基于GPS/DR的嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)研究

引　　言

GPS (全球定位系統(tǒng)) 是美國第二代無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng), 它能夠全球性、全天候、實(shí)時(shí)地提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息, 但它要求對衛(wèi)星有直接的可見性才能發(fā)揮其正常功能。鑒于山城重慶自身的交通環(huán)境特點(diǎn): 在遇到城市高層建筑物、林蔭道、立交橋及涵洞隧道等時(shí), GPS 接收機(jī)所收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號質(zhì)量會(huì)明顯地下降, 甚至干脆出現(xiàn)“丟星現(xiàn)象”。這使得單獨(dú)使用GPS 來導(dǎo)航定位不能夠連續(xù)地為運(yùn)動(dòng)車輛提供導(dǎo)航定位信息。因此采用了組合定位技術(shù)解決上述問題,下面具體分析。

航位推算(DR,Dead-Reckoning) 是一種常用的導(dǎo)航定位技術(shù), 其基本原理是利用方向傳感器和速度傳感器來推算車輛的瞬時(shí)位置, 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自主式定位。但由于其推算過程是一個(gè)累加過程, 方向傳感器的誤差隨時(shí)間的延長而積累另外, 推算只能確定相對位置和航向。導(dǎo)航開始時(shí), 需要預(yù)知車輛的初始絕對位置和方向, 因此, 航位推算方法并不能單獨(dú)、長時(shí)間地使用。將航位推算與GPS 組合起來, 兩者取長補(bǔ)短, 可以彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn), 確保系統(tǒng)能在任何時(shí)候都能為運(yùn)動(dòng)車輛提供較為準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。一方面可以利用GPS精確的定位結(jié)果輔助DR 的初始化并且可以定期地用它對DR 的定位誤差進(jìn)行在線校正另一方面, 在GPS無法定位時(shí)系統(tǒng)又可以自動(dòng)地切換到DR 導(dǎo)航方式,直至GPS 恢復(fù)正常接收后, 系統(tǒng)再回到GPS 與DR 的組合導(dǎo)航方式。與此同時(shí), 再實(shí)時(shí)地對組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息與電子地圖進(jìn)行匹配, 便可以將導(dǎo)航輸出信息可視化, 解決了司機(jī)定向難的問題。

車載GPS/DR 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

車載GPS/DR 組合導(dǎo)航儀由3 部分組成: GPS 定位系統(tǒng)部分航位推算部分地圖匹配部分。圖1 為車載GPS/DR 組合導(dǎo)航儀的原理圖。

全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)由GPS-OEM 主板、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板、天線及電源等組成。

目前, 有很多廠商都能提供GPS-OEM 板產(chǎn)品, 如SiRF、Conexant、Sych ip、GARM IN 等公司。其中美國GARM IN 公司是世界上最著名、深受用戶信賴的專業(yè)GPS 廠家, 在GPS 的定位、導(dǎo)航領(lǐng)域一直走在世界最前列。由于GARM IN OEM 板的定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性, 因而此方案采用了GARM IN 公司出品的GPS15-LVC 板。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板與GPS-OEM 板連結(jié), 其作用是接收GPS 主板的原始數(shù)據(jù)、提取需要的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為與用戶機(jī)所需的數(shù)據(jù)格式, 通過串口發(fā)送給用戶機(jī)。

航位推算系統(tǒng)

航位推算系統(tǒng)由角速率陀螺、里程計(jì)、低通濾波器、V/F 轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、微處理器、通訊線路等硬件組成, 其中方向傳感器采用角速率陀螺, 距離傳感器采用里程計(jì)。

航位推算方法是一種常用的自主式車輛定位技術(shù), 其中航向和距離傳感器被用來測量位移矢量, 從而推算車輛的位置。車輛在tk 時(shí)刻的位置可表示為:

其中, (x0, y0) 是車輛在t0時(shí)刻的初始位置, (xk , yk) 為車輛在tk 時(shí)刻的位置Si,θi分別是車輛從ti 時(shí)刻的位置(xi, yi) 到ti+ 1時(shí)刻的位置(xi+1, yi+1) 的位移矢量的長度和絕對航向。相對航向定義為連續(xù)兩個(gè)絕對航向之差, 用Xi表示。若給出了t0、t1、tk時(shí)刻的相對航向測量值Xi, 則tk時(shí)刻的車輛絕對航向θk 可由下式計(jì)算:

地圖匹配

地圖匹配算法采用概率決定的方法。系統(tǒng)必須知道起始點(diǎn)的位置和航向角。通常用速率陀螺儀給出的航向變化與車輛預(yù)期位置附近的地圖特征進(jìn)行相關(guān)性比較, 當(dāng)測量出的車輛航向的顯著變化與數(shù)字地圖的矢量路線變化相關(guān), 那么車輛的真實(shí)位置可以在地圖上確定。根據(jù)車輛的具體位置可校正傳感器的漂移誤差, 同時(shí)對車輪直徑誤差等誤差進(jìn)行標(biāo)定。相關(guān)性地圖匹配算法在車輛行駛航向有比較大的改變時(shí)(例如車輛在十字路口拐彎時(shí)) 效果最好。

試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度、可靠性, 對比GPS 系統(tǒng)與GPS/DR 組合系統(tǒng)的性能, 利用1∶500 的比例尺地圖制作了電子地圖, 選擇跑車路線如圖2 所示, 進(jìn)行跑車試驗(yàn)。所得試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)單獨(dú)GPS 定位時(shí),所得定位軌跡是不連續(xù)的, 并且有“上房現(xiàn)象”。而采用GPS/DR 進(jìn)行組合后, 其定位軌跡連續(xù), 且始終行駛在正確的道路上。

結(jié)　　論

GPS/DR 組合車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS 與DR相結(jié)合, 提高了系統(tǒng)的有效性、完整性和精度。利用DR 航跡推算系統(tǒng)能保證衛(wèi)星信號丟失時(shí)車輛位置信息輸出, 還能利用地圖匹配技術(shù)來進(jìn)一步提高精度。系統(tǒng)具有全方位、全天候、無遮擋、高精度的特點(diǎn), 具有良好的應(yīng)用前景。