CN101493335A - Gps/dr组合导航方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种GPS/DR组合导航方法及装置，通过数据采集MCU采集GPS数据，按照NMEA 0183协议将GPS数据进行解析；同时对加速度传感器和陀螺仪的数据进行采样，传送给导航主控CPU；导航主控CPU存储GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制；导航主控CPU根据GPS的信号强度选择具体的定位机制；根据GPS接收***提供的位置和速度信息对DR***的误差进行实时的校正和补偿，克服了GPS定位方法经常由于信号遮挡不能正常定位的缺欠，也解决了DR定位技术中由于方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用的问题。

Description

GPS/DR组合导航方法及装置
技术领域
本发明涉及一种GPS/DR组合导航方法，本发明还公开了及装置，属于机动车辆定位指示技术领域。
背景技术：
随着汽车销量的上升，人们出行频率的增加，对GPS车载导航***的需求日益增强。目前GPS水平定位精度已经达到3～5m，完全满足车辆定位精度的要求。但是，由于在城市高建筑群中或穿过立交桥时，常常会出现GPS信号遮挡问题，导致GPS不能正常定位。
车载定位定向导航***是指装载在轮式及履带式车辆上，能自主地为车辆提供方位基准和位置信息的一种装置。航位推算(简称：DR)是常用的车辆定位技术，但方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GPS/DR组合导航方法，克服了GPS定位方法经常由于信号遮挡不能正常定位的缺欠，也解决了DR定位技术中由于方向传感器随时间积累误差较大，不能单独、长时间地使用的问题。
本发明还提供了适用于上述导航方法的联合导航装置，利用GPS***提供的位置和速度信息对DR***的误差进行实时的校正和补偿。
本发明GPS/DR组合导航方法的解决方案如下：
通过数据采集MCU的UART接口采集GPS接收机的数据，并按照NMEA0183协议将GPS数据进行解析；数据采集MCU的SPI对加速度传感器和陀螺仪的数据进行采样，并按照固定格式对DR数据进行压缩；GPS数据和DR数据采样完成后，数据采集MCU通过UART接口将GPS数据和DR数据传送给导航主控CPU；导航主控CPU存储GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制；导航主控CPU根据GPS的信号强度选择具体的定位机制：当导航主控CPU根据内部的GPS信息无法完成定位时，导航主控CPU利用陀螺仪和车速脉冲来推算车辆的瞬时相对位置和航向，采用DR航位推算定位机制实现连续自主式定位；当导航主控CPU内部的GPS信息能过完成定位时，导航主控CPU采用GPS与DR的组合定位机制实现连续自主式定位，同时利用GPS精确的定位结果辅助DR的初始化，并且定期地用它对DR的定位误差进行在线校正。
导航主控CPU部分主要完成数据滤波、微型惯性测量元件的误差补偿及初始校准、卡尔曼滤波和导航参数解算等功能。其***组成主框图如图1所示。
车辆水平转角的判断：选取陀螺仪作为水平方向的转角传感器，***以100ms每次的采样频率对陀螺仪进行采样，采集到的电压转换成该时刻的角速度，角速度与时间相乘得到角度的变化量，将角度变化量进行累加得到该时刻与基准时刻的角度变化量。
车辆位移的判断：根据车速信号推算下一点位置信息。
车辆行驶路面坡度的判断：根据加速度传感器输出信号可以推算出当前车辆的倾角。单片机对加速度传感器数据进行采样，由加速度传感器电压可以得到该时刻的加速度值，进而可知当前时刻的角度值。另外从GPS获取的车速值为车速脉冲获取的车速值在水平面上的分量，根据投影关系可以得到当前车辆在竖直面的角度，用这两种方式得到的数据可以推算出当前的路面坡度。根据角度变化可以判断车辆在多层立交桥的行驶状况。
根据本发明方法制成GPS/DR组合导航装置结构如下：
由车速脉冲、陀螺仪、加速度传感器、GPS接收***，数据采集MCU、导航主控CPU组成，陀螺仪和加速度传感器的模拟信号输出端连接到A/D转换器的采样通道，通过高精度A/D转换器将陀螺仪和加速度传感器输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器的数字信号输出端连接到数据采集MCU的SPI口，数据采集MCU对A/D转换器的数字信号进行实时采集；车速脉冲连接到数据采集MCU的脉冲捕捉IO口，数据采集MCU通过对车速脉冲的捕捉推算当前车速；温度传感器连接到数据采集MCU的I2C口采集DR***的温度，对DR***的温度补偿；GPS接收***的UART1口连接到数据采集MCU的UART1口，完成对GPS接收***信息的提取；数据采集MCU的UART口连接到导航主控CPU的UART口，导航主控CPU实时获取GPS接收***信息和DR***信息，导航主控CPU存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制。
采用加速度传感器测量行驶中汽车倾角的方法就可以帮助***区分当前路况的坡度状况，当行使在多层立交桥和多层复合车库时可以提高汽车坐标的精度。
组合导航***除了要完成大量运算处理工作外，还要实现惯性测量单元IMU(陀螺仪和加速度计)和GPS等传感器的数据采集、与外部***的通信、时序逻辑控制和人机接口等功能。
本发明的积极效果在于：将GPS/DR技术有机结合，采用了多传感器数据融合，具有接收和处理里程计信息、惯性测量单元IMU以及GPS的信息的功能。数据采集MCU采集GPS数据和DR组合导航数据，导航主控CPU完成数据的融合处理，数据采集MCU和导航主控CPU通过UART口进行通信，完成实时数据交互。GPS与DR的结合，提高了***的有效性、完整性和定位精度。实现了全方位、全天候、无遮挡、高精度定位的目的。
附图说明
图1为本发明***组成主框图；
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
实施例1
根据图1所示，GPS/DR组合导航***的工作流程可以分成以下5个主要步骤：
(1)通过GPS接收***4接收卫星的定位数据；
(2)通过陀螺仪2对车辆转角进行推算；
(3)通过加速度传感器3对路面坡度进行推算；
(4)通过车速脉冲1对车辆行驶距离进行推算；
(5)数据采集MCU5将上述信息发送给通过导航主控CPU 6，对所有数据进行筛选、滤波，推算出车辆行驶的具***置。
实施例2
根据图2所示，本发明装置由车速脉冲1、陀螺仪2(村田公司MEV50A)、加速度传感器3(KIONIX公司KXPA4)、GPS接收***4(U-BLOX公司LEA-4H)，数据采集MCU5(MC9S08AW60单片机)、导航主控CPU 6(采用瑞萨导航平台SH7770)组成，陀螺仪2和加速度传感器3的模拟信号输出端连接到A/D转换器7的采样通道，通过高精度A/D转换器7将陀螺仪2和加速度传感器3输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器7的数字信号输出端连接到数据采集MCU 5的SPI口，数据采集MCU 5对A/D转换器7的数字信号进行实时采集；车速脉冲1连接到数据采集MCU 5的脉冲捕捉IO口，数据采集MCU 5通过对车速脉冲1的捕捉推算当前车速；温度传感器8连接到数据采集MCU5的I2C口采集DR***的温度，对DR***的温度补偿；GPS接收***4的UART1口连接到数据采集MCU 5的UART1口，完成对GPS接收***4信息的提取；数据采集MCU 5的UART口连接到导航主控CPU6的UART口，导航主控CPU6实时获取GPS接收***4信息和DR***信息，导航主控CPU6存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制，导航主控CPU6根据GPS***的信号强度选择具体的定位机制，实现了全方位、全天候、无遮挡、高精度定位的目的。

Claims (2)

1、一种GPS/DR组合导航方法，其特征在于：通过数据采集MCU的UART接口采集GPS接收机的数据，并按照NMEA 0183协议将GPS数据进行解析；数据采集MCU的SPI对加速度传感器和陀螺仪的数据进行采样，并按照固定格式对DR数据进行压缩；GPS数据和DR数据采样完成后，数据采集MCU通过UART接口将GPS数据和DR数据传送给导航主控CPU；导航主控CPU存储GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制；导航主控CPU根据GPS的信号强度选择具体的定位机制：
当导航主控CPU根据内部的GPS信息无法完成定位时，导航主控CPU利用陀螺仪和车速脉冲来推算车辆的瞬时相对位置和航向，采用DR航位推算定位机制实现连续自主式定位；
当导航主控CPU内部的GPS信息能过完成定位时，导航主控CPU采用GPS与DR的组合定位机制实现连续自主式定位，同时利用GPS精确的定位结果辅助DR的初始化，并且定期地用它对DR的定位误差进行在线校正。
2、权利要求1导航方法的联合导航装置，其特征在于：由车速脉冲(1)、陀螺仪(2)、加速度传感器(3)、GPS接收***(4)，数据采集MCU(5)、导航主控CPU(6)组成，陀螺仪(2)和加速度传感器(3)的模拟信号输出端连接到A/D转换器(7)的采样通道，通过高精度A/D转换器(7)将陀螺仪(2)和加速度传感器(3)输出的模拟信号转换为12位数字信号；A/D转换器(7)的数字信号输出端连接到数据采集MCU(5)的SPI口，数据采集MCU(5)对A/D转换器(7)的数字信号进行实时采集；车速脉冲(1)连接到数据采集MCU(5)的脉冲捕捉IO口，数据采集MCU(5)通过对车速脉冲(1)的捕捉推算当前车速；温度传感器(8)连接到数据采集MCU(5)的I2C口采集DR***的温度，对DR***的温度补偿；GPS接收***(4)的UART1口连接到数据采集MCU(5)的UART1口，完成对GPS接收***(4)信息的提取；数据采集MCU(5)的UART口连接到导航主控CPU(6)的UART口，导航主控CPU(6)实时获取GPS接收***(4)信息和DR***信息，导航主控CPU(6)存储有GPS与DR的组合定位、DR航位推算两种定位机制。
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