专利名称：一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法
技术领域：
本发明涉及一种数据在线标定方法，特别是关于一种用于汽车导航系统的汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法。
背景技术：
随着近些年机动车保有量的快速增长和城市道路网络的日趋复杂，汽车导航系统得以迅速发展，尤其是将GPS和运动传感器结合的组合型汽车导航系统的应用已经比较普遍。这类汽车导航系统一般由GPS、微机械陀螺、车速传感器和嵌入式计算机构成。其中，GPS提供车辆的定位信息，包括位置、方位角和在用星数等，微机械陀螺提供与车辆角速度相关的陀螺输出电压，车速传感器用于测量车速，由于目前多数汽车的CAN总线信息中都包含 有车速，因此很多汽车导航系统直接从CAN总线获取车速信息，以取代车速传感器。GPS、微机械陀螺和车速传感器均与嵌入式计算机相连，将各自测量到的信息输送给嵌入式计算机，嵌入式计算机对各部件输送来的信息进行处理，例如在GPS信号良好时，嵌入式计算机利用GPS位置信息，运行地图匹配算法判断汽车的行驶道路，完成汽车的定位和导航；在没有GPS信号时，嵌入式计算机利用车速传感器测量的车速和微机械陀螺提供的与车辆角速度相关的陀螺输出电压，运行航位推算算法得到汽车的行驶位置，完成汽车的定位和导航。上面提及的微机械陀螺是汽车导航系统中常用的一种传感器，用于测量汽车运动的角速度，积分后可得汽车运动过程中的角度变化量，通过累计车辆在水平方向(平行于路面)的角度变化量，可以推算车辆的行驶方向，为汽车导航提供支持。汽车用微机械陀螺的精度级别一般为民用级，具有成本低廉的优点，但存在系统参数变化大以及需要经常标定的缺点。如果微机械陀螺的关键系统参数之一的标度因子存在误差，那么在航位推算过程中，该误差就会逐步累积，从而导致汽车行驶方位的推算精度大幅度下降。微机械陀螺的标度因子是指微机械陀螺在测量过程中，输出电压变化与表征的角速度测量值之间的比例系数。传统的微机械陀螺标度因子的标定方法分静态标定和动态标定两种。静态标定方法是在微机械陀螺安装前对其进行标定，由于标度因子误差与微机械陀螺的特性和工作条件相关，在车辆运行过程中会实时变化，因此静态标定方法无法满足汽车导航系统的使用需要。动态标定方法是在车辆运行过程中对微机械陀螺标度因子进行标定。现有的动态标定方法包括最优估计法(《基于GPS/DR的车辆导航中在线计算陀螺仪参数的一种方法》，《电子器件》2007年第I期)和利用电子地图数据标定法(《车载航位推算系统中传感器参数的在线标定》，《测控技术》2008年12期)。最优估计法建立转角与标度因子的函数关系，并通过求解残差平方和最小意义下的最优解计算新的标度因子，该方法涉及矩阵运算、解超定方程等，运算复杂，不适宜用于运算能力较低的汽车导航系统，同时该方法由于需要很长时间才能完成标定，因此实时性较差。利用电子地图数据标定法是通过GPS信息结合电子地图在大转弯处进行刻度因子标定，该方法首先在电子地图上选定拐弯路段集中、角度较大且GPS观测条件良好的路段作为特定的标定区域，当车辆行驶到该区域时，如果转弯前后GPS方位角变化量超过某个阈值，则以得到的GPS方位角变化量为基准计算新的标度因子。为确保标定精度，该方法需要预先在电子地图中选定GPS观测条件良好、转弯集中且转弯角度较大的路段，当车辆行驶到该路段时才启动标定，应用局限性很大，同时该方法由于依赖于电子地图中的道路信息，因此在不启用真实导航的情况下无法进行。综上所述，现有的微机械陀螺标度因子的标定方法分别存在着标定算法较为复杂，实时性较差和车辆运行条件要求较高等问题，难以用于具有成本限制高、运行条件复杂和嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种快速简洁，能够节约计算资源的汽车用 微机械陀螺标度因子在线标定方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，它包括以下步骤I)当在线标定周期开始时，判断是否进行在线标定如果用户开启了在线标定功能，进入步骤2)；如果用户关闭了在线标定功能，进入步骤5)；2)查看前一个在线标定周期在线标定功能是否开启如果前一个在线标定周期在线标定功能关闭，则将GPS参考方位角初始化为0，进入步骤3)；如果前一个在线标定周期在线标定功能开启，则直接进入步骤3)；3)判断微机械陀螺当前标度因子是否失准3. I)通过GPS获取当前车辆位置、GPS方位角和在用星数，通过微机械陀螺获取当前陀螺输出电压，通过车速传感器获取当前车速；3. 2)判断当前GPS方位角是否满足精度要求如果当前在用星数大于给定的在用星数阈值，当前车速大于等于给定的车速阈值，则当前GPS方位角满足精度要求，用作GPS试探方位角，进入步骤3. 3);否则返回步骤I);3. 3)计算GPS转角和陀螺转角GPS转角是GPS试探方位角与GPS参考方位角之间的角度变化量；陀螺转角由与GPS转角对应时间段内的陀螺输出电压换算为角速度后积分获得；3. 4)判断GPS转角是否有效如果GPS转角大于给定的转角阈值，GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔大于给定的时间间隔阈值，从GPS参考方位角对应时刻到GPS试探方位角对应时刻的时间段内陀螺电压采样个数与GPS转角的比值小于给定的比值阈值，则该GPS转角有效，进入步骤3. 5)；否则该GPS转角无效，进入步骤3. 7);3. 5)以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角；3. 6)判断GPS转角与对应陀螺转角的差值是否大于GPS转角指定的倍数
如果大于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子失准，进入步骤4)；如果小于等于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子未失准，返回步骤I)；3. 7)判断GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔是否过长如果时间间隔大于给定的过长时间阈值，进入步骤3. 8)；如果时间间隔小于等于给定的过长时间阈值，返回步骤I)；3.8)以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角，返回步骤I)；4)根据步骤3. 3)获得的GPS转角和陀螺转角，以及当前标度因子计算新的标度因子，等待下一个在线标定周期的到来，返回步骤I);
5)结束。上述步骤I)中，在线标定周期设置为一个GPS信息的接收周期。上述步骤3.2)中，在用星数阈值大于等于4颗，车速阈值大于等于0 ;步骤3. 4)中，转角阈值大于等于0，时间间隔阈值大于等于I秒，比值阈值大于等于I个每度；步骤3.7)中，过长时间阈值大于等于步骤3. 4)中的时间间隔阈值。上述步骤3. 2)中，在用星数阈值设定为9颗，车速阈值设定为15米每秒；步骤3. 4)中，转角阈值设定为90度，时间间隔阈值设定为3秒，比值阈值设定为4. I个每度；步骤3. 6)中，指定的倍数设定为0. 0566 ;步骤3. 7)中，时间过长阈值设定为10秒。上述步骤4)中，计算新的标度因子的计算公式如下
新的标度因子=X当前标度因子。本发明由于采取上述技术方案，具有以下优点本方法利用汽车导航系统中常见的车载GPS设备和车速传感器，进行汽车用微机械陀螺标度因子的快速在线标定，根据本发明的在线标定方法，能够在车辆行驶过程中，对微机械陀螺标度因子失准进行判断，当标度因子失准时再对微机械陀螺标度因子进行自动标定，可以节约计算资源，提高微机械陀螺角速度的测量精度，使用其测得的角速度推算汽车的运动轨迹，从而为提高汽车导航的准确性提供了基础。本方法标定条件宽松，特别适用于具有成本限制高、运行条件复杂和嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。
图I是本发明所采用的汽车导航系统结构示意2是本发明的标定流程示意3是本发明的标度因子失准判断流程示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。通过附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。如图I所示，本发明所采用的汽车导航系统由GPS、微机械陀螺、车速传感器和嵌入式计算机构成。其中，GPS、微机械陀螺和车速传感器均与嵌入式计算机相连；GPS提供汽车定位信息，包括GPS方位角和在用星数，微机械陀螺提供与车辆角速度相关的陀螺输出电压，车速传感器(也可以由CAN总线代替)提供车速，嵌入式计算机提供在线标定方法的运算平台，融合GPS、微机械陀螺和车速传感器输送来的信息，完成微机械陀螺标度因子的在线标定。如图2所示，本发明基于上述汽车导航系统的微机械陀螺标度因子标定方法包括以下步骤I)当在线标定周期开始时，判断是否进行在线标定如果用户开启了在线标定功能，则进入步骤2)；
如果用户关闭了在线标定功能，则进入步骤5)；2)查看前一个在线标定周期在线标定功能是否开启如果前一个在线标定周期在线标定功能关闭，则将GPS参考方位角初始化为0，进入步骤3)；如果前一个在线标定周期在线标定功能也开启，则直接进入步骤3)；3)如图3所示，判断微机械陀螺当前标度因子是否失准3. I)通过GPS获取当前车辆位置、GPS方位角和在用星数，通过微机械陀螺获取表征当前车辆角速度的陀螺输出电压，通过车速传感器获取当前车速；3. 2)判断当前GPS方位角是否满足精度要求如果当前在用星数大于给定的在用星数阈值，当前车速大于等于给定的车速阈值，则当前GPS方位角满足精度要求，用作GPS试探方位角，进入步骤3. 3);否则返回步骤I);3. 3)计算GPS转角和陀螺转角GPS转角也即GPS方位角变化量，是GPS试探方位角与GPS参考方位角之间的角度变化量；陀螺转角由与GPS转角对应时间段内的陀螺输出电压换算为角速度后积分获得；3. 4)判断GPS转角是否有效如果GPS转角大于给定的转角阈值，GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔大于给定的时间间隔阈值，从GPS参考方位角对应时刻到GPS试探方位角对应时刻的时间段内陀螺电压采样个数与GPS转角的比值小于给定的比值阈值，则该GPS转角有效，进入步骤3. 5)；否则该GPS转角无效，进入步骤3. 7);3. 5 )更新GPS参考方位角以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角；3. 6)判断GPS转角与对应陀螺转角的差值是否大于GPS转角指定的倍数如果大于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子失准，进入步骤4)；如果小于等于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子未失准，返回步骤I)；3. 7)判断GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔是否过长如果时间间隔大于给定的过长时间阈值，进入步骤3. 8)；如果时间间隔小于等于给定的过长时间阈值，返回步骤I)；3. 8)更新GPS参考方位角以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角，返回步骤I)；
4)根据步骤3. 3)获得的GPS转角和陀螺转角，以及当前标度因子计算新的标度因子，等待下一个在线标定周期的到来，返回步骤I);5)结束。上述步骤I)中，在线标定周期可以设置为一个GPS信息的接收周期(单位为秒)。上述步骤3)的目的是为是否计算新标度因子提供判断依据，避免在当前标度因子未失准的情况下重复计算新标度因子而造成汽车导航系统嵌入式计算机的计算资源浪费。其中，各个阈值的选取设定须要满足一定的条件，其具体内容如下步骤3.2)中，在用星数阈值必须大于等于4颗，车速阈值必须大于等于O。步骤3. 4)中，转角阈值必须大于等于0，时间间隔阈值必须大于等于I秒，比值阈值必须大于等于I个每度。 步骤3. 7)中，过长时间阈值必须大于等于步骤3. 4)中的时间间隔阈值。由此，根据上述要求，本实施例的在用星数阈值可以设定为9颗，车速阈值可以设定为15米每秒，转角阈值可以设定为90度，时间间隔阈值可以设定为3秒，比值阈值可以设定为4. I个每度,指定的倍数可以设定为0. 0566,时间过长阈值可以设定为10秒。上述步骤4)中，根据步骤3. 3)获得的GPS转角和陀螺转角，以及当前标度因子计
算新的标度因子，其计算公式如下
权利要求
1.一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，它包括以下步骤 1)当在线标定周期开始时，判断是否进行在线标定 如果用户开启了在线标定功能，进入步骤2)； 如果用户关闭了在线标定功能，进入步骤5)； 2)查看前一个在线标定周期在线标定功能是否开启 如果前一个在线标定周期在线标定功能关闭，则将GPS参考方位角初始化为O，进入步骤3)； 如果前一个在线标定周期在线标定功能开启，则直接进入步骤3)； 3)判断微机械陀螺当前标度因子是否失准 3. I)通过GPS获取当前车辆位置、GPS方位角和在用星数，通过微机械陀螺获取当前陀螺输出电压，通过车速传感器获取当前车速； 3. 2)判断当前GPS方位角是否满足精度要求 如果当前在用星数大于给定的在用星数阈值，当前车速大于等于给定的车速阈值，则当前GPS方位角满足精度要求，用作GPS试探方位角，进入步骤3. 3); 否则返回步骤I); 3. 3)计算GPS转角和陀螺转角 GPS转角是GPS试探方位角与GPS参考方位角之间的角度变化量； 陀螺转角由与GPS转角对应时间段内的陀螺输出电压换算为角速度后积分获得； 3. 4)判断GPS转角是否有效 如果GPS转角大于给定的转角阈值，GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔大于给定的时间间隔阈值，从GPS参考方位角对应时刻到GPS试探方位角对应时刻的时间段内陀螺电压采样个数与GPS转角的比值小于给定的比值阈值，则该GPS转角有效，进入步骤3. 5)； 否则该GPS转角无效，进入步骤3. 7); 3. 5)以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角； 3. 6)判断GPS转角与对应陀螺转角的差值是否大于GPS转角指定的倍数 如果大于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子失准，进入步骤4)； 如果小于等于GPS转角指定的倍数，则当前标度因子未失准，返回步骤I)； 3.7)判断GPS参考方位角和GPS试探方位角对应时刻的时间间隔是否过长 如果时间间隔大于给定的过长时间阈值，进入步骤3. 8)； 如果时间间隔小于等于给定的过长时间阈值，返回步骤I); 3.8)以当前的GPS试探方位角作为新的GPS参考方位角，返回步骤I)； 4)根据步骤3.3)获得的GPS转角和陀螺转角，以及当前标度因子计算新的标度因子，等待下一个在线标定周期的到来，返回步骤I); 5)结束。
2.如权利要求I所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤I)中，在线标定周期设置为一个GPS信息的接收周期。
3.如权利要求I或2所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤3. 2)中，在用星数阈值大于等于4颗，车速阈值大于等于O ;所述步骤3. 4)中，转角阈值大于等于O，时间间隔阈值大于等于I秒，比值阈值大于等于I个每度；所述步骤3.7)中，过长时间阈值大于等于所述步骤3. 4)中的时间间隔阈值。
4.如权利要求I或2所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤3. 2)中，在用星数阈值设定为9颗，车速阈值设定为15米每秒；所述步骤3. 4)中，转角阈值设定为90度，时间间隔阈值设定为3秒，比值阈值设定为4. I个每度；所述步骤3. 6)中，指定的倍数设定为0. 0566 ;所述步骤3. 7)中，时间过长阈值设定为10秒。
5.如权利要求I或2所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤4)中，计算新的标度因子的计算公式如下新的标度因子当前标度因子。
6.如权利要求3所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤4)中，计算新的标度因子的计算公式如下新的标度因子当前标度因子。
7.如权利要求4所述的一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，其特征在于所述步骤4)中，计算新的标度因子的计算公式如下新的标度因子当前标度因子。
全文摘要
本发明涉及一种汽车用微机械陀螺标度因子在线标定方法，它能够在车辆行驶过程中，利用汽车导航系统中常见的车载GPS设备、微机械陀螺和车速传感器，实时采集GPS方位角、在用星数、陀螺输出电压和车速，为微机械陀螺标度因子失准判断提供依据，如果当前标度因子已经失准，则根据GPS方位角变化量、陀螺角度变化量和当前标度因子计算新的标度因子，并启用新标度因子。本发明可以避免在当前标度因子未失准的情况下重复计算新标度因子而导致的汽车导航系统嵌入式计算机的计算资源浪费，提高微机械陀螺角速度的测量精度，为提高汽车导航的准确性提供了基础。本方法特别适用于具有成本限制高、运行条件复杂和嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。
文档编号G01C25/00GK102706364SQ20121019482
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者张照生, 李江涛, 杨扬, 杨殿阁, 王钊, 连小珉 申请人:清华大学