专利名称：基于组合导航的能量优化导航装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导航装置，尤其地，涉及一种基于组合导航的能量优化导航装置。
背景技术：
导航技术是利用卫星/传感器等器件提供的信息，通过运算，快速正确的引导载体到达预定目的的一种技术。导航技术最开始运用于军事领域，但是随着科技的发展，导航技术也逐步从军事领域走向民用市场。现在，在船舶、汽车甚至手机中都安装有具有导航功能的模块。这些导航模块极大的方便了人们的出行。目前，除了较为流行的卫星导航和惯性导航外，星光导航、地磁导航也是新兴的导航技术。在实际工程应用中，惯性导航器件具有低功耗、不依赖其工作的外部环境，有高度的自主性等优点。但是，惯性导航系统同时具有长期稳定性较差、存在累积误差等不足。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)接收机的导航精度高,没有累积误差，系统稳定性好。但是GNSS接收机在导航过程中消耗的能量较大。这一功耗上的不足极大地限制了卫星导航系统在诸如手机等小型化器件上的使用。同时，在城市环境中，楼房、立交桥等障碍物会阻挡卫星信号，造成GNSS接收机“失锁”。在传统的导航技术中，往往只采用了惯性导航器件，GNSS接收机或者其他单一导航原件进行导航。由于仅仅采用了一种导航器件进行导航，这些导航器件往往在诸如导航精度、能量消耗、导航范围等一个方面或多个方面存在缺陷，从而不能够满足手持导航设备低功耗、高精度、广覆盖面的要求。对于采用单一导航原件的导航系统，为了使导航系统能够达到高精度、小功耗、低累积误差等要求，往往会采用诸如陀螺仪或则高精度的MEMS器件，而这些器件的昂贵价格使其不可能大规模的运用于民用设施。因此，我们需要一种低成本、低功耗、高精度的导航设备。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于组合导航的能量优化导航装置，其为利用GNSS接收机和惯性导航器件联合工作的导航装置。该装置综合了 GNSS接收机和惯性导航器件导航精度高、功耗低、对外界条件要求低等优点，同时克服了 GNSS接收机和惯性导航器件功耗高、有累积误差的不足，能够满足手持移动低功耗导航设备的要求。为实现上述目的，本发明提供了一种基于组合导航的能量优化导航装置，其包括导航模块、计算模块、控制模块和显示模块，所述导航模块、计算模块和显示模块均与所述控制模块相连，所述导航模块又与所述计算模块相连； 其中，所述导航模块用于接收导航原始数据，并将接收到的所述导航原始数据发送给所述计算模块，所述导航模块包括惯性导航器件和GNSS接收机，所述惯性导航器件用于输出导航载体的所述导航原始数据，所述GNSS接收机在所述控制模块的控制下按照一定的时间频率启用，用于接收卫星信号和输出导航载体所在的位置；所述计算模块用于对所述导航模块输出的原始导航数据进行运算处理，并将处理后的导航数据发送给所述控制模块；所述控制模块用于控制所述导航模块、计算模块和显示模块的工作，其中，所述控制模块控制所述导航模块的工作模式；所述控制模块控制所述计算模块从所述导航模块中读入所述惯性导航器件输出的所述导航原始数据，同时从所述计算模块中读出经过所述计算模块处理后的导航数据；所述控制模块根据最终的导航数据，控制所述显示模块显示出导航内容，以及从所述显示模块中读入导航请求； 所述显示模块用于显示最终的导航数据和作为导航请求的输入界面。如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述导航原始数据包括导航载体的X、Y、z三个方向的加速度以及转向速度。进一步地，如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述计算模块采用辛普森离散积分公式对所述惯性导航器件输出的x、y、z三个方向的加速度进行两次离散积分，得到所述导航载体在X、I、z方向的位移；所述计算模块采用辛普森离散积分公式对所述惯性导航器件输出的转向速度进行离散积分，得到所述导航载体当前的朝向。如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述导航模块的工作模式包括惯性导航和GNSS导航修正。进一步地，如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述惯性导航是指导航模块利用惯性导航器件进行导航；所述GNSS导航修正是指利用GNSS接收机接收的导航数据按照一定时间间隔来修正惯性导航器件引起的累积误差。如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述惯性导航器件采用MEMS器件，并采用将多个MEMS器件的输出进行滤波的方式来减小累积误差。进一步地，如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述滤波方式如下在GNSS接收机工作阶段，当所述MEMS器件导航的累积误差大于阀值L的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，增加MEMS器件工作原件的数量；当所述MEMS器件导航的累积误差小于阀值S的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，减小MEMS器件工作原件的数量；当所述MEMS器件导航的累积误差在阀值S和阀值L之间的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，维持MEMS器件工作原件的数量不变。如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述控制模块包括微控制器和储存器，其中，所述储存器又包括有RAM和R0M，所述RAM用于储存从所述导航模块中直接读入的GNSS接收机的导航数据、从所述计算模块中读入的导航数据以及从显示模块中读入的导航请求和其他指令；所述ROM用于储存地图信息以及系统程序。如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述显示模块包括储存器和显示屏，其中，所述储存器用于存储所述控制模块输出的导航显示内容；所述显示屏在所述控制模块的控制下，输出所述储存器中储存的显示信息，同时作为导航请求和其他请求指令的输入界面。进一步地，如上述的基于组合导航的能量优化导航装置，其中，所述储存器为RAM。本发明的基于组合导航的能量优化导航装置利用GNSS接收机和惯性导航器件进行联合导航，其按照一定频率进行GNSS接收机和惯性导航器件的交替工作，利用GNSS接收机输出的较为精准的导航数据来修正惯性导航器件输出的导航数据，从而消除惯性导航器件的累积误差；由于惯性导航器件具有功耗低、工作独立性强、不受外界因素影响的优点，长时间地利用低功耗的惯性导航器件来导航，最终能够在保证导航精度的前提下，降低接收机功耗。因此，本发明的基于组合导航的能量优化导航装置综合了惯性导航器件和GNSS接收机导航高精度、低功耗、高度独立、不受外界干扰的优点。相较于纯GNSS接收机导航，本发明在保证导航精度和灵敏度的前提下，功耗能够降低到原来的21% ;相较于纯惯性导航器件，本发明能够在保持低功耗、低外界环境依赖度的前提下，有效的控制累积误差。
图I为本发明的基于组合导航的能量优化导航装置的模块结构示意图；图2为本发明的基于组合导航的能量优化导航装置中的导航模块的结构示意图；图3为本发明的基于组合导航的能量优化导航装置中的计算模块的结构示意图； 图4为本发明的基于组合导航的能量优化导航装置中的控制模块的结构示意图；图5为本发明的基于组合导航的能量优化导航装置中的显示模块的结构示意图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。如图I所示，本发明的基于组合导航的能量优化导航装置包括导航模块I、计算模块4、控制模块2和显示模块3，其中，导航模块I、计算模块4和显示模块3均与控制模块2相连，导航模块I又与计算模块4相连。具体地，导航模I块用于接收导航原始数据，并将接收到的导航原始数据发送给计算模块。计算模块4用于对导航模块I输出的原始导航数据进行运算处理，并将处理后的导航数据发送给控制模块2。控制模块2用于控制导航模块I、计算模块4和显示模块3的工作。对于导航模块I，控制模块2控制其采用特定的工作模式进行导航，并以一定的频率，按照导航模块I中GNSS接收机的导航数据来修正惯性导航器件输出的导航数据，从而消除惯性导航器件的累积误差。对于计算模块4，控制模块2控制其从导航模块I中读入惯性导航器件输出的导航原始数据，同时控制模块2从计算模块4中读出经过计算模块4处理后的导航数据。对于显示模块3，控制模块2可以根据计算模块4处理后的最终的导航数据，控制显示模块3显示出导航内容，同时，控制模块2也可以从显示模块3中读入导航请求输入。显示模块3用于显示最终的的导航数据和作为导航请求的输入界面。如图2所示，导航模块I具体包括GNSS接收机和惯性导航器件。其中，GNSS接收机按照一定的时间频率启用，用于接收卫星信号和输出导航载体所在的位置。由于GNSS接收机的导航输出较为精确，没有累积误差的存在，所以用GNSS接收机的导航输出可以用于消除惯性导航器件的累积误差。但是，对于手持的小型化导航设备，GNSS接收机的工作功耗较大，不能用于长时间连续导航。惯性导航器件是一种小功耗的导航器件，其适用于小型化的导航设备。惯性导航器件用于输出导航载体的x、y、z方向的加速度及转向速度等原始物理数据。这些数据在控制模块的控制下输入到计算模块，用于计算出导航载体的位移及朝向等数据以便用于最终的导航。由于惯性导航器件输出的x，y，z三个方向的加速度与实际导航载体的加速度有一定的误差，且该误差会累积，导致惯性导航器件在长时间的导航后输出的导航数据误差较大。为了消除累积误差，需要按照 一定的时间间隔，利用GNSS接收机的输出来修正惯性导航器件的输出。导航模块在控制模块的控制下按照一定的工作模式工作。其中，具体的工作模式包括有惯性导航和GNSS导航修正。惯性导航是指导航模块利用惯性导航器件进行导航。系统利用惯性导航器件输出的导航载体的x、y、z三个方向的加速度及转向速度，通过计算模块的计算处理，输出导航数据的导航模式。GNSS导航修正是指利用GNSS接收机接收的导航数据没有累积误差、精度高的优点，按照一定时间间隔利用GNSS接收机的导航数据来修正由长时间惯性导航器件引起的累积误差。在本发明中，惯性导航器件采用微电子机械系统(Micro Electro Mechanicalsystems, MEMS)器件,用来输出导航载体的x, y, z方向的加速度及转向速度等导航原始数据。由于MEMS器件输出的加速度的时候有一定加性噪声，且该噪声为均值为零的高斯白噪声。该加性噪声是造成MEMS器件长时间导航的累积误差的直接原因。为了减小MEMS器件导航的累积误差，可以采用多个MEMS器件输出通过滤波器滤波的方式来减小该误差。具体地，在GNSS接收机工作阶段，利用GNSS接收机的导航输出作为判断MEMS器件累积误差的依据。当MEMS器件导航的累积误差大于阀值L的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，增加MEMS器件工作原件的数量以减小导航累积误差；当MEMS器件导航的累积误差小于阀值S的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，减小MEMS器件工作原件的数最以降低导航功耗；当MEMS器件导航的累积误差在阀值S和阀值L之间的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，维持MEMS器件工作原件的数量不变。MEMS器件输出的导航原始数据发送至计算模块，用于计算最终的导航数据。如图3所示，计算模块包括储存器RAM和高速计算芯片。当计算模块在控制模块的控制下，从导航模块中读入惯性导航器件的导航原始数据，即导航载体的X、I、z三位加速度以及转向速度等导航原始数据后，将这些数据储存于RAM中，作为高速计算芯片的缓存存储器。利用RAM中储存的导航载体的x、y、z三个方向的加速度，在高速计算芯片中通过一次积分，可以得到导航载体的速度，再对速度进行一次积分，可以得到导航载体的位移。利用位移，根据导航载体的初始位置，就可以计算出导航载体的当前位置。同时可以利用惯性导航器件输出的导航载体的转向速度，积分得到导航载体当前的朝向。在本发明中，高速计算芯片可采用CPU。同时，采用的积分方法为数值积分中的辛普森离散积分公式，对MEMS器件输出的加速度进行两次离散积分，便可得到x，y，z方向的位移。如图4所示控制模块包括微控制器(MCU)和储存器。其中，储存器又包括有RAM和匪。MCU是一块低功耗的控制芯片，用于控制本发明中的其他几个模块的协调工作。具体地，MCU输出控制信号控制导航模块按照特定的导航模式进行工作并输出结果；MCU输出控制信号要求导航模块输出GNSS接收信号，用于修正惯性导航器件的累积误差；MCU输出控制信号，控制计算模块从导航模块中读取导航载体的导航原始数据；MCU输出控制信号要求计算模块输出经过计算后的导航数据，并将其存储在控制模块的RAM中；MCU输出控制信号，控制显示器根据控制模块中RAM的储存的导航数据和ROM中储存的地图信息显示出导航示意图；MCU输出控制信号，用于从显示模块中读入导航请求或则其他指令。其中，RAM是用于储存从导航模块中直接读入的GNSS接收机的导航数据、从计算模块中读入的导航数据。根据这些导航数据，结合ROM中储存的地图信息，可以在MCU的控制下，在显示模块上显示出导航载体的运行轨迹等导航信息。同时，RAM也可以用于储存从显示模块中读入的导航请求和其他指令。ROM是储存地图信息以及其他一些系统程序的存储介质。MCU在ROM中的程序的 控制下控制这整个导航系统的工作。如图5所示,显示模块包括储存器RAM和显示屏。其中，RAM用于存储控制模块输出的导航显示内容。显示屏是人机交互的接口，能够在控制模块的控制下，输出RAM中储存的显示信息；同时也能够作为导航请求和其他请求指令的输入界面。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，包括导航模块、计算模块、控制模块和显示模块，所述导航模块、计算模块和显示模块均与所述控制模块相连，所述导航模块又与所述计算模块相连； 其中，所述导航模块用于接收导航原始数据，并将接收到的所述导航原始数据发送给所述计算模块，所述导航模块包括惯性导航器件和GNSS接收机，所述惯性导航器件用于输出导航载体的所述导航原始数据，所述GNSS接收机在所述控制模块的控制下按照一定的时间频率启用，用于接收卫星信号和输出导航载体所在的位置； 所述计算模块用于对所述导航模块输出的原始导航数据进行运算处理，并将处理后的导航数据发送给所述控制模块； 所述控制模块用于控制所述导航模块、计算模块和显示模块的工作，其中，所述控制模块控制所述导航模块的工作模式；所述控制模块控制所述计算模块从所述导航模块中读入所述惯性导航器件输出的所述导航原始数据，同时从所述计算模块中读出经过所述计算模块处理后的导航数据；所述控制模块根据最终的导航数据，控制所述显示模块显示出导航内容，以及从所述显示模块中读入导航请求； 所述显示模块用于显示最终的导航数据和作为导航请求的输入界面。
2.如权利要求I所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述导航原始数据包括导航载体的x、y、z三个方向的加速度以及转向速度。
3.如权利要求2所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述计算模块采用辛普森离散积分公式对所述惯性导航器件输出的X、I、z三个方向的加速度进行两次离散积分，得到所述导航载体在X、I、Z方向的位移；所述计算模块采用辛普森离散积分公式对所述惯性导航器件输出的转向速度进行离散积分，得到所述导航载体当前的朝向。
4.如权利要求I所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述导航模块的工作模式包括惯性导航和GNSS导航修正。
5.如权利要求4所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述惯性导航是指导航模块利用惯性导航器件进行导航；所述GNSS导航修正是指利用GNSS接收机接收的导航数据按照一定时间间隔来修正惯性导航器件引起的累积误差。
6.如权利要求I所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述惯性导航器件采用MEMS器件，并采用将多个MEMS器件的输出进行滤波的方式来减小累积误差。
7.如权利要求6所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述滤波方式如下在GNSS接收机工作阶段，当所述MEMS器件导航的累积误差大于阀值L的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，增加MEMS器件工作原件的数量；当所述MEMS器件导航的累积误差小于阀值S的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，减小MEMS器件工作原件的数量；当所述MEMS器件导航的累积误差在阀值S和阀值L之间的时候，在下一阶段的MEMS器件导航时，维持MEMS器件工作原件的数量不变。
8.如权利要求I所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述控制模块包括微控制器和储存器，其中，所述储存器又包括有RAM和ROM，所述RAM用于储存从所述导航模块中直接读入的GNSS接收机的导航数据、从所述计算模块中读入的导航数据以及从显示模块中读入的导航请求和其他指令；所述ROM用于储存地图信息以及系统程序。
9.如权利要求I所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述显示模块包括储存器和显示屏，其中，所述储存器用于存储所述控制模块输出的导航显示内容；所述显示屏在所述控制模块的控制下，输出所述储存器中储存的显示信息，同时作为导航请求和其他请求指令的输入界面。
10.如权利要求9所述的基于组合导航的能量优化导航装置，其特征在于，所述储存器为 RAM。
全文摘要
本发明公开了一种基于组合导航的能量优化导航装置，其包括导航模块、计算模块、控制模块和显示模块，所述导航模块、计算模块和显示模块均与所述控制模块相连，所述导航模块又与所述计算模块相连。，本发明的基于惯性导航器件的能量优化的手持GNSS接收机综合了惯性导航器件和GNSS接收机导航高精度、低功耗、高度独立、不受外界干扰的优点。相较于纯GNSS接收机导航，本发明在保证导航精度和灵敏度的前提下，功耗能够降低到原来的21％；相较于纯惯性导航器件，本发明能够在保持低功耗、低外界环境依赖度的前提下，有效的控制累积误差。
文档编号G01S19/23GK102645667SQ201210122520
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者周思捷, 宋欣, 毕琰, 王翔宇 申请人:上海交通大学