CN103411605A

CN103411605A - 一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN103411605A
Application number: CN2013103280052A
Authority: CN
Inventors: 任勇; 傅雪骄; 何伟; 赵强
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: CN103411605B

Abstract

本发明公开了一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置及测量方法，测量装置包括：卫星定位模块，磁阻传感器，倾角传感器，CAN总线接口，微控制器和外部输入输出接口；卫星定位模块、磁阻传感器和倾角传感器的输出与微控制器的输入连接，微控制器通过CAN总线接口与整车CAN总线双向连接，微控制器通过外部输入输出接口与外部设备双向连接。本发明具有无定位盲区，且开发设计成本低，维护成本低的有益效果。

Description

一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置及测量方法，主要针对现有定位导航模块因卫星信号衰落或丢失而导致定位失效的问题，以及因陀螺仪成本高，并存在积累误差的问题，基于分立传感器进行运动姿态解算，并利用解算得到的航偏角度修正和补偿当前定位数据以达到无定位盲区的一种定位导航和行车姿态测量装置及测量方法，属于汽车电子车载定位监控和导航系统开发领域技术领域。

背景技术

当今的汽车车载定位监控和导航系统，其核心部件通常包括：定位模块（采用GPS模块或北斗定位模块）、数据通信模块（采用GPRS或3G）和数据处理模块及系统平台。并且，目前几乎所有的车载定位监控和导航系统中，定位模块是必不可少的。定位模块是位置数据最基本来源。

但是，现有技术中，无论是采用GPS模块或是北斗定位导航模块在卫星信号衰落很大或是无法接收到卫星信号时，都将无法实现定位导航的功能；当接收卫星数量较少时，还会导致定位数据不准确，存在随机偏差等问题，也即是现有技术中无论是采用GPS模块或是北斗定位导航模块的定位导航系统均存在定位盲区的问题。

随着陀螺仪的广泛应用，为了解决现有定位导航系统存在定位盲区的问题，各种基于陀螺仪惯性导航，或者GPS/北斗与陀螺仪组合导航的车载定位监控和导航系统相继出现，但是，现有技术中，上述方案由于以下原因造成系统实现成本较高，实现难度大：1）需要采用成本较高，并且本身存在积累误差问题的陀螺仪；2）需要配备独立速度传感器进行速度测量；3）需要采用昂贵的DSP进行组合导航复杂数据处理及消除陀螺仪导航带来的积累误差等限制。然而，在成本要求敏感，且要求设计难度和维护难度低的车载定位监控系统市场来说，现有技术中的上述方案无法真正的实现大批量应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明解决的技术问题是：怎样提供一种无定位盲区，且开发设计成本低，维护成本低的车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置，其特征在于，它包括：

微控制器；卫星定位模块，用于实现卫星信号的接收和标准位置定位数据的输出；

磁阻传感器，用于获取车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数：Mx、My和Mz；

倾角传感器，用于获取车辆当前三轴加速度分量参数：Ax、Ay和Az；

CAN总线接口；微控制器和外部输入输出接口；

所述微控制器包括：

卫星定位模块数据接收与解析单元，用于通过数据通信接口访问卫星定位模块（1），获取标准位置定位数据，并从接收到的标准位置定位数据中分解出车辆当前位置信息、当前定位状态、当前车辆速度参数V₁和当前时刻，所述车辆当前位置信息包括经度、纬度和航向；

姿态解算单元，用于采集磁阻传感器（2）的输出数据，采集倾角传感器（3）的输出数据；对采集得到磁阻传感器输出数据和倾角传感器输出数据进行姿态解算，解算得出车辆当前的运动姿态，得到车辆行驶方向与正北方向的夹角θ₁和运动姿态角，所述运动姿态角包含俯仰角p，侧倾角r和航偏角h；

CAN数据通信单元，用于通过CAN总线接口（4）对CAN总线数据进行采集与解析，从整车CAN网络报文中解析得到的当前车辆速度参数V₃，对整车CAN网络CAN报文进行接收和转存，以及将位置信息和姿态参数通过CAN总线接口（4）发送给整车CAN总线；

速度筛选单元，用于对卫星定位模块数据接收与解析单元提供的当前车辆速度V₁、通过外部输入输出接口（6）从外部设备获取的外部参考的当前车辆速度参数V₂和CAN数据通信单元从整车CAN网络报文中解析得到的当前车辆速度参数V₃进行速度筛选计算得到车辆当前状态的最可信速度值V_O；

速度分解单元，用于根据车辆行驶方向夹角θ₁对最可信速度值V_O进行速度分解获得车辆当前状态的最可信速度值V_O在经度和纬度方向上的运动速度分量

Figure 2013103280052100002DEST_PATH_IMAGE001

和

；

速度~经纬度迭代计算单元，以卫星定位模块数据接收与解析单元提供的车辆当前位置信息作为车辆初始位置参考，对最可信速度值V_O在经度和纬度方向上的运动速度分量

和

进行速度~经纬度迭代计算得到车辆在经度和纬度方向上的位移分量

Figure 2013103280052100002DEST_PATH_IMAGE003

和

；

位置修正与重组单元，车辆在经度和纬度方向上的位移分量和

进行位置修正处理，获得最终的车辆位置定位信息，再将最终的车辆位置定位信息重组并通过外部输入输出接口（6）发送给外部设备。

一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

1）从卫星定位模块（1）读取得到车辆当前位置信息，当前定位状态，当前车辆速度参数V₁和当前时刻，所述车辆当前位置信息包括经度、纬度和航向；

获取外部设备提供的外部参考的当前车辆速度参数V₂；

从整车CAN网络报文中解析到当前车辆速度参数V₃；

2）通过速度筛选算法，综合上述三种车辆速度参数：V₁，V₂和V₃，并计算得出一个车辆当前状态的最可信速度值V_O；

3）通过磁阻传感器（2）获取车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数：Mx、My和Mz；通过倾角传感器（3）获取车辆当前三轴加速度分量参数：Ax、Ay和Az；

4）利用车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数和车辆当前三轴加速度分量参数，通过姿态解算算法解算出车辆当前的运动姿态，得到车辆行驶方向与正北方向的夹角θ₁和运动姿态角，所述运动姿态角包含俯仰角p，侧倾角r和航偏角h；

通过外部输入输出接口（6）和CAN总线接口（4）将运动姿态分别发送给外部设备和整车CAN总线；

5）根据步骤4）中得到的车辆行驶方向夹角θ₁，通过速度分解算法对步骤2）中得到的车辆当前状态的最可信速度值V_O进行分解，获得车辆当前状态的最可信速度值V_O在经度和纬度方向上的运动速度分量

和

；

6）根据步骤5）得到的运动速度分量

和，并以步骤1）得到的车辆当前位置信息作为车辆初始位置参考，通过速度~经纬度迭代算法得到车辆在经度和纬度方向上的位移分量

和

；

7）对步骤6）得到的车辆在经度和纬度方向上的位移分量

和

其中，所述的步骤7）中的位置修正处理过程如下：将步骤1）中得到的车辆当前位置信息作为初始位置参考，并结合步骤1）中得到当前定位状态，通过位置修正算法对步骤6）中得到的车辆在经度和纬度方向上的位移分量

和

进行位置修正，获得最终的车辆位置定位信息，并将所述最终的车辆位置定位信息作为下一个处理周期位置修正算法的初始位置参考。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明，采用分立的磁阻传感器和倾角传感器，分别获取车辆当前三轴加速度分量参数和车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数，并对二者进行姿态解算得到车辆行驶方向夹角，然后根据车辆行驶方向夹角采用速度分解算法对通过速度筛选算法得到的车辆当前状态的最可信速度值V_O进行速度分解得到V_O在经度和纬度方向上的运动速度分量，最后根据此运动速度分量（以卫星定位模块采集到的车辆当前位置信息作为车辆初始位置参考），通过速度~经纬度迭代算法得到车辆在经度和纬度方向上的位移分量，并进行修正处理后得到最终的车辆位置定位信息。

综上所述，由于本发明基于分立传感器进行运动姿态解算，并可以基于多参数综合处理，有效的修正和补充当前盲区定位数据，因此，本发明弥补了现有定位模块盲区无法定位和陀螺仪惯性导航成本高且存在积累误差的缺点，本发明具有定位可靠性高，可实现全天候实时定位，开发设计成本低，维护成本低的有益效果；同时本发明还提供车辆行车姿态测量，并支持通过CAN总线为整车提供运动姿态信息，并提供整车CAN报文接收，解析和转存功能。

附图说明

图1为本发明定位导航和行车姿态测量装置结构示意图。

图2为本发明定位导航和行车姿态测量方法示意图。

图3为本发明定位导航和行车姿态测量方法软件实现流程图。

图4为本发明速度筛选算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1，一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量装置，它包括：

卫星定位模块1，用于实现卫星信号的接收和标准位置定位数据的输出；

磁阻传感器2，用于获取车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数：Mx、My和Mz；

倾角传感器3，用于获取车辆当前三轴加速度分量参数：Ax、Ay和Az；

CAN总线接口4，支持本模块通过ISO11898标准物理接口接入整车CAN网络，实现通过CAN接口进行车辆通信报文接收和姿态、位置信息发送。

微控制器5的主要功能如下：通过其数据通信接口访问卫星定位模块1，获取位置信息，并从接收到的位置信息中分解出位置经纬度及速度、航向等位置修正重要参数；对磁阻传感器2数据采集，倾角传感器3数据采集，并通过采集到的传感器参数进行算法运算，解算出当前模块姿态，即为车辆当前姿态；实现CAN总线数据采集与解析，支持基于J1939协议解析CAN数据报文，同时，实现对CAN报文的接收和转存，及位置信息、姿态参数发送功能；并且实现基于通过卫星定位模块1位置、速度、航向参数，通过传感器获得的姿态参数，通过外部输入获得的速度参数进行算法修正计算，得到最佳的当前位置参数估计值，并利用该最佳位置参数估计值对位置信息进行重组，再按照标准格式和发送周期向外设发送出去。

外部输入输出接口6，支持本装置与外部设备进行数据交互，实现接收外部设备请求和控制数据，并进行应答和将修正后的位置信息及接收到的CAN报文发送给接收设备。

本装置各组成模块之间的连接关系如下：

卫星定位模块1、磁阻传感器2和倾角传感器3的输出与微控制器5的输入连接，微控制器5通过CAN总线接口4与整车CAN总线双向连接，微控制器5通过外部输入输出接口6与外部设备双向连接，外部设备为定位监控终端或导航仪。

其中，ISO11898为：道路车辆控制器局域网国际标准；CAN为控制器局域网； J1939为：美国汽车工程协会（SAE）的推荐基于CAN2.0A/B的应用层标准；

一种车载无盲区定位导航和行车姿态测量方法，如图2所示，该方法包含下列步骤：

1）微控制器5通过其内部的数据通信接口从卫星定位模块1读取得到车辆当前位置信息，当前定位状态，当前车辆速度参数V₁和当前时刻，所述车辆当前位置信息包括经度、纬度和航向；

微控制器5通过外部输入输出接口6获取外部设备提供的外部参考的当前车辆速度参数V₂；

微控制器5通过CAN总线从整车CAN网络报文中解析到当前车辆速度参数V₃；

2）微控制器5通过速度筛选算法，综合上述三种车辆速度参数：V₁，V₂和V₃，并计算得出一个车辆当前状态的最可信速度值V_O；

其中，所述速度筛选算法的具体步骤如图4所示，主要包括合理性判断算法和基于权重的滤波算法；

合理性判断算法用于对V1，V2，V3进行合理性判断，判断算法具体步骤为：

①根据速度限制，去掉不合理速度；

②V1－V2，V1－V3和V2－V3这三个差值间的差距判断，并且去掉不合理项；

③V1－V2，V1－V3和V2－V3这三个差值进行多次均值滤波处理，去除不合理项。

④V1，V2和V3的优先权重为：V3置信最高，其次V2，再次V1，根据置信判断，得出最可信速度组合。

基于权重的滤波算法，用于对合理性判断算法得出的最可信速度组合进行查表运算最终的出车辆当前状态的最可信速度值V_O，具体查表形式如下：

编号	最可信速度组合	最可信速度值V_O
			MOD1	V1，V2，V3都有效	（20%*V1+40%V2+40%V3）整体与上次速度按照各50%进行合成
MOD2	V1无效，V2，V3有效	50%V2+50%V3；整体与上次速度按照各50%进行合成
			MOD3	V2无效，V1，V3有效	30%*V1+70%V3；整体与上次速度按照各50%进行合成
MOD4	V3无效，V1，V2有效	30%*V1+70%V2；整体与上次速度按照各50%进行合成
			MOD5	V1有效，V2，V3无效	V1取10次采样值求平均；整体与上次速度按照各50%进行合成
MOD6	V2有效，V1，V3无效	V2取10次采样值求平均；整体与上次速度按照各50%进行合成
			MOD7	V3有效，V1，V2无效	V3取10次采样值求平均；整体与上次速度按照各50%进行合成
MOD8	V1，V2，V3都无效	保持上次有效最优速度

3）微控制器5通过磁阻传感器2获取车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数：Mx、My和Mz；微控制器5通过倾角传感器3获取车辆当前三轴加速度分量参数：Ax、Ay和Az；

4）微控制器5利用车辆当前所处位置的三轴磁场分量参数和车辆当前三轴加速度分量参数，通过姿态解算算法解算出车辆当前的运动姿态，得到车辆行驶方向与正北方向的夹角θ₁和运动姿态角，所述运动姿态角包含俯仰角p，侧倾角r和航偏角h；

微控制器5通过外部输入输出接口6和CAN总线接口4可以将运动姿态分别发送给外部设备和整车CAN总线；

5）微控制器5根据步骤4）中得到的车辆行驶方向夹角θ₁，通过速度分解算法对步骤2）中得到的车辆当前状态的最可信速度值V_O进行分解，获得车辆当前状态的最可信速度值V_O在经度和纬度方向上的运动速度分量和

；

6）微控制器5根据步骤5）得到的运动速度分量和

，并以步骤1）得到的车辆当前位置信息作为车辆初始位置参考，通过速度~经纬度迭代算法得到车辆在经度和纬度方向上的位移分量

和

；

7）微控制器5对步骤6）得到的车辆在经度和纬度方向上的位移分量和

进行位置修正处理，获得最终的车辆位置定位信息，再将最终的车辆位置定位信息重组并通过外部输入输出接口6发送给外部设备；最终的车辆位置定位信息包括经度、纬度和航向。

和进行位置修正，获得最终的车辆位置定位信息，并将所述最终的车辆位置定位信息作为下一个处理周期位置修正算法的初始位置参考。

如图3所示，本发明可采用以下软件流程：

主程序具体步骤如下：

步骤S01，进行基础运行环境建立，读取初始硬件配置参数；

步骤S02，微控制器5进行系统初始化，进行基础软件运行配置；

步骤S03，对系统各模块进行初始化配置，初始化卫星定位模块1通信接口，初始化磁阻传感器2，初始化倾角传感器3，初始化CAN总线接口4；

步骤S04，进行系统自检，对系统供电及对S02执行后初始化结果进行检测；若存在故障，则存储故障代码，并在执行步骤S12时将故障信息通过应答数据帧发出；

步骤S05，进行初始化参数载入，包括上次故障代码载入和初始定位位置信息，包括经、纬度，速度，航向等信息载入到参数表备用；

步骤S06，进入系统任务调度主循环，本循环中将基于周期定时中断步骤SINT1实现步骤S07~S12中6个任务协调运行；

步骤S07，本任务为每1ms运行一次，主要完成系统任务运行管理，置位步骤S08~S12中5个任务的运行标志；

步骤S08，本任务为每10ms运行一次，主要完成磁阻传感器2和倾角传感器3参数采集与存储；为步骤S09提供解算参数；

步骤S09，本任务为每20ms运行一次，主要完成2个子任务，子任务1通过步骤S08采集到的实时传感器参数进行姿态解算，获得模块和装备本模块的系统的运动姿态角度信息，为步骤S10中速度分解提供计算参数，子任务2完成对中断步骤SINT4中接收到CAN报文解析和参数存储，为步骤S10中速度筛选提供计算参数；

步骤S10，本任务为每100ms运行一次，主要完成2个子任务，子任务1通过步骤S09获得速度数据、SINT5外部传入速度数据、S12获得卫星定位模块1提供速度数据（若为未定位状态，采用步骤S05中载入的初始参数替代）利用筛选算法进行速度筛选，得到系统目标速度，子任务2通过步骤S09解算出的运动姿态信息和子任务1中计算出的目标速度进行基于正北和正东方向的速度分解；

步骤S11，本任务为每200ms运行一次，主要完成2个子任务，子任务1通过步骤S10计算得到的速度分解值和步骤S12得到的时间参数，由经纬度迭代算法计算得到经、纬度运动位移；任务2通过步骤S12得到的位置参数和子任务1计算出的经、纬度运动位移利用位置修正算法进行运动位置修正，得到目标系统实际经、纬度信息；

步骤S12，本任务为每1000ms运行一次，主要完成3个子任务，子任务1将中断步骤SINT3接收到的卫星定位模块1位置信息进行解析，获得位置定位信息（包括经纬度、速度、航向等信息），为步骤S10~S11提供计算参数，子任务2将步骤S509~ S511中计算得到的目标实际位置、速度及航向信息进行位置定位信息重组；子任务3应答SINT5外部系统控制和请求参数，将将包括重组后的位置信息、CAN总线报文及故障代码等信息按照请求进行发送；

步骤S13，故障跳出主循环错误处理，将模块因意外故障导致跳出主循环任务处理流程的情况进行错误处理，故障代码存储；

步骤514，系统复位，接收到外部复位请求或故障导致复位，进入SINT1复位本模块；

中断处理具体如下：

步骤SINT1，接收复位请求，进行系统复位；

步骤SINT2，进行周期定时，实现步骤S507~S512中6个任务调度时间基准；

步骤SINT3，中断处理，接收卫星定位模块位置信息参数；

步骤SINT4，中断处理，接收CAN报文信息；

步骤SINT5，中断处理，接收外部请求和控制数据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。