基于嵌入式gpu系统的并行化复合导航指向系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种导航指向系统及方法，尤其涉及一种基于嵌入式GPU系统的并行 化复合导航指向系统及方法，属于导航指向技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着通讯技术、计算机技术、信息论及航天与空间技术的迅猛发展，物体导航指向 技术也日新月异，越来越多的工程领域，例如通讯、导航、侦察、监视和地球观测等，都离不 开导航指向技术的支持。卫星导航是导航指向技术的主力军，在导航指向领域占有重要地 位。GNSS (全球导航卫星系统）是利用分布于地球附近轨道的卫星星座、地面监测站和用户 接收机实现全球导航的系统。当前在用和正在建设的卫星导航系统包括美国的GPS(全球 定位系统）、俄罗斯的GLONASS (格洛纳斯）、中国的COMPASS (北斗）和欧洲的GALILE (伽 利略）系统。
[0003] 虽然卫星导航指向系统具有很多优点，但是由于其要求对卫星的直接可见，尤其 在城市运行环境下，楼房、立交桥等都会使可见卫星被遮挡，造成卫星导航失效。另外，城市 中各种各样的无线电干扰也会降低GNSS的定位精度，而且GNSS没有指南针的功能，当物体 原地或在GNSS导航误差范围内行进、转向（GNSS判断静止状态）时是不能提供方向、导航 信息的。因此单纯依赖GNSS进行导航是不够的，这时就需要利用复合导航技术将卫星导航 与其它导航指向技术进行组合，得到高精度与高可靠性的导航数据。
[0004] 目前，现有的复合导航指向技术中，有使用地图匹配技术与GNSS进行组合，此方 法在无详细地图的区域无法使用；还有利用陀螺仪、加速度传感器来解决辅助定位导航，其 中陀螺仪用来测量载体运动过程中的旋转角，从而测量载体的航向，但一般使用的电子陀 螺仪有易受电磁干扰的缺点，而机械陀螺仪则体积大、价格贵，不易于实用。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明在于提供一种基于嵌入式GPU系统的并行化复合导航指向系统及方法，以 解决现有导航指向方法不易携带、精度低和实时性低的技术问题。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：基于嵌入式GPU系统的并行化复合导 航指向系统，包括嵌入式GPU系统1、北斗卫星导航模块2和音视频输出模块3 ;其中嵌入式 GPU系统1由GPU主控制器1-1、图像处理模块1-2、深度探测模块1-3和历史信息库1-4组 成；北斗卫星导航模块2输出信号进入嵌入式GPU系统1的GPU主控制器1-1，图像处理模 块1-2的视频图像信号、深度探测模块1-3的深度图像信号和历史信号库1-4内的历史航 向信息输入至GPU主控制器1-1，处理后由GPU主控制器1-1输出至音视频输出模块3。
[0008] 基于嵌入式GPU系统的并行化复合导航指向系统的方法，包括下列步骤：
[0009] (1)图像处理模块1-2将摄像头视频数据流按照固定的时间间隔提取出当前场景 图像帧，将每帧分割成多个区域块，使用并行化的图像配准方法对连续采集的图像帧中对 应区域块进行配准，得到前后两帧中每个对应区域块的重叠部分，根据重叠部分在前后两 帧中的位置变化，得出每个区域块的偏移角度，计算所有区域块偏移角度的平均值，得出连 续场景图像间的偏移角度作为角度补偿；再输入至GPU主控制器1-1与存储器内历史信息 库1-4中最后有效的航向相累加得出当前航向；
[0010] (2)深度探测模块1-3使用深度摄像头采集深度数据流，按照固定的时间间隔提 取出当前场景的深度数据帧，利用并行计算方法统计出当前场景的深度直方图，将连续两 帧的深度直方图作特征值比较，得出物体在固定时间间隔内运动的距离，从而计算出物体 前进方向的运行速度，输入GPU主控制器1-1 ;
[0011] (3)GPU主控制器1-1根据存储器历史信息库1-4中的历史导航指向信息，解算出 的当前位置，综合处理得出当前导航指向信息：航向、速度、位置；
[0012] (4)GPU主控制器1-1判断是否能接收到北斗卫星导航模块2输出的导航指向信 息，若卫星导航指向方式有效，则执行步骤（5)，反之，则执行步骤（7);
[0013] (5)GPU主控制器1-1根据北斗卫星导航模块2输出的导航指向信息获取当前位置 坐标，如果在设定的时间间隔内位置坐标之间的距离大于预设的定位误差容限，则判定物 体在运动状态，执行步骤（6)，反之，执行步骤（7);
[0014] (6)将北斗卫星导航模块2的定位信息与步骤（3)所得出的当前导航指向信息进 行双系统交叉互补定位，用于修正北斗卫星导航指向信息；
[0015] (7)音视频输出模块3接收导航指向信息，在可视化界面上显示，并在重要时刻发 出语音提示指令。
[0016] 其中，所述导航指向方法是并行化的，该方法基于嵌入式CUP+GPU的体系结构，在 CUDA平台编程架构的基础上，利用GPU的通用并行计算能力，对图像配准方法和深度数据 统计流程进行并行化的优化处理，以提高图像配准速度和深度距离统计测量，从而加快本 地导航指向的效率。
[0017] 其中，所述导航指向方法是复合式的，当北斗卫星导航模块2正常工作且物体在 运动时，同时使用卫星导航系统和本地导航系统，利用本地导航指向的结果对卫星导航指 向的结果进行修正，以提高导航指向的精度；当卫星导航系统无法正常工作或物体处于静 止状态时，基于场景图像帧的本地导航系统独立工作，结合存储器中的历史记录，解算出本 次导航指向信息。
[0018] 其中，所述步骤（1)中使用并行化的图像配准方法，是一种基于先验信息的图像 配准方法。利用待配准的连续场景中对应位置的两幅图像之间已知的大致重叠范围，可进 一步缩小搜索范围，使搜索区域能够自动适应待匹配点的位置。在CUDA平台下的CPU与 GTO计算任务分工如下：CPU端主要完成图像读取、待匹配点选取、GPU资源分配、搜索区域 计算和参数传递等功能；GPU端主要完成最佳匹配点的并行化搜索等功能；最后，CPU保存 来自GPU端的计算结果并将其写回到指定位置。
[0019] 其中，所述步骤（3)中所述的解算出物体当前位置的方法为：物体在t时刻的位置 Pt：Pt= (xt. yt) = (|〇Pt|c〇s0t, I OPt I sin et)
[0020] 其中，I = 丨 I cos (6 - 3 I) + ^ν;,χΔ/2-|〇^ , |：： sin2 (<9,-6·,,)
[0021] 上式中，I OPt I为当前位置Pt到上一位置P η的距离！Vh是t-1时刻的速度；θ η 和θ t分别是车辆在t_l时刻和t时刻车辆的航向，△ t是从株度流中米集株度数据帧的间 隔，此间隔与从视频流中采集图像帧的间隔保持一致。
[0022] 其中，所述步骤（5)中所述的根据北斗卫星导航模块2输出的导航指向信息获取 当前位置坐标，设定的时间间隔内为10秒，设定的位置坐标之间距离的误差容限为10米， 以此来判断在北斗卫星导航下物体是否处于运动状态。
[0023] 其中，从视频流中提取场景图像帧的时间间隔和从深度流中提取深度数据帧的间 隔均为50ms，即每秒提取20帧数据。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1)采用北斗卫星导航和基于图像帧的 本地导航相组合的复合导航指向方式，提高导航指向的精度；（2)基于图像帧的本地导航 指向模块可独立工作，解决