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1、一种新型汽车导航定位系统的研究 高鹏富立王常荣范跃祖 ( 北 京航空 航天大 学自 动 化科学与电 气 工程 学院 北 京 1 0 0 0 8 3 ) 摘 共阐 述了 一 种 荃 于 单 片 机 的 由 盛 罗 盘、 速 率 陀 . 和 里 t i t 组 成 的 新 型 航 进 推 算 系 统 及 其 基 本 原 理， 在 此 基础上运用多级泣波组合方式的航迹推算系统re s组合汽车导 肮定位系 统设 计方法，并通过地图匹配方法以便 进一步扭高定位精度.实际跑车实毅表明该系统具有较高的定位精度和可命 性. 姜拍甸G P s 陀.罗 盘舫 孟推茸 卡尔呈渔波 1 引官 汽车导 航定 位系 统(
2、 V e h ic le N a v ig a t io n 缺点是定位误差会随 时间推移而积累。航迹推算系统和G P S相结合， 取长补短，就可以 构成高精度、高可靠、 低成本的汽车导航定位系统。本文将阐述一种基于单片机的由磁罗盘、速率陀螺和里程仪 组成的新型航迹推算系统， 并采用 D R S / G P S多 级滤波组合方式以 及地图匹配方法提高系 统定位精度，取得了 较为满意的结果。 ; .1 系统若本组成 整个系统硬件主要由单片机、 磁罗盘、速率陀螺、里程仪以及相应的外围电路组成。 系统框图如图 I 所示。 图 1 系统框图 丁_ 一 ii i C P U部分采用I n t e l %
3、系列单片 机。由 于需要实时采集多 种不同 种类的 传感器信号. 同 时还需要进行航迹推算和组合滤波计算，因 此采用双C P U的设计方案。 两个C P U型号 相同，其中一个 C P U ( C P U - A ) 主要完成航迹推算系统传感器信号采集以 及简单的 数据 预处理工作;另一个 C P U ( C P U - B ) 完成 G P S信号采集和组合滤波计算，并 将组合滤波 后的定位数据传送到主机中 ( 笔记 本电 脑) 。两个C P U之间定时 进行通讯以 便交换所需数 据。由于 两 个 C P U既要利用串口 在彼此之间进行数据通讯， 还要利用串口 分别 和罗 盘、 G P S接
4、收机、 P C机进行通讯， 但是每个 C P U只有一对串行口，因 此这里利用门 控对串 行口 采用了 分时复用技术。 在对各种信号进行采集时， 需要对各种信号进行光电隔离、差分放大、限幅、电平 转换等预处理工作，因此根据不同的信号设计了 相应的调理电路。 2 . 2 时 序幼 排 由于系统采用的是滤波组合方式，即用G P S 和D R S输出 信息的差值做为测量值，经 过卡尔曼 滤波， 估计出D R S的误差， 然后进行校正。因 此， 要求 D R S和G P S的输出 信 息必须在时间上保持同步， 两者必须是同一时刻的 输出。否则会造成卡尔曼滤波器的输出 结果发散， 使系统性能下降。 在双
5、C P U系 统中，两个单片机分别采集G P S信息和D R S 信息。由 干两者使用各自 的时钟， 彼 此之间 存在差别。 如果仅仅利用各自 设定的定时器和计数器来实 现同 步， 则两 者之间的时钟偏差会随时间的推移而 逐渐积累， 最终会使卡尔曼滤波器结果发散。考虑到 接收机每一秒钟输出 一次G P S信息，因 此本文利用 G P S接收机输出 信息来实现双 C P U 之间的时间同步。当C P U - B判断到G P S 数据包头时， 立即向C P U - A发送一个握手信号， 同时启动定时器和计数器: C P U - A以 中断方式接收到C P U - B发送的 握手信号后也立即启 动相
6、应的定时器和计数器。 在下一秒的 G P S数据包到来时， 利用上述方法重新启动各自 的定时器和计数器。从而保证了 两个 C P U之间在时间上是同步，两者之间的时钟偏差被 限定在一秒内的偏差范围中，而不会随时间积累。 。 3 多级 湘浪 组合方案设计 在汽车导航定位系统中， 航迹推算系统 ( D R S ) 和G P S通常有两种基本的 组合方式: 切换组合方式和滤波组合方式。 切换方式工作简单， 计算量小，易于工程实现; 但没有充 分利用G P S 信号校正测量元件的 误差， 使得航迹推算系统能够保证一定精度的时间 很短。 本文采用多级滤波组合方式，即在航迹推算系统中对磁罗盘与速率陀螺信息
7、进行融 合时采用补偿滤波法，然后对 G P S和 D R S输出信息进行综合卡尔曼滤波。当G P S信号 质量较好时， 用G P S 和D R S 输出 的 位置和速度等信息的 差值作为测量值，经过综合卡尔 曼滤波， 估计出D R S 的误差， 并进行校正。当G P S 信号质量不好时， 转入肮 迹推算系统 单独工作方式。由于 经过综合游波后， 测量元件的误差已 经被校正，因此单 独使用航迹推 算系统可以 在一个比 较长的时间内 保持一定的精度，这样系统整体精度就得到了 较大的提 高. 随后， 将定位数据被发送到主机 ( 笔记本电 脑) ， 在主机中 进行地图匹配以 提高定位 精度，并在 地图
8、上显示其定位结果。 3 . 1 翔 率陀 娜、 盛罗 盘补 侣协 浪及洲. 元 件.橄 在航迹推算系统中， 对航向 信息的精度要求比较高，因此采用了 磁罗盘与速率陀螺 礴 .7 3 。( f4 信息融合的方式。 一方面， 磁罗盘的绝对航向可以 为 速率陀螺提供初值，并 抑制其肮向误 差的积累;另一方面，利用速率陀螺相对航向 短时间精度高的特点， 可以 降 低外界磁场干 扰对磁罗盘测量的影响。 磁罗盘的绝对航向和速率陀螺的相对航向二 者有机结合是提高航迹推算系统航向精 度的一 种有效的 途径。在 磁罗 盘与速率陀 螺信 息 融合方法上，一 般采用 补偿滤波法 4 , 经过补偿滤波后， 磁罗 盘测
9、量值中的高频干扰部 分和陀螺测量误差中的 误差部分都被有效 地抑制了。因 此， 采用补偿滤波法可以 得到较好的 航向 估计值。 为了 估计并校正测量元件的误差，还必须建立适当的测量元件模型，即需要分别建 立 速率陀 螺、磁罗盘和里程仪的误差模型。 3 . 2综合卡尔里泣盆.设计 综合卡尔曼滤波器是滤波组合方式的关键，该滤波器设计的好坏直接影响滤波组合 方 式的 精度和工程上实现的 难度。 通常卡尔曼 滤 波器的设计原则是保证一定精度情况下， 使得计算量最小。 这里取航迹推算系统的 误差为综合卡尔曼滤波器的状态。其中包括纬度误差、经度 误 差、肮向 误差、磁罗盘测量误差、 载体速度误 差和速率陀
10、螺零偏。综合卡尔曼滤波器的 测量值为航迹推算系统给出的 经纬度、 航向 信息与G P S 接收机给出的 相应信息的差值。 选择 G P S的航向与航迹推算系 统的肮向差 值做为综合卡尔曼 滤波器的测量值是为了 增 强 对航向 误差的 可 观测性。 文献 5 中 指出， 当 载 体的 行 驶速 度大于1 5 k m / h 时， G P S 接 收机的G D O P( 几何误差系数)小于3 时， G P S 接收机给出的 航向 才能保证较高的精度。 因 此， 只 有满足行驶速度和G D O P 的 条件，以 上的 综合卡尔曼 溥波器才适用。 综上 所述，多级滤波组合方式的结构示意图 如图2 所示
11、。 一目习匕 七广一!下门位 置 、 逮 度 、 航 向 卫星状态 位置、速度、航向 图2 多级滩波组合方式结构框图 4 饱车实 软和结论 为了 验证所设计的 D R S I G P S汽车导肮定位系 统方案，我们进行了实际的跑车实验。 跑车的路线为北航东南门3 9 8车站四 道口 健翔桥 四 元桥 蓟门桥北 航东南门3 9 8 车站， 是一条封闭 路线， 共六个弯 道。 实际得到的 汽车行 驶路线如图3和4 所示。 其中图3 是实际跑车的 轨迹情况，图4 是 放大的 轨迹情况。 两个白 色小方块之间表 示G P S 信号质 t不好时的轨迹。 4 7 4 三 一 一-一，州 厂 一 图 3 跑
12、车实验实际轨迹 图4 跑车实脸放轨迹 从图中可以看出， G P S和 D R S I G P S系统的轨迹都比较平滑。D R S I G P S组合系统与 D G P S 确定的轨迹之间的 北向 和东向 误差基本保持在3 0 米以内。 实际跑车实验表明， 所设计的D R S I G P S 汽车导航定位系统的精度和可靠性都比较高， 墓本可以 满足汽车导航定位的 要求， 具有实用参考价值。 5 结京t 在国内现有众多的汽车导航定位系统中，大多采用单一 G P S系统。一般 D R S I G P S 组合系统也仅以 陀娜 ( 或罗 盘) 和里程仪做为 D R S测量元件， 而且 采用切 换组合方
13、式。 本文所介绍的新型汽车导航定位系统，在荃于单片机的由 磁罗盘、速率陀螺和里程仪组成 的 新型航迹推算系统基础上，采 用 D R S I G P S多级滤波组合方式，并辅之以 地图匹配，系 统整体精度和可靠性较高，同时兼顾了 汽车导肮定位系统低成本的要求，具有良 好的应用 前景。 ，考文嗽 1 H ir o a k i T s u j i , e t c . E v al u a t i o n o f L o c a t i o n S y s t e m C o m b in in g a G P S R e c e i v e r w it h I n e r t i a l S e
14、n s o r . P ro c e e d in g o f V e h i c le N a v ig a t io n a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m C o n f e r e n c e , 1 9 9 1 .p p .6 4 5 - 6 4 9 2 K a o w e i- w e n , I n t e g r a t io n o f G P S a n d D e a d - r e c k o n in g N a v ig a t io n S y s t e m s . I E E E - I E E V e h ic l
15、 e N a v i g a t io n a n d I n f o r m a t i o n S y s te m C o n f e r e n c e , 1 9 9 1 .p p . 6 3 5 - 6 4 3 . 3 K im A m w o n , e t c . C o m p e n s a t io n o f G y r o s c o p e E r r o r s a n d G P S I D R I n t e g r a t io n , P L A N 9 6 . 1 9 9 6 . p p .4 6 4 - 4 7 0 . 4 D a R e n a n
16、d G D s d e s , N o n l in e a r S m o o th i n g o f D e a d R e c k o n in g D a t a w it h G P S M e a s u r e m e n t s . P r o c e e d i n g o f t h e 3 4 0 C o n f e r e n c e o n D e c i s io n a n d C o n t ro l , 1 9 9 5 . p p . 1 2 8 5 - 1 2 9 4 . 5 K o P in g - Y a , e tc . C o n t in u it y I m p ro v e m e n t v ia I n e r t ia l A u g m e n t a t i o n o f G P S - B a s e d L a n d in g S y s te m . I O N - G P S 9 6 , 1 9 9 6 .p p .4 7 1 - 4 7 6
