基于GPS/DR的嵌入式車(chē)載導航系統研究

引　　言

GPS (全球定位系統) 是美國第二代無(wú)線(xiàn)電衛星導航定位系統, 它能夠全球性、全天候、實(shí)時(shí)地提供導航、定位和授時(shí)信息, 但它要求對衛星有直接的可見(jiàn)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 接收機所收到的導航衛星的信號質(zhì)量會(huì )明顯地下降, 甚至干脆出現“丟星現象”。這使得單獨使用GPS 來(lái)導航定位不能夠連續地為運動(dòng)車(chē)輛提供導航定位信息。因此采用了組合定位技術(shù)解決上述問(wèn)題,下面具體分析。

航位推算(DR,Dead-Reckoning) 是一種常用的導航定位技術(shù), 其基本原理是利用方向傳感器和速度傳感器來(lái)推算車(chē)輛的瞬時(shí)位置, 可以實(shí)現連續自主式定位。但由于其推算過(guò)程是一個(gè)累加過(guò)程, 方向傳感器的誤差隨時(shí)間的延長(cháng)而積累另外, 推算只能確定相對位置和航向。導航開(kāi)始時(shí), 需要預知車(chē)輛的初始絕對位置和方向, 因此, 航位推算方法并不能單獨、長(cháng)時(shí)間地使用。將航位推算與GPS 組合起來(lái), 兩者取長(cháng)補短, 可以彌補各自的缺點(diǎn), 確保系統能在任何時(shí)候都能為運動(dòng)車(chē)輛提供較為準確的導航信息。一方面可以利用GPS精確的定位結果輔助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(xiàn)校正另一方面, 在GPS無(wú)法定位時(shí)系統又可以自動(dòng)地切換到DR 導航方式,直至GPS 恢復正常接收后, 系統再回到GPS 與DR 的組合導航方式。與此同時(shí), 再實(shí)時(shí)地對組合導航系統的輸出信息與電子地圖進(jìn)行匹配, 便可以將導航輸出信息可視化, 解決了司機定向難的問(wèn)題。

車(chē)載GPS/DR 組合導航系統的組成

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

全球定位系統

全球定位系統由GPS-OEM 主板、數據轉換板、天線(xiàn)及電源等組成。

目前, 有很多廠(chǎng)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(zhù)名、深受用戶(hù)信賴(lài)的專(zhuān)業(yè)GPS 廠(chǎng)家, 在GPS 的定位、導航領(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。

數據轉換板與GPS-OEM 板連結, 其作用是接收GPS 主板的原始數據、提取需要的數據并將其轉換為與用戶(hù)機所需的數據格式, 通過(guò)串口發(fā)送給用戶(hù)機。

航位推算系統

航位推算系統由角速率陀螺、里程計、低通濾波器、V/F 轉換器、電平轉換器、計數器、微處理器、通訊線(xiàn)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。

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

其中, (x0, y0) 是車(chē)輛在t0時(shí)刻的初始位置, (xk , yk) 為車(chē)輛在tk 時(shí)刻的位置Si,θi分別是車(chē)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(cháng)度和絕對航向。相對航向定義為連續兩個(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(chē)輛絕對航向θk 可由下式計算:

地圖匹配

地圖匹配算法采用概率決定的方法。系統必須知道起始點(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(chē)輛預期位置附近的地圖特征進(jìn)行相關(guān)性比較, 當測量出的車(chē)輛航向的顯著(zhù)變化與數字地圖的矢量路線(xiàn)變化相關(guān), 那么車(chē)輛的真實(shí)位置可以在地圖上確定。根據車(chē)輛的具體位置可校正傳感器的漂移誤差, 同時(shí)對車(chē)輪直徑誤差等誤差進(jìn)行標定。相關(guān)性地圖匹配算法在車(chē)輛行駛航向有比較大的改變時(shí)(例如車(chē)輛在十字路口拐彎時(shí)) 效果最好。

試驗結果

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

結　　論

GPS/DR 組合車(chē)輛定位導航系統將GPS 與DR相結合, 提高了系統的有效性、完整性和精度。利用DR 航跡推算系統能保證衛星信號丟失時(shí)車(chē)輛位置信息輸出, 還能利用地圖匹配技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高精度。系統具有全方位、全天候、無(wú)遮擋、高精度的特點(diǎn), 具有良好的應用前景。