーションシステム。   A computer program further comprising: selecting and deriving the vehicle navigation solution from the GPS receiver alone, from a DR computer alone, or from a composite provided by both the GPS receiver and the DR computer. Item 1. The car navigation system according to Item 1. GPS受信機単独、DRコンピュータ単独、ならびに前記GPS受信機および前記DRコンピュータの両方を含む複合モードを含んだ3つのモードのうちの1つで動作するコンピュータ・プログラムをさらに備え、
前記GPS受信機単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能である、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルがある、および、2基を超える衛星ビークルが追跡されている場合に生じ、
前記DRコンピュータ単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能ではない、または、2基以下の衛星ビークルが追跡されている、および、キャリブレーションが利用可能である場合に生じ、
前記複合モードにおける動作は、検査から、2基以下の衛星ビークルが追跡されている、または、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルがない、および、キャリブレーションが利用可能であり、確認された場合に生じる請求項1記載のカーナビゲーションシステム。
A computer program that operates in one of three modes, including a GPS receiver alone, a DR computer alone, and a combined mode that includes both the GPS receiver and the DR computer;
Operation in the GPS receiver single mode occurs when a GPS fix is available, there is a satellite vehicle that is available sufficiently consistently, and more than two satellite vehicles are being tracked,
Operation in the DR computer single mode occurs when GPS fix is not available, or when two or fewer satellite vehicles are being tracked and calibration is available,
Operation in the combined mode has been verified from inspection that no more than two satellite vehicles are being tracked, or that there are no satellite vehicles available consistently, and that calibration is available. The car navigation system according to claim 1, which occurs in some cases.
プログラム可能な永続的停止ビットと、
GPS測定ハードウェアの起動の直後に続く条件付きプログラムの分岐であって、その条件付き分岐が、前記プログラム可能な永続的停止ビットのステータスに依存し、キャリブレーションが利用可能であり、且つ、前記プログラム可能な永続的停止ビットが真である場合に、前記DRコンピュータ単独モードに制御を転送するか、または、前記プログラム可能な永続的停止ビットが無秩序である場合、GPS fixが利用可能であるときに、前記GPS単独モードに制御を転送することとをさらに備える請求項3記載のカーナビゲーションシステム。
A programmable permanent stop bit;
A branch of the conditional program that immediately follows the start of the GPS measurement hardware, the conditional branch depends on the status of the programmable permanent stop bit, calibration is available, and When the programmable permanent stop bit is true, transfer control to the DR computer single mode, or if the programmable permanent stop bit is chaotic, a GPS fix is available 4. The car navigation system according to claim 3, further comprising: transferring control to the GPS single mode.
前記個々の車輪のそれぞれの前記真の半径に対する推定値の継続的なキャリブレーションのための自動処理をさらに備え、前記GPS受信機から周期的に得られる絶対位置情報は、車輪刻みセンサによって提供される前記回転データと比較される請求項1記載のカーナビゲーションシステム。   Further comprising automatic processing for continuous calibration of an estimate for each true radius of each of the individual wheels, the absolute position information periodically obtained from the GPS receiver provided by a wheel step sensor. The car navigation system according to claim 1, wherein the car navigation system is compared with the rotation data. コントローラ・エリア・ネットワーク(CAN)から受信した車輪刻み回転データのパケットを受信するバッファおよびタイムスタンプ処理と、
該バッファおよびタイムスタンプ処理からの前記車輪刻み回転データを推定およびキャリブレーションする推測航法カルマン・フィルタとをさらに備える請求項1記載のカーナビゲーションシステム。
A buffer and time stamp process for receiving a wheel rotation data packet received from a controller area network (CAN);
The car navigation system according to claim 1, further comprising a dead reckoning Kalman filter for estimating and calibrating the wheel step rotation data from the buffer and time stamp processing.
前記個々の車輪のそれぞれの前記真の半径に近似するように演算され、推測航法解に対するデルタレンジ、デルタ針路、およびデルタ針路合計の推定値を提供するために使用される初期化値をさらに備える請求項1記載のカーナビゲーションシステム。   Further comprising an initialization value that is computed to approximate the true radius of each of the individual wheels and is used to provide an estimate of the delta range, delta course, and delta course total for the dead reckoning solution The car navigation system according to claim 1. 車輪半径の推定値を調整する速度効果補償をさらに備える請求項1記載のカーナビゲーションシステム。   The car navigation system according to claim 1, further comprising speed effect compensation for adjusting an estimated value of the wheel radius. ホスト・コンピュータにおいてGPSアプリケーションとして実行され、車輪を備えた車両上のGPS測定プラットフォーム(MP)から測定値を受信するように接続された、密結合GPS、推測航法、およびマップ・マッチング航法ソフトウェア・アプリケーション・プログラムであって、
車輪を備えた車両上に搭載されたGPS測定プラットフォーム(MP)装置からの時間、fixトリガ、ドップラー、および擬似レンジ報告を収集する入力処理と、
前記車両によって生成される、本処理なしには非同期のデータをGPS時間に揃える、GPS時間からホスト・コンピュータ時間へのオフセット演算処理と、
各々の新しい位置fixおよびGPSシステム時刻に基づいた位置(P)、速度(V)、車輪半径および比に対するキャリブレーション・パラメータ(B)、デルタ針路およびデルタレンジ(D)、ならびに時間に対する最小二乗スナップショット推定器と、
位置(P)、速度(V)、車輪半径および比に対するキャリブレーション・パラメータ(B)、デルタ針路およびデルタレンジ(D)、ならびに時間に対して構成され、推測航法デルタレンジ、デルタ針路、複合モード、および伝搬を処理するカルマン・フィルタと、
GPS解および車輪データ・キャリブレーションの利用可能性に依存して、GPS単独モード、推測航法単独モード、またはGPSおよび推測航法の両方の複合モードで動作する連続モード選択処理と、
ハードウェア事前データを演算し、前記時間オフセット演算処理に接続されたGPSミリ秒タイマを調整する新しいfix演算処理と、
車両の車輪トランスデューサによって測定される車輪回転刻みに関するタイムスタンプを押したCANbusデータを収集するバッファ処理と、
左右の車輪のデルタ針路/tick差に対するAおよびAキャリブレーション・パラメータ、ならびに、左右の車輪のデルタレンジ/tickに対するBおよびBキャリブレーション・パラメータ、ならびに、合計デルタ針路を既知の針路基準に平行移動させる針路オフセット・キャリブレーション・パラメータを処理する推測航法キャリブレーション・カルマン・フィルタと、
該カルマン・フィルタによる後の処理のために、データを前記バッファ処理からデルタレンジ、デルタ針路、およびデルタ針路合計の情報に変換し、推測航法誤差モデルを含んだ推測航法データ処理と、
GPSおよび推測航法混合位置が、スナッピング誤差が所定値を超える都度、ドリフトを補正されるフィードバック位置データ処理と、
ネットワーク・サーバからローカルの先読みデータベースに定期的にダウンロードされる道路セグメント情報で、GPSアウテージ期間中の推測航法伝搬におけるドリフトを補正する道路セグメント一致処理と、
新しい航法fixを出力するアプリケーション・プログラミング・インタフェース(API)とを備えるアプリケーション・プログラム。
Tightly coupled GPS, dead reckoning navigation, and map matching navigation software application running as a GPS application in a host computer and connected to receive measurements from a GPS measurement platform (MP) on a wheeled vehicle A program,
Input processing to collect time, fix trigger, Doppler, and pseudo-range reports from a GPS measurement platform (MP) device mounted on a vehicle with wheels;
An offset calculation process from GPS time to host computer time, which is generated by the vehicle and aligns asynchronous data without GPS,
Position (P) based on each new position fix and GPS system time, velocity (V), calibration parameters for wheel radius and ratio (B), delta course and delta range (D), and least squares snap to time A shot estimator;
Configured for position (P), velocity (V), calibration parameters for wheel radius and ratio (B), delta course and delta range (D), and time, dead reckoning delta range, delta course, combined mode And a Kalman filter to handle propagation,
Depending on the availability of GPS solutions and wheel data calibration, continuous mode selection process operating in GPS only mode, dead reckoning alone mode, or a combination of both GPS and dead reckoning modes;
A new fix calculation process that calculates hardware pre-data and adjusts a GPS millisecond timer connected to the time offset calculation process;
A buffer process for collecting time-stamped CANbus data relating to wheel rotation ticks measured by a vehicle wheel transducer;
A L and A R calibration parameters for delta course / tick difference between the left and right wheels, and B L and B R calibration parameters for DeltaRange / tick of the left and right wheels, as well as heading the total delta course known Dead reckoning calibration Kalman filter that processes the course offset calibration parameter that translates to the reference,
Dead reckoning data processing including dead reckoning error model, converting the data from the buffer processing into delta range, delta course, and delta course total information for later processing by the Kalman filter;
Feedback position data processing in which drift is corrected each time the GPS and dead reckoning mixed position exceeds a predetermined value,
Road segment matching process for correcting drift in dead reckoning propagation during GPS outage with road segment information periodically downloaded from a network server to a local look-ahead database;
An application program comprising an application programming interface (API) that outputs a new navigation fix.
GPS受信機単独、DRコンピュータ単独、ならびに前記GPS受信機および前記DRコンピュータの両方を含む複合モードを含んだ3つのモードのうちの1つで動作するモード選択プログラムをさらに含み、
前記GPS受信機単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能である、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルがある、および、2基を超える衛星ビークルが追跡されている場合に生じ、
前記DRコンピュータ単独モードにおける動作は、GPS fixが利用可能ではない、または、2基以下の衛星ビークルが追跡されている、および、キャリブレーションが利用可能である場合に生じ、
前記複合モードにおける動作は、検査から、2基以下の衛星ビークルが追跡されている、または、十分に一貫して利用可能な衛星ビークルがない、および、キャリブレーションが利用可能であり、確認された場合に生じ、
新しい航法fixは、前記APIを通じてその後出力される請求項9記載の密結合GPSおよび推測航法ソフトウェア・アプリケーション・プログラム。
A mode selection program that operates in one of three modes, including a GPS receiver alone, a DR computer alone, and a combined mode that includes both the GPS receiver and the DR computer;
Operation in the GPS receiver single mode occurs when a GPS fix is available, there is a satellite vehicle that is available sufficiently consistently, and more than two satellite vehicles are being tracked,
Operation in the DR computer single mode occurs when GPS fix is not available, or when two or fewer satellite vehicles are being tracked and calibration is available,
Operation in the combined mode has been verified from inspection that no more than two satellite vehicles are being tracked, or that there are no satellite vehicles available consistently, and that calibration is available. Occurs when
10. The tightly coupled GPS and dead reckoning software application program of claim 9, wherein a new navigation fix is subsequently output through the API.
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