一种车载导航车辆组合定位装置及其组合定位方法与流程

本发明涉及一种车载导航定位装置及车辆定位方法，尤其是涉及一种和gnss组合的车载导航车辆组合定位装置及其组合定位方法。

背景技术：

车辆定位系统是目前汽车智能化，网络化不可缺少的部分，目前定位采用最多有惯性导航系统(inertianavigationsystem，ins)、全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)定位、图像或激光雷达等的定位与制图(slam)等，这些导航设备都单独完成定位，但各有优缺点，精度和成本也不大相同。靠单一导航系统很难满足要求，不仅在技术上难度很大，而且在实际应用中出现不同缺陷，无法满足系统要求。一般采用组合式导航，比如ins/gnss组合、ins/gnss/车辆里程计的组合、ins/gnss/里程计/slam组合等。这些导航定位系统用于智能驾驶各个阶段。对于车辆来说，除了精度，最主要的是可靠性和成本要求。

而目前通用车载组合导航计算框图为采用ins模块50、gnss模块20及里程计60共同组合进行mcu组合导航计算模块10后得到导航定位输出40(见图3)；其中ins是惯性测量导航系统，是由三轴加速度传感器和三轴陀螺组成，一般采用低成本的mems传感器以及相应的数据信号处理电路。可以三轴加速度和角速度以及积分后的位置、速度以及姿态等参数.由于惯性传感器的零位漂移误差造成积分得到参数随时间累计误差很大。但是属于自主导航，不受天气遮挡等影响，抗干扰能力强；而gnss模块为全球导航卫星系统接受模块，通常gnss包括：gps、glonass、欧盟galileo和中国北斗卫星导航系统接收机模块以及高精度的时时载波相位差分接收机系统rtk等；gnss可以有效给出位置、速度、或航向等定位信息；但是由于这些定位信息是通过卫星信号得到，存在着容易在隧道、地下车库以及树木、房屋遮挡的场合影响下而导致丢失信号，无法有效获得定位信息缺陷。而里程计是测量车辆本身的车速装置，是由轮速处理后得到的，是由esp或abs计算得到的，在车辆can网络内传输，因而在这里里程计也属于辅助ins。组合导航计算后最后输出可以给出车辆的位置速度与姿态等信息。该系统认为目前最理想的导航模式，各系统优劣势得到一定程度上的互补。然而也还存在着系统使用成本高，可靠性会因受特定环境影响而降低定位准确可靠性。

技术实现要素：

本发明为解决现有车载组合导航系统存在着系统使用成本高，可靠性会因受特定环境影响而降低导航定位准确可靠性等现状而提供的一种可降低系统使用成本，提高定位可靠有效性，基于轮速脉冲计数器和gnss模块的车载导航车辆组合定位装置及其组合定位方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种车载导航车辆组合定位装置，包括mcu组合导航计算模块、gnss模块以及经mcu组合导航计算模块计算获得的定位输出，其特征在于：还包括车轮轮速脉冲计数器，由车轮轮速脉冲计数器和gnss模块共同组合输入至mcu组合导航计算模块。降低系统使用成本，提高定位可靠有效性，基于轮速脉冲计数器和gnss模块进行定位组合。可得到与原来ins/gnss组合同样效果，可靠性更好，减少了ins模块，有效地降低成本。

作为优选，所述的车轮轮速脉冲计数器采用安装在车辆四个车轮上测量车辆旋转一圈的脉冲个数的车轮轮速计数器。提高组合定位输出可靠稳定性及准确性。

本发明的另一个发明目的在于提供一种车载导航车辆组合定位方法，其特征在于：采用上述技术方案之一所述的组合定位装置，基于车轮轮速脉冲计数器和gnss模块组合导航计算模块计算获得的定位输出；包括如下组合定位流程

a读取车轮轮速脉冲数，获得轮速脉冲输入；也即在单位时间内读取车辆后边左右两车轮轮速脉冲数增量，表示车辆单位时间内行驶的路程，车辆前面两个车轮轮速脉冲计数器，一般作为备份使用；

b利用轮速脉冲数递推计算车辆的位置，采用计算公式为：

上述计算公式中的各符号字母含义分别为：

下标k表示当前时刻，k-1为前一时刻；

当前时刻纬度，前一时刻纬度；

lk当前时刻经度，lk-1前一时刻经度；

ψk当前时刻航向角，即与北方向夹角；ψk-1前一时刻航向角；

nlkk时刻与k-1时刻左轮轮速脉冲数增较量；

nrkk时刻与k-1时刻右轮轮速脉冲数增较量；

αl为左车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

αr为右车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

re为地球半径；

lw为车辆后边左右两车轮距离。

c在步骤b之后，判断是否读入gnss数据，以读入gnss数据作为条件，读入可靠的gnss数据；若读入gnss数据，则执行下一步骤；

d在c步骤时，若未读入gnss数据，则继续从a步骤读取车轮轮速脉冲数开始执行后续的定位流程步骤。

e在步骤c之后，获得定位输出；

f在步骤c之后，进行下一步误差计算；

g进行误差修正；

h误差修改后，继续返回a步骤重新读取车轮轮速脉冲数开始执行后续的定位流程步骤。

由于去掉了惯性导航系统(tns)，降低了数据采样及算法的复杂性，因而可有效降低了成本，也提高整体定位稳定性，避免惯性导航陀螺漂移等问题，由于减少了器件，也提高了产品可靠性；基于两个车轮的轮速脉冲计数器(一般选择车辆后边左右两个车轮的轮速脉冲计数器)与gnss组合进行定位计算。gnss模块包括：gps、glonass、欧盟galileo和中国北斗卫星导航系统接收机模块以及高精度的时时载波相位差分接收机系统rtk等。

作为优选，所述的误差计算步骤包括如下步骤

4-a系统建立步骤；

建立系统误差状态方程如下：

xk＝fk-1xk-1+wk

其中：

xk为状态变量矩阵，

为纬度误差；

δlk为经度误差；

δαlk为左车轮脉冲刻度误差，单位：米/脉冲；

δαrk为右车轮脉冲刻度误差，单位：米/脉冲；

fk-1为状态变量转移矩阵，如下：

这里：

为前一时刻纬度；

ψk为当前时刻航向角，即与北方向夹角；ψk-1前一时刻航向角；

nlk为k时刻与k-1时刻左轮轮速脉冲数增较量；

nrk为k时刻与k-1时刻右轮轮速脉冲数增较量；

αl为左车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

αr为右车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

re为地球半径；

lw为车辆后边左右两车轮距离。

wk是服从正态分布的高斯白噪声。其满足：

均值e(wk)＝0

协方差cov(wi，wj)＝qkδij

qk噪声方差矩阵

4-b建立误差计算中的量测方程：

zk＝hkxk+vk

其中：zk为观测矩阵

为gnss测得到的纬度；

lkg为gnss测得到的经度；

为当前时刻轮速计算的纬度；

lk为当前时刻轮速计算的经度；

hk为转置矩阵，

vk是gnss测得值的高斯白噪声，服从正态分布

均值：e(vk)＝0

协方差：cov(vi，vj)＝rδij

r测量噪声矩阵。

δij是克罗内克函数

i，j分别代表i和j时刻。

4-c根据系统状态方程和量测方程，实施如下误差计算步骤

4-c-1状态变量预测预测。

状态变量预测方程描述如下：

xk/k-1＝fk-1xk-1

4-c-2状态变量的协方差预测

协方差的预测方程描述如下：

4-c-3增益计算

滤波增益矩阵计算如下：

4-c-4状态变量参数最优估计

本案状态变量参数最优估计，即误差计算如下：

xk＝xk/k-1+kk[zk-hkxk/k-1]

4-c-5本案状态变量协方差估计如下：

pk＝[i-kkhk]pk/k-1

对上面5个公式参数解释如下：

下标k为当前时刻，k-1为k前一时刻；

上标t为矩阵转置标记；

xk/k-1是根据k-1时刻状态变量预测k时刻状态变量；

fk-1为目标实体运动状态矩阵；

xk-1为在k-1时刻状态变量矩阵；

hk为转置矩阵；

pk-1为k-1时刻状态变量的协方差矩阵，是个4x4阶矩阵；

pk/k-1为根据k-1时刻状态变量的协方差矩阵预估的k时刻状态变量的协方差矩阵；

pk为k时刻状态变量的协方差矩阵，是个4x4阶矩阵；

qk为噪声方差矩阵；

r为测量噪声矩阵；

i为4x4阶单位矩阵。

本案采用间接卡尔曼滤波算法，随时估计出轮胎标定误差，提高车辆定位精度，提高误差计算精度，提高组合定位准确性。

作为优选，所述的误差修正步骤计算如下，

为修正后的k时刻纬度；

为修正后的k时刻经度；

为修正会后的左车轮脉冲刻度误差；

为修正会后的左车轮脉冲刻度误差；

修正结果，作为后一步骤循环的初始值。

提高误差修正有效性，为进一步循环组合定位计算提供更准确有效的初始数据。修正后输出，作为最终结果，为车辆定位最佳估计，提高传感器定位精度.避免单一传感器定位的缺点。

作为优选，所述的定位输出为输出最佳位置，如经度和纬度。提高输出最佳位置的准确性。

本发明的有益效果是：由于去掉了惯性导航系统(tns)，因而可有效降低了成本，也提高整体定位稳定性，避免惯性导航陀螺漂移等问题，由于减少了器件，也提高了产品可靠性；降低系统使用成本，提高定位可靠有效性，基于轮速脉冲计数器和gnss模块进行定位组合。可得到与原来ins/gnss组合同样效果，可靠性更好，减少了ins模块，有效地降低成本。采用车辆上自带的四个车轮输出的轮速脉冲计速器与gnss组合，替代ins/gnss/车辆里程计的组合。在现在车辆中，每个轮子都装有轮速脉冲计数器，用于测量轮子转速和转过角度。这些脉冲计数器精度高而且可靠性高，主要用于车辆abs或esp。本方案采用车辆后边左右两轮轮速脉冲计数器与gnss组合完成组合导航任务，轮速脉冲计数器是安装在车辆上四个车轮轮速计数器，通过测量车辆旋转一圈的脉冲个数。得到每个车轮行驶的路程。在车辆上四个车轮都安装有轮速脉冲计数器，一直用于abs，esp等应用，本案通过车辆后边左右两个车轮的轮速脉冲计数器得到两个车轮的行使路程，递推得到车辆位置，然后与gnss组合。得到与原来ins/gnss组合同样效果，可靠性更好。减少了ins模块，有效地降低成本。所以四轮脉冲计数器就有车辆前边左右两轮轮速脉冲计数器冗余。由于去掉了ins，本方案大大降低了成本。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明一种车载导航车辆组合定位装置的结构示意图。

图2是本发明车载导航车辆组合定位方法的组合定位计算流程框图示意图。

图3是现有技术中车载导航车辆组合定位装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1所示的实施例中，一种车载导航车辆组合定位装置，包括mcu组合导航计算模块10、gnss模块20以及经mcu组合导航计算模块计算获得的定位输出40，还包括车轮轮速脉冲计数器30，由车轮轮速脉冲计数器30和gnss模块20共同组合输入至mcu组合导航计算模块10。

车轮轮速脉冲计数器30采用安装在车辆四个车轮上测量车辆旋转一圈的脉冲个数的车轮轮速计数器。

实施例2：

图2所示的实施例中，一种车载导航车辆组合定位方法，采用实施例1所述的组合定位装置，基于车轮轮速脉冲计数器和gnss模块组合导航计算模块计算获得的定位输出；包括如下组合定位流程：

a读取车轮轮速脉冲数，获得轮速脉冲输入01；也即在单位时间内读取车辆后边左右两车轮轮速脉冲数增量，表示车辆单位时间内行驶的路程，车辆前面两个车轮轮速脉冲计数器，一般作为备份使用；

b利用轮速脉冲数递推计算车辆的位置02，采用计算公式为：

上述计算公式中的各符号字母含义分别为：

下标k表示当前时刻，k-1为前一时刻；

当前时刻纬度，前一时刻纬度；

lk当前时刻经度，lk-1前一时刻经度；

ψk当前时刻航向角，即与北方向夹角；ψk-1前一时刻航向角；

nlkk时刻与k-1时刻左轮轮速脉冲数增较量；

nrkk时刻与k-1时刻右轮轮速脉冲数增较量；

αl为左车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

αr为右车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

re为地球半径；

lw为车辆后边左右两车轮距离。

c在步骤b之后，判断是否读入gnss数据03，以读入gnss数据作为条件，读入可靠的gnss数据；若读入gnss数据，则执行下一步骤；

d在c步骤时，若未读入gnss数据，则继续从a步骤读取车轮轮速脉冲数开始执行后续的定位流程步骤。

e在步骤c之后，获得定位输出04，定位输出为输出最佳位置，如经度和纬度；

f在步骤c之后，进行下一步误差计算05；

g进行误差修正06；

h误差修改后，继续返回a步骤重新读取车轮轮速脉冲数开始执行后续的定位流程步骤。

误差计算步骤包括如下步骤：

4-a系统建立步骤；

建立系统误差状态方程如下：

xk＝fk-1xk-1+wk

其中：

xk为状态变量矩阵，

为纬度误差；

δlk为经度误差；

δαlk为左车轮脉冲刻度误差，单位：米/脉冲；

δαrk为右车轮脉冲刻度误差，单位：米/脉冲；

fk-1为状态变量转移矩阵，如下：

这里：

为前一时刻纬度；

ψk为当前时刻航向角，即与北方向夹角；ψk-1前一时刻航向角；

nlk为k时刻与k-1时刻左轮轮速脉冲数增较量；

nrk为k时刻与k-1时刻右轮轮速脉冲数增较量；

αl为左车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

αr为右车轮标称的脉冲刻度，单位是：米/脉冲；

re为地球半径；

lw为车辆后边左右两车轮距离。

wk是服从正态分布的高斯白噪声。其满足：

均值e(wk)＝0

协方差cov(wi，wj)＝qkδij

qk噪声方差矩阵

4-b建立误差计算中的量测方程：

zk＝hkxk+vk

其中：zk为观测矩阵

为gnss测得到的纬度；

lkg为gnss测得到的经度；

为当前时刻轮速计算的纬度；

lk为当前时刻轮速计算的经度；

hk为转置矩阵，

vk是gnss测得值的高斯白噪声，服从正态分布

均值：e(vk)＝0

协方差：cov(vi，vj)＝rδij

r测量噪声矩阵。

δij是克罗内克函数

i，j分别代表i和j时刻。

4-c根据系统状态方程和量测方程，实施如下误差计算步骤

4-c-1状态变量预测预测。

状态变量预测方程描述如下：

xk/k-1＝fk-1xk-1

4-c-2状态变量的协方差预测

协方差的预测方程描述如下：

4-c-3增益计算

滤波增益矩阵计算如下：

4-c-4状态变重参数最优估计

本案状态变量参数最优估计，即误差计算如下：

xk＝xk/k-1+kk[zk-hkxk/k-1]

4-c-5本案状态变量协方差估计如下：

pk＝[i-kkhk]pk/k-1

对上面5个公式参数解释如下：

下标k为当前时刻，k-1为k前一时刻；

上标t为矩阵转置标记；

xk/k-1是根据k-1时刻状态变量预测k时刻状态变量；

fk-1为目标实体运动状态矩阵；

xk-1为在k-1时刻状态变量矩阵；

hk为转置矩阵；

pk-1为k-1时刻状态变量的协方差矩阵，是个4x4阶矩阵；

pk/k-1为根据k-1时刻状态变量的协方差矩阵预估的k时刻状态变量的协方差矩阵；

pk为k时刻状态变量的协方差矩阵，是个4x4阶矩阵；

qk为噪声方差矩阵；

r为测量噪声矩阵；

i为4x4阶单位矩阵。

误差修正步骤计算如下：

为修正后的k时刻纬度；

为修正后的k时刻经度；

为修正会后的左车轮脉冲刻度误差；

为修正会后的左车轮脉冲刻度误差；

修正结果，作为后一步骤循环的初始值。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。