[发明专利]一种基于多传感器融合算法的汽车定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于多传感器融合算法的汽车定位系统及方法，该系统包括主控模块，以及与主控模块均相连的车速检测模块、行驶方向检测模块和GPS模块；车速检测模块，包括与汽车传动轴相连的旋转光电编码器，用于采集车辆行驶的瞬时速度信息；行驶方向检测模块，包括加速度计、陀螺仪和磁力传感器，用于采集车辆的行驶方向信息；GPS模块，用于获取车辆的GPS信息，得到车辆的绝对位置信息；主控模块，用于获取车速检测模块和行驶方向检测模块采集到的信息，对其进行处理得到相对位置信息，并结合GPS模块的绝对位置信息进行数据融合，得到最终的汽车位置信息。本发明以较低的成本实现了汽车定位系统定位精度的有效提升，且降低了设备的成本。

主权项

1.一种基于多传感器融合算法的汽车定位方法，其特征在于，该方法通过基于多传感器融合算法的汽车定位系统实现，该系统包括主控模块，以及与主控模块均相连的车速检测模块、行驶方向检测模块和GPS模块；所述车速检测模块，包括与汽车传动轴相连的旋转光电编码器，用于采集车辆行驶的瞬时速度信息；所述行驶方向检测模块，包括加速度计、陀螺仪和磁力传感器，用于采集车辆的行驶方向信息；所述GPS模块，用于获取车辆的GPS信息，得到车辆的绝对位置信息；所述主控模块，用于获取车速检测模块和行驶方向检测模块采集到的信息，对其进行处理得到相对位置信息，并结合GPS模块的绝对位置信息进行数据融合，得到最终的汽车位置信息；该系统还包括与主控模块相连的存储模块；该方法包括以下步骤：S1、获取旋转光电编码器的数据，并对其进行处理得到车辆瞬时速度信息；获取加速度计、陀螺仪和磁力传感器的数据，并对其进行处理得到车辆的行驶方向信息；S2、获取GPS信息作为绝对位置信息，根据瞬时速度信息和行驶方向信息得到车辆的速度矢量，并对其进行积分运算得到相对位置信息；S3、对相对位置信息和绝对位置信息进行数据融合，将其分别表示为X、Y轴的分量，对相对速度的X、Y轴分量进行积分得到相对位移的X、Y轴分量，将其经过GPS信息中绝对位置信息的反馈校正，得到车辆的精确位置；步骤S1中获取瞬时速度信息的方法具体为：通过在单位时间间隔内对旋转光电编码器产生的脉冲进行计数，进而计算得到车辆的瞬时速度信息；步骤S1中获取行驶方向信息的具体方法为：通过陀螺仪与加速度计的检测数据进行数据融合得到俯仰角，通过陀螺仪与磁力计的检测数据进行数据融合得到航向角，根据航向角和俯仰角得到车辆的行驶方向信息；该方法还包括当缺少GPS信号时，通过丢失信号前的初始位置以及车辆相对位置信息推算车辆位置坐标，当GPS信号恢复时，系统自动恢复GPS绝对坐标反馈校正环节；该方法还包括系统第一次启动时，其定位的初始位置由GPS模块测得，在以后的启动过程，系统自动判断车辆在系统关闭期间是否发生移动，并以此确定初始位置是GPS模块的测量坐标还是系统上次存储的位置坐标；通过融合算法得到车辆的精确位置的方法具体为：定义X、Y两个坐标轴，其中沿纬度线E方向为X轴正方向，沿经度线N方向为Y轴正方向；记θ₁为车辆俯仰，θ₂为车辆航向角，其中，俯仰角定义为车辆行驶方向与水平面之间的夹角；航向角定义为车辆行驶方向在水平面上的投影与纬度线E方向的夹角；已知处理器以周期T循环运算俯仰角，记ω_H0为陀螺仪所测量的车辆在从垂直方向角速度，θ_H0为加速度计所测量的车辆行驶方向与水平面夹角，则在τ时刻航向角θ₂(τ)运算公式为:θ₂(τ)＝θ₂(τ‑T)+k_p*[(θ_H0(τ)‑θ₂(τ‑T))+ω_H0(τ)]；其中，θ₂(0)＝θ_H0(0)；已知处理器以周期T循环运算航向角，记ω_L0为陀螺仪测量的车辆在水平方向角速度，θ_L0为磁力计测量的车辆与Y轴在水平面上的夹角，则在τ时刻俯仰角θ₁(τ)运算公式为:θ₁(τ)＝θ₁(τ‑T)+k_y*[(θ_L0(τ)‑θ₂(τ‑T))+ω_L0(τ)]；其中，θ₁(0)＝θ_L0(0)；车辆的速度大小由与传动轴连接的光电编码器测定；处理器通过正交解码读取单位时间内光电编码器输出的脉冲数得到传动轴的角速度，进而得到汽车的车速V；车辆在水平方向上的速度矢量由X轴速度Vx以及Y轴速度Vy合成；其中，Vx＝V*COSθ₁*COSθ₂,Vy＝V COSθ₁*SINθ₂；Xi、Yi为系统启动时的初始坐标，XG，YG为GPS定位模块获取的坐标；对Vx，Vy分别积分得到X轴与Y轴的相对位移，该位移与初始坐标相加，并经过GPS所获取的绝对坐标的反馈校正，获得精准的坐标；其中已知处理器位置坐标运算周期为T，则在τ时刻位置坐标(X(τ),Y(τ))的运算公式为:ΔX(τ)＝ΔX(τ‑T)+k_x*(X_G(τ)‑X(τ‑T)+V_x(τ))；ΔY(τ)＝ΔY(τ‑T)+k_Y*(Y_G(τ)‑Y(τ‑T)+V_Y(τ))；(X(τ),Y(τ))＝(X_i+ΔX(τ),Y_i+ΔY(τ))；其中，(X(0),Y(0))＝(X_i,Y_i)。