一种基于传感器的车辆辅助定位技术研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第３期　信息工程大学学报　Ｖｏ１．７　Ｎｏ．３　２００６年９月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｅｐ．２００６　一种基于传感器的车　辆辅助定位技术研究　胡　麟　，张敬堂　，李　毅　，王雪冰　（１．信息工程大学信息工程学院，河南郑州４５０００２；２．６５０１６部队，辽宁大连１１０００５）　摘要：研究了一种基于传感器的车辆辅助定位技术。给出了系统硬件总体设计方案，并对系统　抗干扰性设计进行了分析，给出用于组合定位的组合定位算法，并对算法进行了仿真。结果表　明，该系统性能稳定、可靠，能满足车辆在复杂的动态工作环境下的定位需要。　关键词：车辆定位；传感器；定位算法　中图分类号：ＴＮ９１　１．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０６７３（２００６）０３—０２５１—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｃｃｅｓｓｏｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ－Ｌｏｃａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ＨＵ　Ｌｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｇ—ｔａｎｇ　，ＬＩ　Ｙｉ　，ＷＡＮＧ　Ｘｕｅ—ｂｉｎｇ２　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｆｎｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｕｎｉｔ　６５０１６，Ｄａｌｉａｎ　１　１０００５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ａｎ　ａｃｃｅｓｓｏｒｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ—ｌｏｃａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｉｔ　ｆｉｒｓｔ　ｐｒｏ—　ｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｓｓｏｒｉｌａ　ｖｅｈｉｃｌｅ—ｌｏｃａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ａｎｔｉ—ｊａｍｍｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｆｎａｌｌｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｌｏｃａｔｉｎｇ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｉｓ　ｇｏｏｄ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｌｏｃａｔｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ　ｒｕｎｎｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ－Ｉｏｃａｔｉｎｇ；ｓｅｎｓｏｒ；ｌｏｃａｔｉｎｇ－ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　早期城市汽车定位系统采用无线电定位方式，　时，处理传感器误差，通过特定的算法给出车辆的　在城市各地设置许多小型无线电台，利用汽车的接　位置、行驶状态等信息。　收机接收各电台发出的无线电信号，以交叉定位方　式进行定位。这种定位方式精度差、费用高。ＧＰＳ　１总体设计方案　车辆定位管理系统利用车载ＧＰＳ接收机，可以精　确地实行自主定位，再用无线通信方式将定位信息　要确定汽车的位置，首先要获取汽车的速度、　发往监控中心（指挥调度中心），监控中心用电子地　加速度、航向等信息。基于这个思路，辅助定位的　图就可以准确地对车辆进行跟踪和调度管理。　总体设计方案如图１所示。　但在某些特定的环境下，ＧＰＳ接收机定位不精　利用汽车传感器获取汽车行驶状态信息，如磁　确限制了它的广泛使用，不精确定位的原因包括：　阻传感器获取地球磁场在　（前进方向）、ｙ、ｚ　３个　①多路径效应，即建筑物对ＧＰＳ信号的反射；②阴　方向的分量，因为地球磁场始终指向北面，对ｙ方　影，即城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓　向分量和　方向分量的比值求反正切就可以得出　密的植被下，信号接收效果较差；③在隧道、地下停　前进方向跟正北的夹角ａ。加速度不仅可以获取　车场造成的信号失锁；④在接收信号差的地区延长　汽车的加速信息，还可以通过测量重力加速度和汽　了初始化时间；⑤一些动态影响，如汽车大幅度增　车加速度在各轴的分量并通过计算得出汽车的俯　速与减速等。以上原因都会使ＧＰＳ接收机无法定　仰角，即汽车上下坡时的坡度。角速度传感器获取　位或定位精度下降，误差甚至大于５００米。　汽车转弯的快慢信息。　辅助定位就是要在ＧＰＳ不能提供正确服务　收稿日期：２００６—０３—０６；修回日期：２００６—０５—１５　作者筒介：胡精（１９８２一），男，江西高安人，信息工程大学硕士研究生，主要研究方向为通信信号处理。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２５２　信息工程大学学报　２００６正　气压数据　圈　鼢　ＩＧＰｓ接收机Ｉ角速度Ｉ　转弯信息　ｌ　ｌ　ＩＩ　　ｌ传感器ｌ　———Ｌ　横滚角数字　模拟　ｒ＼＼　微处理　控制芯　．．．＿＿　ＩＩ　．．．．．．．．．．一嚣　　俯仰角　转换　器　Ｌ／，　片　＿——　广————－．］　速度　ｆＩ　磁阻传感器ｌ　汽车里程表　图１总体设计方框图　２系统抗干扰性设计　根据系统总体设计方案设计出组合定位原理　样板，各传感器数据采集电路比较简单，但是传感　器产生的信号比较微弱，必须对其进行放大、平移　等处理才能进行分析，即增强数据采集的精度。组　合定位系统是车载设备，汽车运动状态复杂，汽车　内、外电磁环境对系统的稳定性和可靠性有较大影　响，必须通过对系统的抗干扰性设计来增强系统的　稳定性、可靠性。系统的抗干扰设计主要包括磁盘　的倾角补偿、干扰校正、加速度的电平平移等。　２．１倾角补偿　大多数情况下罗盘并不总是水平于地球表面，　这使得确定方位角或行进方向变得更加困难，由倾　斜角产生的误差很大程度上取决于倾斜角的大小，　纠正罗盘倾斜的典型方法是使用倾角仪或倾斜传　感器确定横滚角和俯仰角，横滚是指围绕　或前　进方向的旋转，俯仰是指围绕ｌ，或左右方向的旋　转（见图２）。　图２横滚角和俯仰角不意图　此时磁力计必须依赖于所有的３条磁轴线　（　、ｙ、ｚ），这样地球磁场可以完全转回到水平方　向，图２展示了以观察者或汽车的朝右或朝前水平　方向为基准的罗盘的横滚角（０）和俯仰角（　），运　用下列旋转方程式可以将　、ｌ，和ｚ磁场强度读数　换算回到水平面（　，　）　ＸＨ＝Ｘ・ＣＯＳ（　）一ｌ，・ｓｉｎ（　）・ｓｉｎ（　）＋Ｚ。ＣＯＳ　（　）・ｓｉｎ（　）　（１）　＝Ｙ・ｃｏｓ（０）＋Ｚ・ｓｉｎ（０）　Ｌ　，　ａ（方位角）＝ａｒｃｔａｎ（　／ＸＨ）　Ｌ）　只要　和ｌ，磁场强度读数是在水平面中就可　使用方程式（３）确定方位角。汽车与飞机不同，一　般汽车行驶过程中０＝０，故上面的转换公式可以　简化为　Ｘ　＝Ｘ。ＣＯＳ（　）＋Ｚ・ｓｉｎ（　）　（４）　＝Ｙ　（５）　ａ（方位角）＝ａｒｃｔａｎ（　／Ｘ　）　（６）　２．２干扰校正　由于车载罗盘周围的干扰比较多，所以设计车　载罗盘时需要考虑干扰校正问题。　干扰源可分为硬铁影响（Ｈａｒｄ　Ｉｒｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔｓ）和软　铁影响（Ｓｏｆｔ　Ｉｒｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔｓ）。硬铁影响源于永久磁铁　和磁化的钢铁对磁场引起的变化，如车内发动机、　直流电等，这种影响恒定地附加一个磁场分量。软　铁影响产生于地磁场，受软铁材料的影响，如当汽　车驶过一个强磁场区时，这种影响往往是瞬时的，　而且比较微弱，所以在设计车载罗盘时主要需考虑　硬铁影响对系统的影响。　因为硬铁影响是恒定的，所以可以采用标定的　方法消除干扰。标定的方法为：将车载罗盘在水平　面旋转一周，记录下　、ｙ两个方向的最大和最小　值（　ｙｍ　）、（　ｉｎ、ｙｍｉ　），代人（７）式～（１０）式　中，可以得到　０盯、ｙ。ｆｆ。　Ｘ。ｆ＝ｍａｘ（１，（　一ｙｍｉ　）／（　一　ｉ　））（７）　ｌ，８ｆ＝ｍａｘ（１，（　一一　ｉ　）／（ｙｍ　一ｙｍｉ　））（８）　Ｙｏｆｆ＝［（　一Ｘ　ｉ　）／２一Ｘ　］’　。ｆ　（９）　Ｙｏ　＝【（１，一一ｙｍｉ　）／２一Ｙｔｎ　］’　（１０）　式中，　为　轴刻度系数，　为ｌ，轴刻度系数，　。ｆｆ为　轴补偿系数，ｙ０ｆｆ为ｌ，轴补偿系数。测定　，　后进行如下补偿：　‰＝Ｘｔｔ＋　。ｆｆ　（１１）　ＹＲ＝　＋ｙ０ｆｆ　（１２）　其中，（‰，　）为经过校正的值，将它代入（３）式　就可以得到方位角。　２．３加速度信号拓展　加速度传感器ＭＸＡ２５００ＭＬ两轴零加速度信　号输出为１．２５Ｖ，灵敏度为５００ｍＶ／ｇ，测量加速度　范围是一ｇ到ｇ，所以两轴的加速度信号输出电平　范围是０．７５Ｖ～１．７５Ｖ。要对该信号进行精确的　Ａ／Ｄ转换，就必须将它的变化范围调整到０Ｖ～５Ｖ。　这是实现高精度倾角分辨的关键所在，具体实现方　法如图３所示。　由电路原理有下列关系：　ＡＯＵＴＸ　：５・（ＡＯＵＴＸ一０．７５）　（１３）　ＡＯＵＴＸ信号变化范围为０．７５Ｖ～１．７５Ｖ，则　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　胡　麟等：一种基于传感器的车辆辅助定位技术研究　２５３　ＡＯＵＴＸ　的变化范围为０Ｖ～５Ｖ。　５Ｋ　出　图４数据融合算法框图　图３加速度传感器输出信号拓展电路原理图　ＧＰＳ可以直接输出进行定位，也可以对ＩＮＳ的推　算定位进行修正，ＩＮＳ将滤波后的数车结果反馈为　３数据融合算法及仿真　推算定位的输入，进一步修正推算定位，使组合后定　位精度提高。　本文应用Ｍａｔｌａｂ软件在实验室条件下，进行了　获得以上这些状态信息，我们就可以将它们送　ＩＮＳ／ＧＰＳ组合导航系统静止情况下的数学仿真。图　入微处理器进行处理，并运用合理的定位算法进行　５～图７分别给出了ＧＰＳ单独导航、ＩＮＳ单独导航和　融合，最后得出定位结果。定位算法有ＧＰＳ跟踪　ＩＮＳ／ＧＰＳ组合导航３种工作状态下的Ｘ轴的位置误　滤波、推算定位、地图匹配、模糊评判、数据融合等。　我们采用基于Ｋａｌｍａｎ滤波的数据融合法来综　差（时间闻隔为１秒）。　合处理多传感器定位数据，其算法框图如图４。　时间（ｓ）　时间（ｓ）　时间（ｓ）　图５　ＧＰＳ单独导航时的北向距离误差　图６　ＩＮＳ单独导航时的北向距离误差　图７　ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航时的北向距离误差　从仿真图看出，ＩＮＳ单独定位时，定位误差随时　［２］赵亦林．车辆定位与导航系统［Ｍ］．北京：电子工业出版　间而积累，与ＧＰＳ组合后误差平稳，组合系统可减小　社，１９９９．　甚至消除惯导系统误差随时间积累的性质，导航精　［３］间国年．地理信息系统集成原理与方法［Ｍ］．北京：科学　度主要取决于ＧＰＳ的定位精度，精度和可靠性提高。　出版社，２００３．　［４］董绪蓉．ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航定位及其应用［Ｍ］．长沙：国　４结论　防科技大学出版社，１９９８．　［５］干国强．导航与定位［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０００．　［６］许其凤．ＧＰＳ卫星导航与精密定位［Ｍ］．北京：解放军出　本文给出了一种在嵌入式系统下实现的低成本　版社，１９９４．　组合定位方法，并通过对系统的抗干扰性设计，增强　［７］李洪涛．ＧＰＳ应用程序设计［Ｍ］．北京：科学出版社，　了系统的稳定性、可靠性和数据采集的精度，最后通　ｌ９９９．　过算法仿真得出数据融合算法运算量小，速度快，可　【８　Ｊ　Ｐｈｉｌｌｉｐ　ｔｏｍ６，Ｔｅｌｍｏ　Ｃｕｎｈａ，Ｓ６　０　Ｃｕｎｈａ　ｅｔ　ａ１．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　以减小甚至消除惯导系统误差随时间积累的性质，　ａ　ＤＧＰＳ／ＩＭＵ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　组合定位系统能够满足现代交通管理高精度、高性　ｆｏＩＯＮ　ＧＰＳ一２ＯＯＯ：２２３３—２２４２．　能、低成本的要求。特别是在ＧＰＳ短时内不能工作　［９］Ｍｏｏｎ　Ｓ　Ｗ．Ｈｗａｎｇ　Ｄ—Ｈ．ｓｕｎｇ　Ｔ　Ｋ，ｅｔ　１ａ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　Ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ＴｉｇｌＩｌｆｙ—Ｃｏｕｐｌｅｄ　ＧＰＳ／ＩＮＳ　Ｉｎｔｅ—　时可以发挥出重要的作用。　ｒｇａｔｉｏｎ　Ｓｃｈｅｍｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　２０００　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　参考文献：　Ｍｅｅｔｉｎｇ，２０００：１５９—１６５．　［１Ｏ］Ｓｈａｌｅ　Ｒ，Ｂａｄｅｒ　Ｊ．Ｆｌｉｇｈｔ　Ｔｅｓｔ　Ｔｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｏｃｋｗｅｌｌ　［１］张其善．智能车辆定位导航系统及应用［Ｍ］．北京：科学　ＭＩＧＩＴＳ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｄｅｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　出版社，２００２．　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．１钙Ｉ８：３０６—３０９．