一种车载惯性导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种车载惯性导航系统，包括：气压高度传感器、里程计、加速度传感器、图像获取模块、控制模块、触摸显示模块、音频模块和通信模块，其中，控制模块内部具有多个中断响应模块、I2C总线接口模块、串口通信接口模块和数据输入输出模块。里程计与控制模块的中断响应模块连接，气压高度传感器与通过I2C总线接口模块与控制模块连接。通信模块通过串口通信接口模块和控制模块连接。加速度传感器、图像获取模块、触摸显示模块和音频模块通过数据输入输出模块和控制模块连接。本发明所述系统能提供三维位置、速度和轨迹数据并辅以驾驶员闭眼警示、撞击警示、越界警示和附近兴趣点的自动匹配等特点。
【专利说明】
一种车载惯性导航系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及车载导航领域，尤其涉及一种能提供三维位置、速度和轨迹数据并辅以驾驶员闭眼警示、撞击警示、越界警示和附近兴趣点的自动匹配等特点的车载导航系统。
【背景技术】
[0002]目前，车载惯性导航定位方式都只能假设车辆行驶在平面上，因此所得到的结果都基于平面直角坐标系下的定位结果。在真实应用环境中，如果车辆发生高度上的变化，例如上坡或下坡，驶入或驶出高架桥等场景时，定位系统内无法判断车辆的高度信息而无法给车辆行驶路径以精确引导，导致惯性导航定位质量受到较大影响。另外，疲劳驾驶已经和毒驾、酒驾、超速、超载一起成为交警部门严厉打击的五类严重违法行为，现有的车载导航系统不能在驾驶员处于疲劳状态时给予提醒，也不能在发生撞击时向车辆以外的相关目标发送报警信息。另外，现有的车载导航系统无法像手机那样结合地图以及附着在道路上的二次信息来增强驾驶员的体验。因此，本领域的技术人员致力于开发一种能提供三维位置和轨迹数据并辅以驾驶员闭眼报警、撞击报警和附近兴趣点的自动匹配等特点的车载导航系统。
【发明内容】
[0003]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种能提供三维位置、速度和轨迹数据并辅以驾驶员闭眼警示、撞击警示、越界警示和附近兴趣点的自动匹配等特点的车载导航系统。
[0004]在本发明的较佳实施方式中，一种车载惯性导航系统，包括:气压高度传感器
(I)、里程计⑵、加速度传感器(3)、图像获取模块⑷、控制模块(5)、触摸显示模块(6)、音频模块(7)和通信模块(8)，其中，所述控制模块(5)内部具有多个中断响应模块、I2C总线接口模块、串口通信接口模块和数据输入输出模块。所述里程计(2)包含左轮里程计和右轮里程计，所述左轮里程计和所述右轮里程计与所述控制模块(5)中的所述中断响应模块连接；所述气压高度传感器(I)与所述控制模块(5)中的所述I2C总线接口模块连接；所述通信模块(8)通过所述串口通信接口模块和所述控制模块(5)连接。所述加速度传感器
(3)、所述图像获取模块(4)、所述触摸显示模块(6)和所述音频模块(7)通过所述数据输入输出模块和所述控制模块(5)连接。
[0005]进一步地，所述里程计(2)的功能是获得车辆行驶过程中的车轮转动信息，所述左轮里程计安装于车辆的左后轮，所述右轮里程计安装于车辆的右后轮，随着车辆的行驶，所述左轮里程计和所述右轮里程计能分别产生相应的周期性脉冲信号，通过所述控制模块
(5)中的所述中断响应模块，将车辆运动的水平方向信息提供给所述控制模块(5)。
[0006]进一步地，所述气压高度传感器(I)的功能是测量车辆所处位置的大气压值，通过大气压值和海拔高度的换算关系得到车辆的海拔高度，通过所述控制模块(5)中的所述I2C总线接口模块将车辆海拔高度信息发送给所述控制模块(5)。
[0007]进一步地，控制模块(5)综合处理所述左轮里程计、所述右轮里程计和气压高度传感器(I)的原始数据，所述综合处理包括以下步骤:
[0008]响应两个外部中断，调用计数器模块，获得两个车轮转动信息；
[0009]通过所述I2C总线接口模块读取气压高度传感器内部相应寄存器的值，获得气压值信息；
[0010]执行改进的惯性导航定位算法，将两个车轮的转动信息转化为水平方向上的速度位置信息，将所述气压值信息转化为垂直方向上的速度位置信息；以及
[0011]将三维位置速度信息通过所述串口通信接口模块输出。
[0012]进一步地，在车辆驾驶员发生疲劳驾驶的时候，能主动发现并提醒驾驶员纠正，也可被配置成向车辆外部有关目标发送警示信息。
[0013]进一步地，当所述加速度传感器(3)检测到有碰撞事故发生时，可被配置成通过所述通信模块(8)向车辆外部有关目标发送警示信息。
[0014]进一步地，所述控制模块(5)能实时记录和向车辆外部有关目标发送三维位置信息，并在所述触摸显示模块(6)上显示车辆的三维运动轨迹，为驾驶员、车主或公安刑侦人员了解和分析车辆运动情况提供数据支持。
[0015]进一步地，可在地图上配置三维边界，当车辆运动到边界时或超出边界时，向驾驶员或车辆外部有关人员发送警示信息。
[0016]进一步地，可根据地图及其二次开发位置信息自动匹配驾驶员的兴趣点，例如加油站和停车场等，并用语音播报所述兴趣点的信息以及车辆与所述兴趣点之间的距离。
[0017]相比现有技术，本发明提供的车载导航系统有以下有益效果:
[0018]I)引入气压高度传感器使得本发明所述系统具有提供三维位置数据的能力，而且系统机构简洁，易于实现且元器件成本低廉。
[0019]2)在车辆驾驶员发生疲劳驾驶的时候，本发明所述系统能主动发现并提醒驾驶员纠正，也可被配置成向车辆外部有关目标发送警示信息。
[0020]3)当检测到有碰撞事故发生时，本发明所述系统可被配置成向车辆外部有关目标发送警示信息。
[0021]4)本发明所述系统能实时记录和向车辆外部有关目标发送三维位置信息，并在触摸显示模块上显示车辆的三维运动轨迹，为驾驶员、车主或公安刑侦人员了解和分析车辆运动情况提供数据支持。
[0022]5)本发明所述系统可被配置一个地图上的三维边界，当车辆运动到边界时或超出边界时，向驾驶员或车辆外部有关人员发送警示信息。
[0023]6)本发明所述系统可以根据地图及其二次开发位置信息自动匹配驾驶员的兴趣点，例如加油站，停车场等，并用语音播报兴趣点信息以及车辆与兴趣点的距离。
[0024]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构图；以及
[0026]图2是本发明的一个较佳实施例的获取三维位置信息的流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合说明书附图对具体实施方法进行详细说明。
[0028]如图1所示，本发明所述车载惯性导航系统，包括:气压高度传感器(I)、里程计
(2)、加速度传感器(3)、图像获取模块(4)、控制模块(5)、触摸显示模块￠)、音频模块(7)和通信模块(8)，其中，所述控制模块(5)内部具有多个中断响应模块、I2C总线接口模块、串口通信接口模块和数据输入输出模块。
[0029]所述里程计包括左轮里程计和右轮里程计，分别安装于车辆的左后轮和右后轮，随着车辆的行驶，左轮里程计和右轮里程计能分别产生相应的周期性脉冲信号，通过控制模块的中断响应模块，将车辆的运动的水平方向信息提供给控制模块。其输出为脉冲信号，每输出一个脉冲所代表的车轮转动距离取决于车轮半径以及在车轮上均匀布置了多少个感测单元。
[0030]所述气压高度传感器可以测量车辆所处位置的大气压值，通过大气压值和海拔高度的换算关系得到车辆的海拔高度。通过控制模块的I2C总线接口模块将车辆海拔高度信息发送给控制模块。
[0031]所述控制模块可以通过各个接口模块获取左轮里程计，右轮里程计，气压高度传感器所产生的信息；执行改进的惯性导航定位算法；获得车辆水平方向和垂直方向上的导航定位信息；通过内部的串口通信接口模块将导航定位信息输出。
[0032]执行所述改进的惯性导航定位算法的步骤如图2所示，其处理过程包括:
[0033]I)响应两个外部中断，调用计数器模块，获得两个车轮转动信息；
[0034]2)通过I2C总线接口读取气压高度传感器内部相应寄存器的值，获得气压值信息；
[0035]3)执行改进的惯性导航定位算法，将两个车轮的转动信息转化为水平方向上的速度位置信息，将气压值信息转化为垂直方向上的速度位置信息。
[0036]4)将三维位置速度信息通过串口输出。
[0037]所述步骤3)中，由两个车轮转动信息转化为水平方向速度位置信息所涉及的公式如下:
[0038]获得车辆行驶水平速度大小V的计算公式如下:
[0039]V = AD+ Δ t
[0040]式中，AD为在一个更新历元里车辆走过的距离，At是一个更新历元的时间间隔，其中，
[0041]AD= (AL+AR) ^-2
[0042]式中，Λ L为左轮在一个更新历元里走过的距离，Λ R为右轮在一个更新历元里走过的距离，
[0043]AL = TicLX d
[0044]AR = TicRX d
[0045]式中，TicL为在一个更新历元里左轮里程计输出的脉冲数，TicR为在一个更新历元里右轮里程计输出的脉冲数，d为一个脉冲数对应走过的距离。
[0046]获得车辆偏航角度的计算公式如下:
[0047]Hd (t) = Η?α-1) + ω
[0048]式中，Hd(t)为车辆当前历元的航向角，Hd(t-1)为车辆上一历元的航向角。ω是车辆当前历元的偏航角变化，
[0049]ω = ( Δ R- Δ L) /length
[0050]式中，length是车辆左右后轮的间距。
[0051]所述步骤3)中，由气压值信息转化为垂直方向上的速度位置信息所涉及的公式如下:
[0052]由气压值计算海拔高度的公式为:
fI Λ
(? ^)5.255
[0053]AJtitude=^j O* 1- -^―
UoJ
VJ
[0054]式中，P为气压计测得的气压值，P0为海平面的气压值。
[0055]计算垂直方向速度vh的公式为:
[0056]vh = (Altitudet-Altitude^1) -?- Δ t
[0057]式中，Altitudet为当前时刻海拔高度，Altitude^1为上一时刻海拔高度，At是一个更新历元的时间间隔。
[0058]使用上述器件连接方式和算法，实现了输出车辆三维位置速度信息的功能。
[0059]驾驶员在驾驶车辆过程中常常因困倦或晃眼等原因闭眼，这个动作会给驾驶员和车上乘员以及车辆本身带来巨大风险，本发明中的图像获取模块(4)可在车辆启动上路以后一段时间内给驾驶员脸部拍着一组照片，并进行眼睛开度的检测处理，具体地说，通过图像处理算法，先检测眼睛的位置，对该位置区域的图像进行二值化处理，然后标识出眼睛开度的大小。在后续行车过程中，按照一定的时间间隔拍摄驾驶员面部照片，并计算眼睛开度大小，若发现某一时刻的眼睛开度大小低于所设定的阈值，便可判断驾驶员闭眼，同时通过通信模块(8)发出报警信息。
[0060]所述的电加速度传感器，可实时监测车辆行驶过程中加速度的变化，在感知车辆发生碰撞以后，自动通过音频模块(7)向驾驶员发出警示信息，与此同时通过通信模块(8)向车辆外部的其他相关人员发出警示信息。
[0061]本发明可将车辆行驶的三维位置坐标记录下来，并在显示屏上绘制两维或三维运动轨迹，并可将整个坐标记录通过无线数据网络发送到指定邮箱或服务器。通过这样的方式，驾驶员和其他相关人员可以了解车辆的行驶轨迹，并在车辆发生盗窃的时候提示车辆位置线索，极大地增大了找到车辆的可能性。
[0062]本发明所述系统可被配置一个地图上的三维边界，当车辆运动到边界时或超出边界时，向驾驶员或车辆外部有关人员发送警示信息。这个功能在需要管理大量车辆的场合会起到较好有益效果，例如出租车公司，租车公司，公交公司等。
[0063]本发明所述系统可以根据车辆所在位置和道路平面数据进行匹配，并用语音播报出车辆位置附近是否有所设定的场所，若有，则随后播报距离。所述道路平面数据是包含道路的位置信息，还包括附件的各种场所的位置信息(如加油站，停车场)以及这个场所的附加信息(如商家促销信息)。本发明所述系统在通过音频模块(7)播报附件场所的信息时，也通过触摸显示模块(6)显示更多的候选信息。
[0064]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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】
1.一种车载惯性导航系统，其特征在于，包括:气压高度传感器(I)、里程计(2)、加速度传感器(3)、图像获取模块(4)、控制模块(5)、触摸显示模块(6)、音频模块(7)和通信模块(8)，其中，所述控制模块(5)内部具有多个中断响应模块、I2C总线接口模块、串口通信接口模块和数据输入输出模块；所述里程计(2)包含左轮里程计和右轮里程计，所述左轮里程计和所述右轮里程计与所述控制模块(5)中的所述中断响应模块连接；所述气压高度传感器(I)与所述控制模块(5)中的所述I2C总线接口模块连接；所述通信模块(8)通过所述串口通信接口模块和所述控制模块(5)连接；所述加速度传感器(3)、所述图像获取模块(4)、所述触摸显示模块(6)和所述音频模块(7)通过所述数据输入输出模块和所述控制模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，所述里程计(2)用于获得车辆行驶过程中的车轮转动信息，所述左轮里程计安装于车辆的左后轮，所述右轮里程计安装于车辆的右后轮，随着车辆的行驶，所述左轮里程计和所述右轮里程计能分别产生相应的周期性脉冲信号，通过所述控制模块(5)中的所述中断响应模块，将车辆运动的水平方向信息提供给所述控制模块(5)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气压高度传感器(I)用于测量车辆所处位置的大气压值，通过大气压值和海拔高度的换算关系得到车辆的海拔高度，通过所述控制模块(5)中的所述I2C总线接口模块将车辆海拔高度信息发送给所述控制模块(5)。
4.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，所述控制模块(5)综合处理所述左轮里程计、所述右轮里程计和所述气压高度传感器(I)的原始数据，所述综合处理包括以下步骤: 响应两个外部中断，调用计数器模块，获得两个车轮转动信息； 通过所述I2C总线接口模块读取所述气压高度传感器内部相应寄存器的值，获得气压值信息； 执行改进的惯性导航定位算法，将两个车轮的转动信息转化为水平方向上的速度位置信息，将所述气压值信息转化为垂直方向上的速度位置信息；以及 将三维位置速度信息通过所述串口通信接口模块输出。
5.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，在车辆驾驶员发生疲劳驾驶的时候，所述车载惯性导航系统能主动发现并提醒驾驶员纠正，也可被配置成向车辆外部有关目标发送警示信息。
6.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，当所述加速度传感器(3)检测到有碰撞事故发生时，所述车载惯性导航系统可被配置成通过所述通信模块(8)向车辆外部有关目标发送警示信息。
7.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，所述控制模块(5)能实时记录和向车辆外部有关目标发送三维位置信息，并在所述触摸显示模块(6)上显示车辆的三维运动轨迹，为驾驶员、车主或公安刑侦人员了解和分析车辆运动情况提供数据支持。
8.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，可在地图上配置三维边界，当车辆运动到边界时或超出边界时，向驾驶员或车辆外部有关人员发送警示信息。
9.根据权利要求1所述的车载惯性导航系统，其特征在于，可根据地图及其二次开发位置信息自动匹配驾驶员的兴趣点，例如加油站和停车场等，并用语音播报所述兴趣点的 信息以及车辆与所述兴趣点之间的距离。
【文档编号】G01C21/34GK104296744SQ201410494790
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】王励扬, 何文涛, 马成炎, 蔺晓龙, 翟昆明, 胡晓峰, 王浩 申请人:中国科学院嘉兴微电子与系统工程中心