一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于惯性传感器的导航方法，包括步骤：在静止状态下获取载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的N个直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角，对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换；通过载体的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置。可以判定载体是否静止，实现在卫星信号不好的情况下连续导航。本发明还提供一种基于惯性传感器的导航系统。
【专利说明】一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统【技术领域】
[0001]本发明涉及车载导航领域，特别涉及一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的日益提高，对连续的实时定位提出了较高的要求，但由于使用环境的复杂，单一的卫星导航定位系统，难以满足车辆实时、连续定位需求。当前，车载组合定位系统多使用GPS接收机和以陀螺仪、车速脉冲或加速度计组成的DR (DeadReckoning,航位推算)通过微处理器进行系统集成,组成GPS/DR组合定位方案,但这些方案均具有一定的局限性。
[0003]其中，在环境恶劣的情况下，惯性导航将发挥重大的作用。惯性导航通常由相互正交的三轴加速度计和相互正交的三轴陀螺仪等惯性传感器组成，短期内可以提供高精度的三维位置、三维速度和三维姿态信息，其不受外界干扰，自主性好，目前已在车载、航空、航海等领域得到广泛应用。惯性传感器通常安装在载体上，为了让惯性传感器的测量数据直接反应载体的线运动和角运动信息，其轴向需与载体的右向、前向和天向平行，因此对安装方式和空间提出了较高的要求，同时需要人为地设置其轴向，操作繁琐，限制了惯性导航的应用。由于载体空间和人为操作等因素的影响，安装时会存在一定的倾角，当倾角不可忽略时，会影响惯性导航的精度。在判断传感器的轴向时，如果惯性传感器的任意两轴与重力加速度的夹角为45度 ,则理论上该两轴方向的比力绝对值相等,而另一轴的比力为0，此种情况下的轴向可存在多种情况。
[0004]根据发明人的了解，现有技术在利用惯性导航的技术时，至少存在下列问题:
1.根据卫星导航系统输出的水平合速度判定载体是否静止，这对卫星导航系统的精度和稳定性有一定的要求。当卫星信号弱或完全失锁时，卫星导航系统不能准确判定载体是否静止，导致无法识别天向轴和前向轴，其应用存在较大的局限性；
2.现有技术在运用时，要求惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行。而在实际安装时，由于载体空间和人为操作等因素，惯性传感器的轴向与载体的右向轴和前向轴会存在一定的倾角，当倾角不可忽视时，现有技术的适用性大大降低。
[0005]3.由于加速度计输出的比力包括载体的运动加速度和重力加速度,在判定载体前向轴的过程中，未考虑去除重力加速度的影响，直接将加速度计比力输出值对时间积分的结果作为速度值。当载体倾斜或非水平安装等因素导致重力加速度的分量不可忽略时，会出现误判。
【发明内容】
[0006]基于上述情况，本发明提出了一种基于惯性传感器的导航方法，该方法主要利用惯性传感器的轴向信息；在经过矩阵变化运算获取转换后三轴对应比力值及角速度值，通过结合载体自身的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置。应用了惯性传感器的特性，对各个轴向进行适应性地计算和调节。实现在卫星信号不好的情况下连续无缝导航，具有较大的实际应用价值。
[0007]—种基于惯性传感器的导航方法，包括步骤:在静止状态下获取载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的#个直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角
?和沒，对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换，获取转换后三轴对
应比力值及角速度值；通过载体的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置；所述第一轴、第二轴与第三轴两两垂直。
[0008]本发明还提供了一种基于惯性传感器的导航系统，包括:惯性传感器信息采集模块、数据处理模块，所述模块依次连接；所述惯性传感器信息采集模块用于获取在静止状态下载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的#个 直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；所述数据处
理模块用于根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角參
和,对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换，获取转换后三轴对应
比力值及角速度值；通过载体的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置；所述第一轴、第二轴与第三轴两两垂直。
[0009]相对于现有技术，本发明提供的一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统，应用了惯性传感器的特性，对各个轴向进行适应性地计算和调节。可以准确判定载体是否静止，并准确识别天向轴和前向轴，实现在卫星信号不好的情况下连续无缝导航，具有较大的实际应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的一种基于惯性传感器的导航方法实施例的流程示意图；
图2是本发明的一种基于惯性传感器的导航方法中的矩阵对应轴向示意图；
图3是本发明的一种基于惯性传感器的导航方法中的矩阵变换示意图A ；
图4是本发明的一种基于惯性传感器的导航方法中的矩阵变换示意图B ；
图5是本发明的一种基于惯性传感器的导航系统实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0011]以下结合其中的较佳实施方式对本发明方案进行详细阐述。如图1所示，惯性传感器包括相互正交的三轴陀螺仪和相互正交的三轴加速度计。惯性传感器的两轴与载体的右向轴和前向轴分别存在倾角#和Θ。惯性传感器的原始轴向为尤7又，正确识别轴向后与载体右向、前向存在倾角的轴向为尤7Λ，经过补偿倾角和后与载体右向、前向和天向一致的轴向为石Λ4。该方法采用的数据包括卫星导航速度信息、陀螺仪的角速度输出和加速度计的比力输出。载体静止时，加速度计仅受重力作用，而载体从静止到运动的短时间内，载体前向有较大的运动加速度。基于以上特征可自动识别惯性传感器的轴向。
[0012]图2中示出了本发明一种车载组合导航方法实施例的流程示意图。
[0013]如图2所示，本实施例中的方法包括步骤:
SlOl:在静止状态下获取载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的N个直线行驶时刻中的第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值。
[0014]其中第一轴的轴向判断步骤为:将惯性传感器三轴的比力/Β?、Λ分别与本地重力加速度貧比较=? = ||/3!?|-g|, Sjsy= \f}y\-g ’ Sfss = ||/J- g|。?、Sf5y和Sjss分别为
加速度计尤I75Zs轴比力的绝对值与本地重力加速度差距的绝对值。当足4 <Sftkre^m时，则尤轴与；轴平行。若Λ为正，则尤与；轴方向相同；若厶为负，则尤与；轴方向相反。当时，则I；轴与；轴平行。若/$为正，则I；与；轴方向相同；若4为负，则I；与；轴方向相反。当5/? <5/_5&|?时，则乙轴与；轴平行。若厶为正，则乙与；轴方向相同；若/2为负，则乙与A轴方向相反。其中，巧#,—.为临界阀值。同时，保存其它两
轴的比力，该比力为重力加速度的分量/_，并不断计算均值。理论上，在静止时向上方向
的比力为g，向下方向的比力为-g，尤7石中；与向上的夹角比较小，该方向比力和g非常接近，而和η方向的比力很小，因此我们可观察加速度计输出中，尤轴哪个轴的比力和g比较接近来判断。的取值比较小，尤I75Zs三个轴中有且仅有一个轴满足以上条件。
[0015]作为更优的实施方案，匀速直线运动情况下，载体线加速度为0，且由于是直线运动，载体角加速度为O (转弯时会有向心加速度)，因此，该情况下加速度计的输出是重力加速度的分量，与静止情况下加速度计和陀螺仪的输出一样。因而，无论在静止状态或匀速直线运动状态下，都可以判断第一轴的轴向。
[0016]第二轴轴向的判定步骤为:获取载体从静止状态到运动状态的#个直线行驶时刻中第二轴的加速度；判断第二轴的加速度大于预设加速度阈值的次数是否超过预设次数；若是，载体为前向运动加速度；若否，载体为右向运动加速度。由于加速度的方向有正负之分，这里说的前向运动加速度为负的时候，前向运动加速度可以解释为后向运动加速度；同理，右向运动加速度可以解释为左向运动加速度。以下用例子进行展开说明:
在载体由静止到运动直线行驶的Λ/个时刻中，计算每个时刻第二轴的运动加速度:
λ=/-Zrw, /为第二轴的比力，/_为重力加速度在第二轴方向上的分量。由于在该过程中载体加速，在某几个时刻会出现前向运动加速度比较大，而右向运动加速度一直比较小。因此，统计运动加速度a的绝对值大的个数#。当μ>= Jyg-时，第二轴与
I；轴方向平行，若β为正，则第二轴与I；方向相同，若a为负，则第二轴与I；方向相反。当时，第二轴与轴方向平行，若?力正,则第二轴与方向相同，若S为负，则该轴与方向相反。
[0017]若判定成功，获取第二轴轴向。
【权利要求】
1.一种基于惯性传感器的导航方法，其特征在于，包括步骤:在静止状态下获取载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的#个直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角Φ和沒，对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换，获取转换后三轴对应比力值及角速度值；通过载体的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置；所述第一轴、第二轴与第三轴两两垂直。
2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴轴向的获取方法，包括:获取载体从静止状态到运动状态的N个直线行驶时刻中第二轴的加速度；判断所述第二轴的加速度大于预设加速度阈值的次数是否超过预设次数；若是，所述第二轴轴向为前向；若否，所述第二轴轴向为右向。
3.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴与所述载体的前向轴
的倾角
4.一种基于惯性传感器的导航方法，其特征在于，包括步骤:在匀速直线运动状态下获取载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从匀速直线运动状态到变速运动状态的#个直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角#和沒，对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换，获取转换后三轴对应比力值及角速度值；通过载体的初始位置、初始速度、初始角速度以及所述转换后三轴对应比力值及角速度值来计算所述载体当前的位置、速度以及角速度；所述第一轴、第二轴与第三轴两两垂直。
5.根据权利要求4所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴轴向的获取方法，包括:获取载体从匀速直线运动状态到变速运动状态的N个直线行驶时刻中第二轴的加速度；判断所述第二轴的加速度大于预设加速度阈值的次数是否超过预设次数；若是，所述第二轴轴向为前向；若否，所述第二轴轴向为右向。
6.根据权利要求4所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴与所述载体的前向轴
的倾角
7.一种基于惯性传感器的导航系统，其特征在于，包括:惯性传感器信息采集模块、数据处理模块，所述模块依次连接；所述惯性传感器信息采集模块用于获取在静止状态下载体惯性传感器三轴的比力方向与重力加速度g方向一致的第一轴轴向；获取从静止状态到运动状态的N个直线行驶时刻中所述第二轴轴向；根据所述第一轴轴向与所述第二轴轴向获取第三轴轴向，并获取所述惯性传感器的三轴对应比力值及角速度值；所述数据处理模块用于根据所述惯性传感器的第二轴、第三轴与所述载体的前向轴、右向轴的倾角?和沒，对所述惯性传感器三轴对应比力值及角速度值进行矩阵转换，获取转换后三轴对应比力值及角速度值；通过载体的初始位置、所述转换后三轴对应比力值及角速度值计算所述载体的位置；所述第一轴、第二轴与第三轴两两垂直。
8.根据权利要求7所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴轴向的获取方法，包括:获取载体从静止状态到运动状态的N个直线行驶时刻中第二轴的加速度；判断所述第二轴的加速度大于预设加速度阈值的次数是否超过预设次数；若是，所述第二轴轴向为前向；若否，所述第二轴轴向为右向。
9.根据权利要求7所述的导航方法，其特征在于，所述第二轴与所述载体的前向轴的倾角
【文档编号】G01C21/26GK103968848SQ201410211975
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】殷红, 侯杰虎, 刘彪 申请人:东莞市泰斗微电子科技有限公司