一种车载航位推算系统的制作方法
专利名称:一种车载航位推算系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种车载航位推算系统，包括主控芯片、用于测量加速度的加速度计、用于检测角速度的陀螺仪以及里程仪；所述陀螺仪通过I2C总线与主控芯片通信；所述加速度计通过I2C总线与主控芯片通信，所述主控芯片通过CAN总线连接OBD接口，再通过OBD接口连接里程仪，其中主控芯片由CAN总线、OBD接口通过里程仪获取车辆速度。本实用新型的航位推算系统具有短时间定位精度高的特点，同时制定校正规则，在GNSS或者RSU定位准确时，对车载航位推算系统进行校正，弥补了车载航位推算系统的缺陷。
【专利说明】
-种车载航位推算系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及航位推算的研究领域，特别设及一种车载航位推算系统。
【背景技术】
[0002] 车载航位推算系统属于惯性导航系统（Inedial化Vigation SystemJNS)，测量 车辆加速度和角速度，然后利用车载计算系统估算车辆位置的辅助导航系统，是一种自主 式导航系统。车载航位推算系统具有传统惯性导航的优点，不依赖于外部定位基站或卫星， 受外界干扰的影响比较小;可全天候地工作，环境适应能力强等，但是车载航位推算也有其 自身的缺点：
[0003] 1、导航信息是通过积分而得出的，故定位误差随时间的推移而增大，系统需要及 时的重置或对准，一点工作时间过长，其精度下降严重；
[0004] 2、在每次工作时，系统均需要初始化，在使用过程中也需要频繁的校正；
[0005] 3、高精度的电子元件价格昂贵。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种车载航位推算 系统，。
[0007] 为了达到上述目的，本实用新型采用W下技术方案：
[000引本实用新型的一种车载航位推算系统，包括主控忍片、用于测量加速度的加速度 计、用于检测角速度的巧螺仪W及里程仪;所述巧螺仪通过I2C总线与主控忍片通信;所述 加速度计通过I2C总线与主控忍片通信，所述主控忍片通过CAN总线连接OBD接口，再通过 0抓接口连接里程仪，其中主控忍片由CAN总线、0抓接口通过里程仪获取车辆速度。
[0009] 作为优选的技术方案，所述主控忍片选用STM32F103ZET7忍片。
[0010] 作为优选的技术方案，所述加速度计为=轴加速度计。
[0011] 作为优选的技术方案，所述=轴加速度计选用ADXL345加速度忍片。
[001^ 作为优选的技术方案，所述AD)(L345加速度忍片采用3mmX5mmXlmm 14引脚的小 型塑料封装。
[0013] 作为优选的技术方案，所述巧螺仪选用MPU3050S轴巧螺仪忍片。
[0014] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0015] 1、本实用新型的航位推算系统具有短时间定位精度高的特点，同时制定校正规 贝IJ，在GNSS或者RSU定位准确时，对车载航位推算系统进行校正，弥补了DR系统的缺陷。
[0016] 2、本实用新型的航位推算系统因为有了频繁且可靠地校正，系统可W采用价格相 对便宜的元件设计车载航位推算系统，降低系统总体成本，提高市场竞争力。
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型航位推算系统的结构方框图；
[001引图2是O抓接口的结构示意图；
[0019] 图3是ADXL345的巧电路连接图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0021 ]实施例
[0022] 如图1所示，本实施例的车载航位推算系统，包括主控忍片、用于测量加速度的加 速度计、用于检测角速度的巧螺仪W及里程仪;所述巧螺仪通过I2C总线与主控忍片通信； 所述加速度计通过I2C总线与主控忍片通信，所述主控忍片通过CAN总线连接om)接口，再通 过0抓接口连接里程仪，其中主控忍片由CAN总线、0抓接口通过里程仪获取车辆速度。
[0023] 所述主控忍片选用STM32F103ZET7忍片，主控忍片STM32F103ZET7是基于ARM Codex-M3内核，具有低功耗、高性能和低成本的特点，时钟频率为72MHz，具有512K闪存存 储，采用LQFP封装，在-40°C~105°C的环境下可W正常工作，是STM32 "增强型"系列忍片。
[0024] 如图2所示，本实施例的车载航位推算系统利用OBD接口采集车辆速度，采用CAN总 线连接，0抓接口与针脚定义如下表1所示：
[0025] 表 1 「00261
[0027]~车载组合定位系统通过CAN总线、0抓接口采集车载里程表数据，下面W读取实时 车速为例(M0DE1)，其通信协议如下：
[002引发送格式:CAN的 ID PCI MODE PID
[0029] 标准:7DF Ol Ol Od 00 00 00 00 00
[0030] 扩展：18DB33F101 Ol Od 00 00 00 00 00
[0031] 数据域:PCI+M0DE+PID
[0032] 其中，PCI表示协议控制信息的字节数量? Ol--Model:请求动力系当前数据； PIDOD-车速
[0033] 加速度计通过测量车辆机动时的加速度，然后通过牛顿惯性定律或者积分求出速 度。加速度计与里程仪的差别在于，在工作时可W有效避免受到外界道路情况、车辆本身等 因素的干扰。本实施例使用ADXL345加速度忍片测量车辆的速度，采用SmmX SmmXlmm 14引 脚的小型塑料封装，具有体积小、功耗低的特点。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到 1.0°的倾斜角度变化。ADXL345符合《UM10204I2C总线规范和用户手册》03版。当AD化345处 于I2C模式，只需要简单2线式连接，支持标准（IOOkHz)和快速（400kHz)数据传输模式， AD化345的I2C电路连接如图3所示。由于需要将加速度积分求速度，如果加速度计的零偏值 补偿的不好，随着时间的推移，速度误差就会越来越大。
[0034] ADXL345偏移校准：加速度计为机械结构，包含可W自由移动的元件。运些运动部 件对机械应力非常灵敏，程度远远超过固态电子产品。因此，要将AD化345安装在PCB板固定 点附近，减少干扰。Og偏置或偏移为重要加速度计指标，因为它定义了用于测量加速度的基 线。在系统安装后，需要对ADXL345进行校准，校准流程如下：
[00对 a、获取当前的X、Y、Zミ轴的原始偏移量。将安装AD化345的器件置于水平状态，Z轴 在Ig重力场，X轴、Y轴在Og重力场。取的一系列的样本值（IOOHz)计算得到x日g、y日g、z+lg，X轴、 Y轴的实际加速度值计算如公式（1)
[0036]
( 1)
[0037] b、计算出Z轴在Og状态下的原始偏移量，Sz为Z轴的理想灵敏度，Z轴的实际加速度 值计算如公式(2)
[00 測
（2)
[0039] C、计算出写入寄存器的偏移值。ADXL345对应X、Y、Z轴的偏移寄存器地址分别为 OxlE,OxlF,0x20，AD化345可W自动补偿输出。偏移值的计算公式如下：
[0040]
(3)
[OOW 其中，細㈱嗯)为四舍五入函数，Sx、Sy、Sz对应轴上的灵敏度典型值(如25化SB/g)
[0042] d、将X日FFSET、Yoffset、Zoffset的补码写入对应的偏移寄存器，完成偏移校准。
[0043] 本实施例中，角速率巧螺仪输出与车辆角速率相关的信息，将角速率信号积分可 W得到车辆的相对转角。本文选择Invensense公司的MPU3050S轴巧螺仪忍片作为组合定 位系统的角速率分量测量器件。
[0044] MPU3050具有W下特点：
[0045] 今量程可 W根据路况自行设置（±250°/sec、500°/sec、±1000°/sec和2000°/ sec)；
[0046] 今传感器具备1000 Og的耐震容忍度；
[0047] 今DMP连同内建的FIFO,不仅能减轻主机应用程序处理器的高频运动演算，也能减 少中断次数与主机每秒运算指令数，进而可W改善整体系统效能；
[004引今采用4mm X 4mm X 0.9mm塑料QFN封装，体积小。
[0049]事实上，MPU3050不是针对车载导航而设计的，而是面向智能手机的运动应用设计 的，但是由于其内建数字运动处理器(Digital Motion Processor,DMP)和小尺寸、低成本 等特点，逐渐被车载定位行业所认可和使用。本系统将使用I2C总线与MPU3050相连接，获取 X、Y、Z轴的角速率。
[0050] 航位推算系统需要给定位置初始值和航向初始值，但是在某些特殊的场合，如城 市中屯、、地下停车场，初始值不容易获得或者获得的初始值可靠性不高，DR系统具有误差累 积特性，长时间独立工作将影响系统定位精度，需要不断地给DR子系统重新装定(重置)可 靠的位置和航向，对DR子系统进行校正。
[0051] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种车载航位推算系统，其特征在于，包括主控芯片、用于测量加速度的加速度计、 用于检测角速度的陀螺仪以及里程仪;所述陀螺仪通过I 2c总线与主控芯片通信;所述加速 度计通过I2c总线与主控芯片通信，所述主控芯片通过CAN总线连接OBD接口，再通过OBD接 口连接里程仪，其中主控芯片由CAN总线、OBD接口通过里程仪获取车辆速度。2. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述主控芯片选用 STM32F103ZET7 芯片。3. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述加速度计为三轴加速度 计。4. 根据权利要求3所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述三轴加速度计选用 ADXL345加速度芯片。5. 根据权利要求4所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述AD)(L345加速度芯片采 用3mmX5mmXlmm 14引脚的小型塑料封装。6. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述陀螺仪选用MPU3050三 轴陀螺仪芯片。
【文档编号】G01C21/16GK205719000SQ201620308533
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】刘建圻, 闫荷花, 张严林, 邹才凤
【申请人】广东机电职业技术学院
【专利摘要】本实用新型公开了一种车载航位推算系统，包括主控芯片、用于测量加速度的加速度计、用于检测角速度的陀螺仪以及里程仪；所述陀螺仪通过I2C总线与主控芯片通信；所述加速度计通过I2C总线与主控芯片通信，所述主控芯片通过CAN总线连接OBD接口，再通过OBD接口连接里程仪，其中主控芯片由CAN总线、OBD接口通过里程仪获取车辆速度。本实用新型的航位推算系统具有短时间定位精度高的特点，同时制定校正规则，在GNSS或者RSU定位准确时，对车载航位推算系统进行校正，弥补了车载航位推算系统的缺陷。
【专利说明】
-种车载航位推算系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及航位推算的研究领域，特别设及一种车载航位推算系统。
【背景技术】
[0002] 车载航位推算系统属于惯性导航系统（Inedial化Vigation SystemJNS)，测量 车辆加速度和角速度，然后利用车载计算系统估算车辆位置的辅助导航系统，是一种自主 式导航系统。车载航位推算系统具有传统惯性导航的优点，不依赖于外部定位基站或卫星， 受外界干扰的影响比较小;可全天候地工作，环境适应能力强等，但是车载航位推算也有其 自身的缺点：
[0003] 1、导航信息是通过积分而得出的，故定位误差随时间的推移而增大，系统需要及 时的重置或对准，一点工作时间过长，其精度下降严重；
[0004] 2、在每次工作时，系统均需要初始化，在使用过程中也需要频繁的校正；
[0005] 3、高精度的电子元件价格昂贵。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种车载航位推算 系统，。
[0007] 为了达到上述目的，本实用新型采用W下技术方案：
[000引本实用新型的一种车载航位推算系统，包括主控忍片、用于测量加速度的加速度 计、用于检测角速度的巧螺仪W及里程仪;所述巧螺仪通过I2C总线与主控忍片通信;所述 加速度计通过I2C总线与主控忍片通信，所述主控忍片通过CAN总线连接OBD接口，再通过 0抓接口连接里程仪，其中主控忍片由CAN总线、0抓接口通过里程仪获取车辆速度。
[0009] 作为优选的技术方案，所述主控忍片选用STM32F103ZET7忍片。
[0010] 作为优选的技术方案，所述加速度计为=轴加速度计。
[0011] 作为优选的技术方案，所述=轴加速度计选用ADXL345加速度忍片。
[001^ 作为优选的技术方案，所述AD)(L345加速度忍片采用3mmX5mmXlmm 14引脚的小 型塑料封装。
[0013] 作为优选的技术方案，所述巧螺仪选用MPU3050S轴巧螺仪忍片。
[0014] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0015] 1、本实用新型的航位推算系统具有短时间定位精度高的特点，同时制定校正规 贝IJ，在GNSS或者RSU定位准确时，对车载航位推算系统进行校正，弥补了DR系统的缺陷。
[0016] 2、本实用新型的航位推算系统因为有了频繁且可靠地校正，系统可W采用价格相 对便宜的元件设计车载航位推算系统，降低系统总体成本，提高市场竞争力。
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型航位推算系统的结构方框图；
[001引图2是O抓接口的结构示意图；
[0019] 图3是ADXL345的巧电路连接图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0021 ]实施例
[0022] 如图1所示，本实施例的车载航位推算系统，包括主控忍片、用于测量加速度的加 速度计、用于检测角速度的巧螺仪W及里程仪;所述巧螺仪通过I2C总线与主控忍片通信； 所述加速度计通过I2C总线与主控忍片通信，所述主控忍片通过CAN总线连接om)接口，再通 过0抓接口连接里程仪，其中主控忍片由CAN总线、0抓接口通过里程仪获取车辆速度。
[0023] 所述主控忍片选用STM32F103ZET7忍片，主控忍片STM32F103ZET7是基于ARM Codex-M3内核，具有低功耗、高性能和低成本的特点，时钟频率为72MHz，具有512K闪存存 储，采用LQFP封装，在-40°C~105°C的环境下可W正常工作，是STM32 "增强型"系列忍片。
[0024] 如图2所示，本实施例的车载航位推算系统利用OBD接口采集车辆速度，采用CAN总 线连接，0抓接口与针脚定义如下表1所示：
[0025] 表 1 「00261
[0027]~车载组合定位系统通过CAN总线、0抓接口采集车载里程表数据，下面W读取实时 车速为例(M0DE1)，其通信协议如下：
[002引发送格式:CAN的 ID PCI MODE PID
[0029] 标准:7DF Ol Ol Od 00 00 00 00 00
[0030] 扩展：18DB33F101 Ol Od 00 00 00 00 00
[0031] 数据域:PCI+M0DE+PID
[0032] 其中，PCI表示协议控制信息的字节数量? Ol--Model:请求动力系当前数据； PIDOD-车速
[0033] 加速度计通过测量车辆机动时的加速度，然后通过牛顿惯性定律或者积分求出速 度。加速度计与里程仪的差别在于，在工作时可W有效避免受到外界道路情况、车辆本身等 因素的干扰。本实施例使用ADXL345加速度忍片测量车辆的速度，采用SmmX SmmXlmm 14引 脚的小型塑料封装，具有体积小、功耗低的特点。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到 1.0°的倾斜角度变化。ADXL345符合《UM10204I2C总线规范和用户手册》03版。当AD化345处 于I2C模式，只需要简单2线式连接，支持标准（IOOkHz)和快速（400kHz)数据传输模式， AD化345的I2C电路连接如图3所示。由于需要将加速度积分求速度，如果加速度计的零偏值 补偿的不好，随着时间的推移，速度误差就会越来越大。
[0034] ADXL345偏移校准：加速度计为机械结构，包含可W自由移动的元件。运些运动部 件对机械应力非常灵敏，程度远远超过固态电子产品。因此，要将AD化345安装在PCB板固定 点附近，减少干扰。Og偏置或偏移为重要加速度计指标，因为它定义了用于测量加速度的基 线。在系统安装后，需要对ADXL345进行校准，校准流程如下：
[00对 a、获取当前的X、Y、Zミ轴的原始偏移量。将安装AD化345的器件置于水平状态，Z轴 在Ig重力场，X轴、Y轴在Og重力场。取的一系列的样本值（IOOHz)计算得到x日g、y日g、z+lg，X轴、 Y轴的实际加速度值计算如公式（1)
[0036]
( 1)
[0037] b、计算出Z轴在Og状态下的原始偏移量，Sz为Z轴的理想灵敏度，Z轴的实际加速度 值计算如公式(2)
[00 測
（2)
[0039] C、计算出写入寄存器的偏移值。ADXL345对应X、Y、Z轴的偏移寄存器地址分别为 OxlE,OxlF,0x20，AD化345可W自动补偿输出。偏移值的计算公式如下：
[0040]
(3)
[OOW 其中，細㈱嗯)为四舍五入函数，Sx、Sy、Sz对应轴上的灵敏度典型值(如25化SB/g)
[0042] d、将X日FFSET、Yoffset、Zoffset的补码写入对应的偏移寄存器，完成偏移校准。
[0043] 本实施例中，角速率巧螺仪输出与车辆角速率相关的信息，将角速率信号积分可 W得到车辆的相对转角。本文选择Invensense公司的MPU3050S轴巧螺仪忍片作为组合定 位系统的角速率分量测量器件。
[0044] MPU3050具有W下特点：
[0045] 今量程可 W根据路况自行设置（±250°/sec、500°/sec、±1000°/sec和2000°/ sec)；
[0046] 今传感器具备1000 Og的耐震容忍度；
[0047] 今DMP连同内建的FIFO,不仅能减轻主机应用程序处理器的高频运动演算，也能减 少中断次数与主机每秒运算指令数，进而可W改善整体系统效能；
[004引今采用4mm X 4mm X 0.9mm塑料QFN封装，体积小。
[0049]事实上，MPU3050不是针对车载导航而设计的，而是面向智能手机的运动应用设计 的，但是由于其内建数字运动处理器(Digital Motion Processor,DMP)和小尺寸、低成本 等特点，逐渐被车载定位行业所认可和使用。本系统将使用I2C总线与MPU3050相连接，获取 X、Y、Z轴的角速率。
[0050] 航位推算系统需要给定位置初始值和航向初始值，但是在某些特殊的场合，如城 市中屯、、地下停车场，初始值不容易获得或者获得的初始值可靠性不高，DR系统具有误差累 积特性，长时间独立工作将影响系统定位精度，需要不断地给DR子系统重新装定(重置)可 靠的位置和航向，对DR子系统进行校正。
[0051] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种车载航位推算系统，其特征在于，包括主控芯片、用于测量加速度的加速度计、 用于检测角速度的陀螺仪以及里程仪;所述陀螺仪通过I 2c总线与主控芯片通信;所述加速 度计通过I2c总线与主控芯片通信，所述主控芯片通过CAN总线连接OBD接口，再通过OBD接 口连接里程仪，其中主控芯片由CAN总线、OBD接口通过里程仪获取车辆速度。2. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述主控芯片选用 STM32F103ZET7 芯片。3. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述加速度计为三轴加速度 计。4. 根据权利要求3所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述三轴加速度计选用 ADXL345加速度芯片。5. 根据权利要求4所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述AD)(L345加速度芯片采 用3mmX5mmXlmm 14引脚的小型塑料封装。6. 根据权利要求1所述的车载航位推算系统，其特征在于，所述陀螺仪选用MPU3050三 轴陀螺仪芯片。
【文档编号】G01C21/16GK205719000SQ201620308533
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】刘建圻, 闫荷花, 张严林, 邹才凤
【申请人】广东机电职业技术学院
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