专利名称：使用推算定位法追踪车辆位置和车辆方位角的方法以及实现该方法的追踪装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用推测定位法追踪车辆位置和车辆方位角的方法。该方法应用在小汽车以及其他种类车辆上，特别是当车辆在隧道中、停车场等GNSS信号较弱或暂无的情形下，用于对使用GNSS(GlcAal Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)确定的车辆位置进行补充。本发明还涉及一种能够实现所述方法的追踪装置。
背景技术：
通过推测定位法利用传感器测量值中的后轮速来追踪车辆位置和车辆方位角是一种公知技术。尽管由于轮偏转角的可变性使前轮速的测定变得更为复杂，但通过推测定位法同样可使用前轮速来追踪车辆位置和行驶方向。迄今为止，仅利用了一些将车速、转首角速度与左右前轮速结合在一起的近似解。例如，2008年9月在萨凡纳召开的 2008年国际导航技术大会的会议记录中记载的Ch. Hollenstein, E. Favey, C. Schmid, A. Somieski, D. Ammann !“Performance of a Low-cost Real-time Navigation System using Single-frequency GNSS Measurements Combined with Wheel-tick Data，，(“使用结合了轮标记数据的单频GNSS测量值的廉价实时导航系统的特性”)。根据这篇论文的记载，可以通过迭代的方法确定出车轮转角。在无法排除大的轮偏转角时，所使用的近似解在追踪精度上有所欠缺。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种如权利要求1中提高追踪精度的相关部分所述的用于追踪车辆位置和车辆方位角的方法。通过权利要求1中特征部分记载的技术特征可以实现所述发明目的。本发明所述方法的优点特别适用于出现大的车轮转角的情形，例如车辆在地下停车场以及相似环境下行驶时，GNSS信号逐渐减弱或消失的情形。可以在处理能力和内存需求非常经济的方式下执行所述方法。传感器测量值可以与GNSS测量值结合在一起使用，例如将二者输入紧密耦合的卡尔曼滤波器。本发明的另一个目的在于提供一种能够执行本发明所述方法的追踪装置。
下面，参照以下用于解释具体实施例的附图，对本发明进行详细介绍图1为安装有本发明追踪装置且通过本发明所述方法追踪位置和方位角的车辆示意图；图2为本发明所述方法的流程图；图3为图2所示流程图中的一部分过程的详细示意图4为图1示出的中间轮偏转角δ的近似解和精确解的示意图。
具体实施例方式在车辆中，所谓“推测定位法”经常通过确定轮速来追踪车辆位置，并根据追踪结果来更新所述车辆的位置，其可结合GNSS —起使用，在所述GNSS无法使用时，还可以单独使用。推测定位法和GNSS的追踪计算可在适当的追踪装置中完成。该追踪装置通常是所述车辆的组件或附属于所述车辆。最终显示出所述追踪计算的结果或将所述结果另作他用。一般地，可从传感器测量值中确定轮速。该传感器测量值是在间隔有固定角增量的特定转动位置上产生的、通常被称为“轮标记”的信号。根据来自于后轮的传感器测量值， 假设轮偏转角为等于0的常量，通常可直接推导出的所述车辆的速度和转首角速度。然而在某些情况下，无法使用来自后轮的传感器测量值，只能单独地从来自于前轮的传感器测量值中推导出所述车辆的速度和转首角速度。这就需要进行更复杂的计算， 因为需要考虑变化的轮偏转角，而所述的轮偏转角度须从所述轮标记中推导出，除非所述的轮偏转角可从诸如直接测量值中得出。下面，详细介绍必须从前轮传感器测量值中单独推导出轮偏转角的情况。假设所述车辆(如图1所示)包括刚性车架1，在所述刚性车架1上安装有后轮h、2b以及前轮 3a、!3b。由于所述前轮3a、!3b可绕穿过其中心的纵轴转动，因此所述车辆是可转向的。假设轮偏转角覆盖了一个包含0°角的区间，此处的0°角表示所述车辆的运动为向前直行；追踪设备，其包括固定在所述刚性车架1上的追踪装置4以及用于监测前轮3a、!3b转动的轮标记单元如、恥或者为其它用于产生传感器测量值的传感器，从所述传感器测量值中可以获得所述前轮3a、3b的轮速；同样被安装在所述刚性车架1上的GNSS天线6，像所述轮标记单元5ajb那样向所述追踪装置4提供数据。所述追踪装置4用于处理所述传感器测量值，即，利用来自于所述轮标记单元5a、b的信号以及所述GNSS天线6收到的信号，提取出所述车辆的位置和车辆方位角。所述追踪装置4包括用于存储数据、处理数据以及输出处理结果等信息的部件。这些部件是所述追踪装置4用来实现发明目的所需要的。假设，所述刚性车架1与所述后轮2a、2b和所述前轮3a、3b的悬挂相对于穿过所述后轮2a、2b和所述前轮3a、3b之间的中间点的对称轴对称。在下列推导过程中，假设车轮没出现滑移，并且在由所述轮偏转角指向的不同方向上轮心没有瞬间运动。为了简单起见，所述车辆在一个由北向(η)和东向(e)定义的水平面上运动。因此，所述水平面上的每个矢量1构成了北向分量和东向分量，即1= (χ(η), X(e))。如果所述车辆所在的平面是倾斜的，那么直接将所述车辆的运动投射在一个水平面上。在具体实例中，可通过所述车辆的刚性车架1上的参照点= (xref(n),xref(e))和车辆方位角H即所述北向与所述车架纵轴之间的、顺时针测量出的角度，来描述所述车辆的状态。在所述车辆位置的推测定位追踪过程中，可通过使用以下运动方程从上次时间更新间隔结束时的状态中推导出在第0^+1)&次长度为At的时间更新间隔结束时所述车辆假定的新状态。
权利要求
1.一种追踪车辆位置(Iref)和车辆方位角(H)的方法，基于前轮(3a，3b)速，至少间歇地使用推测定位法，其中包括测量表示左前轮(3a)轮速V1的参数，以及测量表示右前轮(3b)轮速\的参数； 由所述参数推导出左前轮(3a)轮速V1的值，以及右前轮(3b)轮速\的值； 由左前轮(3a)轮速V1和右前轮(3b)轮速\计算估算轮偏转角Scal的函数，所述估算轮偏转角在轮偏转角区间上变化；使用所述估算轮偏转角δ。al的函数计算出所述车辆的速度ν和转首角速度h ； 基于所述车辆之前的位置和方位角，并使用已求出的所述车辆的速度ν和转首角速度 h，求出所述车辆位置(2LMf)以及方位角(H)的值；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个所述轮偏转角区间内，所述估算轮偏转角S。al的偏离轮偏转角精确解δ 的偏差范围小于2°，优选为小于1°。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算所述轮偏转角近似解δ_的函数，并在所述轮偏转角近似解δ app小于轮偏转角阀值(Sthr)时，在所述转首角速度h的计算中所使用的所述轮偏转角函数中使所述估算轮偏转角S。al等于所述轮偏转角近似解 δ app ；反之，在所述轮偏转角近似解δ app大于所述轮偏转角阀值(Stto)时，所述轮偏转角函数中使用不同于所述轮偏转角近似解Sapp的估算轮偏转角δ。al，并且所述估算轮偏转角 S。al是由所述轮偏转角近似解δ_的函数确定的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过使用查找表，由所述轮偏转角近似解 δ app的函数来确定所述估算轮偏转角δ。al的函数，所述查找表中成对存放所述轮偏转角精确解的函数值以及所述轮偏转角近似解δ_对应值的函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用内插法，优选使用线性内插法，所述轮偏转角近似解Sapp的函数值落入存放于所述查找表中的两个所述函数值之间。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算所述车辆的速度ν :
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算所述车辆的速度ν :
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算所述转首角速度h:
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，根据如下公式计算所述车辆的转首角速度h:
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述估算轮偏转角在包含区间[-35°，35° ]的范围上变化。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的方法，其特征在于，由连续的滤波周期组成，每个滤波周期包括至少由一个时间更新步骤组成的预测步骤；在每个预测步骤下，由所述速度ν和转首角速度h计算出所述车辆的位置和方位角(H)的值；每次计算都基于之前确定的位置和方位角(H)的值，并且在GNSS测量值可供使用之时，还包括校正步骤，以便在考虑GNSS测量值的基础上对在所述预测步骤中计算得到的位置(Iref)和方位角(H)的值进行校正。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，每次预测步骤都包含一定次数(N)的连续时间更新步骤。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在每次校正步骤中，都需要重校轮校正系数(f1; fr)；其中，所述轮校正系数用来根据基于测量到的轮标记次数的初始轮速度确定左前轮(3a)和右前轮(3b)的速度V1, ^。
14.一种应用在车辆上用于执行如权利要求1至13所述方法的追踪装置，其特征在于，包括输入线，用于从轮标记单元( ，5b)处接收数据；输出线，用于提供并处理参考位置；以及数据处理和存储机构，用于接收用来表示左、右前轮(3a，北)速度Vl，vr的传感器测量值；由所述传感器测量值推导出左、右前轮(3a，3b)速度Vl，vr的值；由左、右前轮(3a，3b)的速度Vl，^计算估算轮偏转角δ。al的函数，所述估算轮偏转角 Scal在轮偏转角区间上变化；使用所述估算轮偏转角δ。al的函数计算出所述车辆的速度ν和转首偏转角h ；使用求得的所述车辆的速度ν和转首偏转角h，并根据所述车辆先前的位置和方位角， 计算出所述车辆的位置和方位角(H)；其中，表达在所述估算轮偏转角S…函数中的、用于计算所述转首角速度h的所述估算轮偏转角S。al至少在在一部分轮偏转角区间中偏离轮偏转角精确解δ ，所述轮偏转角精确解是按方程
15.根据权利要求14所述的追踪装置G)，其特征在于，在整个所述轮偏转角区间内， 所述估算轮偏转角S。al的偏离轮偏转角精确解δ 的偏差范围小于2°，优选为小于1°。
16.根据权利要求14或15所述的追踪装置，其特征在于，用于计算所述轮偏转角近似解δ app的函数，并在所述轮偏转角近似解δ_小于轮偏转角阀值(Stto)时，在所述转首角速度h的计算中所使用的所述轮偏转角函数中使所述估算轮偏转角S。al等于所述轮偏转角近似解δ app ；反之，在所述轮偏转角近似解δ_大于所述轮偏转角阀值(Stto)时，所述轮偏转角函数中使用不同于所述轮偏转角近似解Sapp的估算轮偏转角S。al，并且所述估算轮偏转角S。al是由所述轮偏转角近似解δ_的函数确定的。
17.根据权利要求16所述的追踪装置，其特征在于，用于由所述轮偏转角近似解Sapp的函数来确定所述估算轮偏转角δ。al的函数；查找表中成对存放有所述轮偏转角精确解的函数值以及所述轮偏转角近似解δ_对应值的函数。
18.根据权利要求17所述的追踪装置G)，其特征在于，可配置为使用内插法，优选使用线性内插法，在存放于所述查找表中的两个所述函数值之间确定所述轮偏转角近似解δ app的函数值。
19.根据权利要求14至18中任意一项所述的追踪装置，其特征在于，其至少还包括一个通过GNSS天线(6)接收信号的输入线；并配置为执行连续的滤波周期，每个滤波周期包括至少由一个时间更新步骤组成的预测步骤；在每一个预测步骤中，由所述速度ν和转首角速度h计算出所述车辆的位置(Iref)和方位角(H)的值；每次计算都基于之前确定的位置和方位角(H)的值，并且如果在GNSS天线(6)接收信号中能够得到GNSS测量值，则还包括校正步骤，以便在考虑GNSS测量值的基础上对在所述预测步骤中计算得到的位置(Irf)和方位角(H)的值进行校正。
全文摘要
通过使用来自于安装在前轮(3a，3b)处的轮标记单元(5a，5b)的轮标记次数，来追踪车辆的位置(xref)和方位角(H)。由所述车辆的位置(xref)和方位角(H)计算出速度(v)和转首角速度(h)。上述计算基于中间轮偏转角(δ)。根据方程其中使用精确解完成上述计算取决于左、右轮速vl，vr。根据更为简单的方程计算出近似解δapp。并在近似解δapp没有明显偏离精确解δex的任何情况下使用近似解δapp，即δapp不大于轮偏转角的阀值δthr。仅当δapp＞δthr，其中偏离程度大于2°或优选为1°时，使用轮偏转角的精确解δex。后者的确定过程为首先确定所述近似解δapp，然后在查找表中读取所述近似解δapp对应的精确解δex，必要时可使用内插法读取。
文档编号G01S19/00GK102466802SQ20111019296
公开日2012年5月23日 申请日期2011年7月6日 优先权日2010年11月4日
发明者霍伦施泰因·克里斯汀 申请人:瑞士优北罗股份有限公司