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CN101201255A - 基于智能导航算法的车辆组合导航系统 - Google Patents

基于智能导航算法的车辆组合导航系统 Download PDF

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CN101201255A CNA2007100509399A CN200710050939A CN101201255A CN 101201255 A CN101201255 A CN 101201255A CN A2007100509399 A CNA2007100509399 A CN A2007100509399A CN 200710050939 A CN200710050939 A CN 200710050939A CN 101201255 A CN101201255 A CN 101201255A
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王茂宁
李晓峰
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Sichuan Chuanda Zhisheng Software Co Ltd
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Sichuan Chuanda Zhisheng Software Co Ltd
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一种基于智能导航算法的车辆组合导航系统由GPS模块,电子罗盘,车速传感器及车速信号处理电路,智能地图匹配算法模块,车辆行驶轨迹显示,记录与回放模块以及语言提示模块组成;智能地图适配算法模块利用GPS定位数据、车速传感器给出的行驶距离数据和电子罗盘给出的行驶方向数据,结合电子地图的路网信息,用行驶距离在已知道路上推算,从而定位当前车辆的位置。本系统不受GPS信号的影响,实现了不间断的车辆定位功能,且系统实施成本低。

Description

基于智能导航算法的车辆组合导航系统
技术领域
本发明涉及采用计算机应用技术的车辆导航系统,特别是智能化的组合式车辆导航系统。
背景技术
智能车辆导航系统是智能交通系统的重要组成部分,是把先进的全球卫星定位(GPS)技术、组合导航技术、地理信息技术等综合在一起的高科技系统,进入九十年代以后发展迅猛。近年来,随着城市中车辆数量的日益增多,如何在城市里有效地指挥、管理公共服务车辆和一些特种车辆,已经成为交通运输部门和城市规划部门面临地一个重要的课题,车辆导航系统更加受到人们的关注。车辆导航定位系统有自主式、非自主式和组合式三种。自主式车辆导航定位系统利用惯性导航原理,使用陀螺仪、里程仪等传感器测量车辆的位移和航向信息,由此解算出车辆的位置。DR(Dead Reckoning航位推算)是自主式导航定位系统中的典型代表。非自主式车辆导航定位系统主要以GPS(Global Positioning System)或差分GPS作为定位手段。组合式车辆导航定位系统则是前两种导航方式的结合。基于GPS定位技术实现的车辆导航系统,在GPS信号丢失的环境里,如高架桥下、隧道、城市高楼间,将不能提供导航和定位功能,不能满足某些需要实时定位的公共服务车辆和特种车辆的功能要求。现有的车辆组合导航算法中大多是依赖于GPS/DR数据,如基于代价函数的地图匹配算法,基于权重的地图匹配算法,基于圆搜索直接投影地图匹配算法等,由于这些算法的准确性依赖于GPS/DR数据的准确性,在低成本的车辆导航系统中,GPS本身的误差、DR的累积误差、传感器的测量误差、电子地图的误差,将使得GPS/DR估计的车辆位置可信度降低,甚至使车辆位置完全偏离实际道路。而有些地图匹配算法原理较为复杂,实现难度较大,如基于神经网络的地图匹配算法、基于Kalman滤波的地图匹配算法、基于概率统计的地图匹配算法等,在低成本/计算能力低的车辆导航系统中实时运行速度达不到应用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于智能导航算法的车辆组合导航系统,以综合利用电子罗盘、车速传感器、GPS模块定位数据和电子地图,实现低成本的车辆组合导航系统。
本发明的目的是这样实现的:一种基于智能导航算法的车辆组合导航系统包括:GPS信号接收模块:确定车辆的初始行驶道路和道路的ID,输出含有车辆的距离和方向信息的GPS数据;电子罗盘:确定并输出车辆的行驶方向数据;车速传感器及车速信号处理电路:车速信号处理电路对车速传感器采集得到的车辆速度数据处理后,输出车辆行驶距离数据;车辆行驶轨迹显示、记录与回放模块,以及语音提示模块,还具有智能地图匹配算法模块:结合电子地图的路网信息,按以下步骤进行推算:
(1)地图匹配初始化
用GPS点来找车辆初始行驶通路和通路的ID,并且利用GPS航向角度,通过直接投影算法和圆搜索算法相结合的方法,确定方向节点和车辆行驶距离;
(2))当下一个GPS点还没有来之前,以上一次匹配点进行DR插值,插值的时刻以取得车速传感器数据的时间为基准,转向(3);当有GPS数据来了转向(10);
(3)判断上一次匹配点是否进入了判断域内,如果是转(5),否则转(4);
(4)直行推算状态:根据车速直行推算,如果车速直行推算的点不在道路上了,则匹配在方向节点,转(11);
(5)判断DR角度与道路角度之差是否小于指定角度,如果是转(6),否则转向可能换路状态(8);
(6)判断是否已经匹配到了方向节点,如果是转(7),否则转(4);
(7)计算DR推算点,判断DR推算点是否还在判断域内,如果是匹配到DR推算点,否则转向可能换路状态(8);
(8)可能换路状态处理:在电子地图中找出以方向节点为交点所有道路,结合距离、航向以及车速多个因素确定是否车辆换路了;如果确定要换路则转向(9),否则匹配到DR推算点,转(10);
(9)保存历史道路信息,计算上一次匹配点在换路后道路上的垂足,并匹配到这个垂足;更新道路信息和行驶距离;
(10)匹配出错判断处理:如果发现出错,则应返回上一历史道路重新找路;
(11)从(2)开始循环,直到退出匹配控制。
本发明的技术创新点有:(1)利用电子地图数据、GPS数据,对接收到的电子罗盘数据、车速传感器数据进行综合处理,从而消除低成本电子罗盘、车速传感器数据的误差;(2)利用接收到的GPS数据、车辆行驶方向、车辆行驶距离数据,进行电子地图的智能匹配,从而定位当前车辆的位置。
本发明的有益效果是:
本发明通过综合利用电子地图信息、GPS数据、低成本的电子罗盘和车速传感器数据,进行智能地图匹配,从而实现车辆位置的定位,实现了一个智能组合导航系统。此系统不受GPS信号中断的影响,实现了不间断的车辆定位功能,满足公共服务车辆和特种服务车辆不间断定位跟踪的要求。系统实施成本低。
附图说明
图1是本发明的系统结构图;
图2是图1所示系统的基本程序流程图;
具体实施方式
图1示出,GPS信号接收模块、电子罗盘和经过处理的车速信号,通过串口通信输入到组合导航系统中,组合导航系统在GIS平台(本发明的组合导航系统可应用在各种常见的GIS平台上,如ArcGIS,MapInfo,SuperMap等。在试验样机上使用的是国产超图SuperMap GIS平台)和电子地图基础数据的支持下,对接收到的GPS数据、车辆行驶方向、车辆行驶距离数据进行处理,进行电子地图的智能匹配,从而定位当前车辆的位置,在电子地图上显示出车辆的行驶轨迹。在指定目的地,系统作出最佳路径规划,即可根据车辆的位置信息,计算出导航信息,并语音提示。
图2示出,一种基于智能导航算法的车辆组合导航系统,包括:GPS信号接收模块:确定车辆的初始行驶道路和道路的ID(道路的ID,即是在电子地图中该道路的编号,该ID在电子地图中可用来唯一确定一条道路),输出含有车辆的距离和方向信息的GPS数据;电子罗盘:确定并输出车辆的行驶方向数据;车速传感器及车速信号处理电路:车速信号处理电路对车速传感器采集得到的车辆速度数据处理后,输出车辆行驶距离数据;车辆行驶轨迹显示、记录与回放模块,和语音提示模块,以及智能地图匹配算法模块:结合电子地图的路网信息,按以下步骤进行推算:
(1)地图匹配初始化
用GPS点来找车辆初始行驶通路和通路的ID,并且利用GPS航向角度,通过直接投影算法和圆搜索算法相结合的方法,确定方向节点和车辆行驶距离(在地图匹配初始化中,可通过GPS信号得到车辆的当前位置和行驶方向。然后在电子地图中搜索所有道路,找出与当前GPS位置垂直距离在一定距离范围内的道路,再比较这些道路的方向与GPS信号给出的行驶方向,道路方向与GPS行驶方向一致,且与当前GPS位置最近的一条道路被选中,作为初始匹配的道路。该道路沿行驶方向向前的端点,为当前方向节点。GPS位置投影在该道路上的点,与行驶方向后端的端点的距离为当前在该道路上的行驶距离);
(2))当下一个GPS点还没有来之前,以上一次匹配点进行DR插值,插值的时刻以取得车速传感器数据的时间为基准,转向(3);当有GPS数据来了转向(10);
(3)判断上一次匹配点是否进入了判断域内,如果是转(5),否则转(4);
(4)直行推算状态:根据车速直行推算,如果车速直行推算的点不在道路上了,则匹配在方向节点,转(11);
(5)判断DR角度与道路角度之差是否小于指定角度,如果是转(6),否则转向可能换路状态(8);
(6)判断是否已经匹配到了方向节点,如果是转(7),否则转(4);
(7)计算DR推算点,判断DR推算点是否还在判断域内,如果是匹配到DR推算点,否则转向可能换路状态(8);
(8)可能换路状态处理:在电子地图中找出以方向节点为交点所有道路,结合距离、航向以及车速多个因素确定是否车辆换路了;如果确定要换路则转向(9),否则匹配到DR推算点,转(10);
(9)保存历史道路信息,计算上一次匹配点在换路后道路上的垂足,并匹配到这个垂足。更新道路信息和行驶距离;
(10)匹配出错判断处理:如果发现出错,则应返回上一历史道路重新找路;
(11)从(2)开始循环,直到退出匹配控制。
在传感器数据处理及系统误差校正算法中,在GPS信号接收良好时,系统利用GPS的距离和方向等信息,统计分析电子罗盘传来的行驶方向数据,和车速传感器处理电路传来的行驶距离数据,校正电子罗盘和车速传感器的系统误差(在GPS信号接收良好时,可通过GPS信号获知当前车辆位置及行驶方向。当电子罗盘给出的车辆行驶方向在一段足够长的距离内,如数百米没有变化时,则认为当前车辆行驶在一条直线路段上,通过在该直线路段上两端点处GPS信号分别给出的车辆位置,即可计算出该直线路段的长度。再根据在该直线路段上车速传感器给出的脉冲信号个数,即可计算出车速传感器每个脉冲信号代表车辆行驶了多少距离。这种校正方法,可以补偿轮胎气压、轮胎温度、轮胎磨损程度等引起的车速传感器给出的车辆行驶距离的误差。电子罗盘受地磁、及车辆所在地的电磁环境的干扰,其所指示的车辆行驶方向与实际的车辆行驶方向会有误差。在GPS信号接收良好时,可通过GPS信号获知当前车辆位置及行驶方向。当电子罗盘给出的车辆行驶方向在一段足够长的距离内,如数百米没有变化时,则认为当前车辆行驶在一条直线路段上。此时则认为GPS给出的行驶方向为真实的车辆行驶方向,于是可以得出电子罗盘指示方向与真实的车辆行驶方向的一个对应关系。当车辆在某地行驶较长距离后,基本可得出电子罗盘指示方向与真实的车辆行驶方向的一一对应关系。于是在以后行驶过程中,当电子罗盘给出一个车辆的当前行驶方向,通过上述得到的对应关系,可以得到真实的车辆当前行驶方向)。在不同的地域、不同的地磁环境里面,电子罗盘的角度指示有误差,通过校正算法,可以消除这种误差。车速传感器一般是给出车轮转动多少圈的数据,但轮胎气压、轮胎温度、轮胎磨损程度等,都会影响计算出的车辆行驶距离,通过校正算法,可以消除由于以上原因造成的行驶距离误差。
智能地图匹配算法的基本思想是:在地图匹配初始化后(利用GPS定位信息找到车辆正确行驶的道路后),利用车速传感器给出的行驶距离数据和电子罗盘给出的车辆行驶方向数据,结合电子地图的路网信息,用行驶距离在已知道路上进行推算。
试验样机系统采用国产超图SuperMap GIS平台,使用样机研发组自己采集数据并绘制的川大校园及附近的电子地图,在普通桑塔纳2000车型上,使用上海直川公司(http://www.zc-sensor.com)生产的ZCC-D-I-232电子罗盘。经实际跑车试验,在关闭GPS信号5-10分钟的情况下(模拟GPS信号丢失的情况),该组合导航系统仍然能够给出正确的车辆位置。
在常见的GPS信号丢失的环境里,如高架桥下、隧道、城市高楼间,GPS信号可能会丢失1-3分钟,一般不会超过5分钟,因此该组合导航系统可有效地在GPS信号丢失的情况下,正确地定位车辆。

Claims (1)

1.一种基于智能导航算法的车辆组合导航系统,包括:
GPS信号接收模块:确定车辆的初始行驶道路和道路的ID,输出含有车辆的距离和方向信息的GPS数据;
电子罗盘:确定并输出车辆的行驶方向数据;
车速传感器及车速信号处理电路:车速信号处理电路对车速传感器采集得到的车辆速度数据处理后,输出车辆行驶距离数据;
车辆行驶轨迹显示、记录与回放模块,以及语音提示模块,其特征是:还具有智能地图匹配算法模块:结合电子地图的路网信息,按以下步骤进行推算:
(1)地图匹配初始化
用GPS点来找车辆初始行驶通路和通路的ID,并且利用GPS航向角度,通过直接投影算法和圆搜索算法相结合的方法,确定方向节点和车辆行驶距离;
(2))当下一个GPS点还没有来之前,以上一次匹配点进行DR插值,插值的时刻以取得车速传感器数据的时间为基准,转向(3);当有GPS数据来了转向(10);
(3)判断上一次匹配点是否进入了判断域内,如果是转(5),否则转(4);
(4)直行推算状态:根据车速直行推算,如果车速直行推算的点不在道路上了,则匹配在方向节点,转(11);
(5)判断DR角度与道路角度之差是否小于指定角度,如果是转(6),否则转向可能换路状态(8);
(6)判断是否已经匹配到了方向节点,如果是转(7),否则转(4);
(7)计算DR推算点,判断DR推算点是否还在判断域内,如果是匹配到DR推算点,否则转向可能换路状态(8);
(8)可能换路状态处理:在电子地图中找出以方向节点为交点所有道路,结合距离、航向以及车速多个因素确定是否车辆换路了;如果确定要换路则转向(9),否则匹配到DR推算点,转(10);
(9)保存历史道路信息,计算上一次匹配点在换路后道路上的垂足,并匹配到这个垂足;更新道路信息和行驶距离;
(10)匹配出错判断处理:如果发现出错,则应返回上一历史道路重新找路;
(11)从(2)开始循环,直到退出匹配控制。
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