智能手机车载情况下的高精度方向校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能手机车载情况下的高精度方向校正方法。综合利用智能手机内嵌的加速度传感器、GPS传感器、方向传感器，测量车辆的启动加速行为，并用手机的内存对测得的数据进行处理，估计车辆行走方向和手机朝向的夹角。多次实验结果证明该方法的估计精度很高，具有很好的应用前景。
【专利说明】智能手机车载情况下的高精度方向校正方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种智能手机车载情况下的高精度方向校正方法。
【背景技术】：
[0002] 交通安全是社会的焦点问题。近年来我国汽车保有量急剧增多。据统计2013年 底我国机动车保有量突破2. 52. 4亿余辆，驾驶机动车的人数达2. 82. 6亿。与此同时，也伴 随着交通事故的大量出现。2013年全国交通事故近20万起，造成众多的人员伤亡，给家庭 和社会造成了巨大损失。为改善该种状况，除了制定更加完善的交通管理办法和更加严格 的驾驶员培训制度，还需对驾驶员的驾驶状态、驾驶路线W及路况信息进行实时跟踪，建立 更加完善的管理体制，也可W为交通事故发生后的责任划定提供一定的依据。具体阐述如 下：
[0003] 驾驶状态跟踪。即对车辆的驾驶状态进行跟踪，尤其对于酒驾车辆的监测可有效 减少交通事故的发生。对手机加速度传感器记录的值进行处理，并与典型的酒驾各状态值 比较可W判定是否为酒驾行驶。该个过程需要对车辆的加速度进行分解包括车辆前进方向 的加速度和侧方加速度值，而手机坐标系与车辆坐标系的校正精度尤其关键。
[0004] 驾驶路线追踪。现在较为简单的驾驶路线追踪用GI^模块记录轨迹即可，然而其 精确度有限。虽能够了解车辆所在的位置信息，但不能对车辆的朝向，停放情况进行准确判 断，危险停车更容易引发交通事故，造成人员伤亡。本方法通过智能手机加速度传感器判断 驾驶状态（刹车、转弯、启动、减速等）能够更加准确地估计车辆的停放位置、朝向、坡度等 信息。该些都需要对车辆坐标系和手机坐标系进行准确的估计。
[0005] 路况信息采集。传统的路况估计方法有无线射频技术、车牌识别技术等固定点采 样。近几年新增了利用智能手机进行路况估计的方法，主要通过基站、WIFKGI^进行定位， W此推断路况信息。然而，此方法有很多不足之处；一是在信号薄弱有遮挡的地方无法进 行准确定位，甚至不能够进行定位；二是用定位的方法估计路况，忽略了对驾驶状态的监测 (频繁的启动停车现象、加减速行为、变道情况、超车现象），不能够对道路的拥堵情况做出 准确判断；H是如果用加速度传感器辅助GI^测量车辆的驾驶习性，与GI^数据相结合能够 更加准确的判断当前路况，实时性更高；四是加速度传感器能够通过测量车辆的颠簾程度 对路面的平整度进行测试，帮助人们选择更合理的出行路线。与驾驶路线追踪方法相似，需 要对车辆坐标系和手机坐标系进行准确的校正。
[0006] 由于方向传感器易受车内电磁设备的影响，且有些地理位置设备的部署会对地磁 场产生较大影响，如电视发射培、广播电台、手机基站、雷达站、高压线、变电站等。因此，有 人曾提出过利用加速度传感器进行方向校正，但没有对估计数据进行较严格的过滤，仅使 用加速度传感器进行方向校正，会由于非直线刹车的状态带来严重误差甚至错误，其通过 紧急刹车的方法进行方向校正即使能够取得较好的估计结果，也影响用户对车辆的正常使 用。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对现有技术方法的不足，提供一种智能手机车载情况下的高 精度方向校正方法。
[0008] 为了实现上述的目的，本发明一种智能手机车载情况下的高精度方向校正方法采 取如下技术方案，包括W下步骤：
[0009] (1)将智能手机固定在车上（手机坐标系表示为X'，y'，z'，车辆坐标系表示为 X，y，Z)，通过多次加速启动实验，利用智能手机内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传 感盎米集车辆的加速度（ay，，ay，，a,，）、速度V、经缔度、方向（Wy，，Wy，，w,，）和时间戳f曰息；
[0010] (2)对采集的海量数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线加速启动 的加速度信息；具体为：
[0011] (2. 1)通过步骤（1)采集到的速度筛选车辆的启动状态；车辆在3s内速度V从 零达到1. 5m/s的状态为启动状态；
[0012] (2. 2)从步骤化1)筛选出的启动状态中进一步筛选出直线启动行驶状态；对车 辆启动状态进行分析，对于方向波动值（启动过程中WyJ勺最大值与最小值之差）在4度W 内的为直线启动行驶状态；
[0013] (2. 3)从步骤化3)筛选出的直线启动行驶状态中进一步筛选出有效的直线启动 行驶状态：加速度> 0. 2m/s2的时刻为车辆启动真实时刻，速度从零到非零变化的时刻与上 述真实时刻的时间差为GI^延迟时间，选取GI^延迟时间《3. 5s时为有效的直线启动行驶 状态；
[0014](3)通过步骤（2)筛选出的直线启动行驶状态的方向计算得到X，y，Z与X'，y'，Z' 之间的关系：具体为：
[0015] 将车辆坐标系绕其Z轴顺时针旋转a角度后得到坐标系Xi，yi，Zi,然后绕其X轴 逆时针旋转目角度后得到X2，y2，Z2,最后绕其Y轴逆时针旋转Y角度，使得车辆坐标系经 H次旋转后与手机坐标系重合，目角度等于步骤（2)筛选出的有效的直线启动行驶状态的 WyJ勺平均值；Y角度等于步骤（2)筛选出的有效的直线启动行驶状态的W,J勺平均值；根 据水平面的加速度值求出手机朝向与车辆前进方向的a角度，由下式求得，
[001引a=arctan(SyiAxi)+90, 3別<0, ayi<0或苗1<0, ayi〉0
[0017] a = arctan (Syi/axi) +270, 3別〉0, ayi<0或3別〉0, ayi〉0
[0018] 其中，3x1表示在坐标系Xi，yi，Zi中Xi方向的加速度，ayi表示在坐标系Xi，yi，Zi中 yi方向的加速度，通过W下公式得到：
【权利要求】
1. 一种智能手机车载情况下的高精度方向校正方法，其特征在于，该方法包括以下步 骤： (1) 将智能手机固定在车辆上，假设手机坐标系表示为X'，/，Z'，车辆坐标系表示为 X，y, Z，通过多次加速启动实验，利用智能手机内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感 器采集车辆的加速度（&!￡，，&/，&2，）、速度〃、经纟韦度、方向（《 !￡，，~，^，）和时间戳信息； (2) 对采集的数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线加速启动的加速度 信息；具体为： (2. 1)通过步骤（1)采集到的速度筛选车辆的启动状态：车辆在3s内速度V从零达 到I. 5m/s的状态为启动状态； (2. 2)从步骤（2. 1)筛选出的启动状态中进一步筛选出直线启动行驶状态：对车辆启 动状态进行分析，对于方向波动值（启动过程中wy,的最大值与最小值之差）在4度以内的 为直线启动行驶状态； (2.3)从步骤（2.3)筛选出的直线启动行驶状态中进一步筛选出有效的直线启动行驶 状态：加速度> 〇. 2m/s2的时刻为车辆启动真实时刻，速度从零到非零变化的时刻与上述真 实时刻的时间差为GPS延迟时间，选取GPS延迟时间< 3. 5s时为有效的直线启动行驶状 态； (3) 通过步骤（2)筛选出的直线启动行驶状态的方向计算得到x，y，z与x'，y'，z'之间 的关系：具体为： 将车辆坐标系绕其Z轴顺时针旋转a角度后得到坐标系Xl，yi，Z1，然后绕其X轴逆时 针旋转P角度后得到x2, y2, Z2，最后绕其Y轴逆时针旋转Y角度，使得车辆坐标系经三次 旋转后与手机坐标系重合，P角度等于步骤（2)筛选出的有效的直线启动行驶状态的wy, 的平均值；Y角度等于步骤（2)筛选出的有效的直线启动行驶状态的的平均值；根据水 平面的加速度值求出手机朝向与车辆前进方向的a角度，由下式求得， a = arctan(ayl/axl)+90, axl〈0, ayl〈0 或 axl〈0, ayl>0 a = arctan(ayl/axl)+270, axl>0, ayl〈0 或 axl>0, ayl>0 其中，axl表示在坐标系X1, Y1, Z1中X1方向的加速度，ayl表示在坐标系X1, Y1, Z1中Y1方 向的加速度，通过以下公式得到：
^为有效启动状态加速度ax;的平均值；^为有效启动状态的平均值；&为有效 启动状态az,的平均值；azl表示在坐标系X1, yi，Z1中Z1方向的加速度； 得到坐标校正关系式如下：
【文档编号】G01C25/00GK104359493SQ201410654112
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】宗晓杰, 文祥计, 张铁柱, 刘翔, 王智 申请人:浙江工商大学