专利名称：一种车辆自组网系统的定位子系统及定位方法
技术领域：
一种车辆自组网系统的定位子系统及定位方法，涉及一定范围内的嵌入式车载定位子系统平台、车辆定位技术及方法，属于车辆自组网相关技术领域。
背景技术：
在车辆自组网系统中，信息在车辆间的传递、中继往往要求知道车辆间的相对或绝对地理位置，这就要求参与自组网的车辆具备自身定位功能，以能够获得各个车辆的具体位置信息。
GPS全球定位系统是一种定位方法，GPS卫星定位系统将其获得的经纬度信息进行地图匹配，以确定车辆具体位置。但是GPS卫星定位系统对系统所处的环境有其特殊的要求，它要求任何时刻都有不少于4颗卫星的观测之下，方可实现定位。当车辆行驶在实际道路环境之下，GPS卫星所传送的定位信号可能会受到一些建筑物或地理自然物体的遮挡，造成GPS卫星定位接收设备对GPS定位卫星信号的接收情况不理想的情况(无法接收到GPS卫星信号、仅能接收到少于4颗卫星的信号、接收到的卫星信号受到了干扰等)，就无法获得完整的地理位置信息，导致GPS卫星定位系统无法正常运行。这时，我们就需要另外寻找一个定位方法，能够在GPS卫星定位系统无法正常工作时替代其进行应急定位。
现有的技术中有涉及组合定位的技术，如发明专利“GPS/DR车载组合定位系统及定位方法”，利用GPS提供的绝对位置信息对DR的初始值进行误差校正，同时根据DR的推算结果补偿GPS定位中的随即误差，从而实现连续定位。该系统通过陀螺仪、里程表采集DR技术所需数据，并通过采集到的数据计算出方向等所需数据，而且使用了联合卡尔曼滤波算法进行信息融合，整个系统的实现及算法较为复杂，而且方向数据的获取需要额外计算。
发明内容
本发明内容在于设计一种车辆自组网系统的定位子系统，将GPS卫星定位技术与传感器定位技术相结合，提出一种能够利用特定的传感器进行应急定位的定位方法和定位技术。该系统在GPS卫星定位系统运行正常情况下，主要由GPS卫星定位系统进行卫星定位；在GPS卫星定位系统不能正常运行的情况下，利用运动方向传感器和车辆自带的速度传感器，实时地获取车辆当前的运动方向和速度信息，结合一些特定的算法，计算出车辆行驶的轨迹，进而完成对车辆的定位，为车辆自组网系统提供一种环境适应性强，稳定、可靠的定位子系统。
本发明所提出的车辆自组网系统的定位子系统平台由GPS卫星定位接收模块、运动方向传感器、速度采集模块、存储设备(SD卡)组成。GPS卫星定位接收模块接收GPS定位卫星传送的信号，获取各个车辆的定位信息数据，通过串口传输到车辆自组网主控制系统；用于采集车辆运动方向数据的运动方向传感器通过串口与车辆自组网主控制系统相连接，实时采集车辆当前运行的方向数据；由采集车辆运行速度的速度传感器组成的速度采集模块通过串口与车辆自组网主控制系统相连接，实时采集车辆当前运行的速度数据；采用大容量SD卡的存储设备通过存储设备接口(SD卡接口)与车辆自组网主控制系统相连接，用于记录并保存电子地图、地理环境信息、车辆状态信息等。
本发明系统的定位方法特征如下 基于以上所述平台，本发明提出的车辆自组网系统的定位子系统包括GPS车辆导航定位模块、传感器定位模块、定位基础控制模块和位置信息存储模块。定位基础控制模块主要用于对各个功能模块之间相互的协调、联系、调度进行统一控制，判断采取何种车辆定位方式，在两种定位功能模块之间按照某种判定机制进行及时切换，并控制、处理整个系统定位的流程，同时能够帮助传感器定位模块对相关算法的运算进行协助处理；传感器定位模块包括定位数据的采集以及对车辆位置的相关数据的计算，通过运动方向传感器对车辆当前运行的方向数据进行实时的采集，通过车辆本身自带的速度传感器对车辆的当前速度数据进行实时的采集；位置信息存储模块将系统得到的二维本地坐标系形式下的车辆位置信息与存储在存储设备(SD卡)上的电子地图匹配，生成相关定位数据信息并进行实时的存储。
首先，启动GPS接收模块并对GPS定位卫星信号进行接收，由定位基础控制模块进行分析，判断其是否能够获取到完整的GPS卫星定位信息； 在GPS卫星定位系统能够正常运行的情况下，通过GPS接收模块接收GPS卫星定位信号，获取车辆的相关位置信息，通过串口传送这些数据到车辆自组网主控制系统并对其作相应解析和转换处理，而后可以结合存储在存储设备(SD卡)上的电子地图对车辆进行相对精确、可靠的定位； 在GPS卫星定位系统不能正常运行的情况下，则启动传感器定位方法，使用运动方向传感器采集车辆的当前运动方向数据，通过车辆本身自带的速度传感器进行当前行驶速度数据的采集。运动方向传感器和速度传感器所采用的采样频率是车辆行驶速度的函数，表示为f＝f(v)(其中v的单位为米/秒)，定义如下 采集到的方向数据表现为三维坐标形式，三维坐标系的三个坐标轴分别代表经度方向、纬度方向和垂直方向；采集到所需的相关数据之后，先将传感器获得的方向数据转换成本地坐标形式，以匹配本地电子地图，随后运用相关算法对车辆的运行轨迹进行计算；本发明中计算车辆运动轨迹的算法流程如附图4所示，具体包括以下步骤 步骤1建立v-t坐标系，以时间、速度为坐标轴，以传感器的采样周期作为时间间隔，由传感器所获取的采样值建立起一个离散型函数模型； 步骤2应用相应的数学插值算法为上一步所建的离散型函数建立出一个连续型函数模型V＝V(t)； 步骤3对上步所建立的连续型函数模型，应用高精度拟合方法计算出车辆在一定时间段内的位移值，本发明的算法步骤如下 1)采样率→f(v) 2)采样值→ V(i) i＝0，1，2... 3)c＝Ti-2，b＝Ti-1 a＝Ti 4)T＝1/f(v) 5)For i＝1，...，n，... h＝T IFi为奇数 Δ＝(V(a)+V(b))h/2 X(i)＝X(i-1)+Δ ELSE Δ＝(V(a)+4V(b)+V(c))h/3 X(i)＝X(i-2)+Δ END IF 输出X(i)continue 步骤4依据当前运动方向传感器所采集到的，转换后的车辆运动的方向数据，分析车辆是否是在进行水平行驶，如果是，则继续进行下一步，如果不是水平行驶，则需要将运动方向数据转化为水平坐标的方向数据，然后再进行下一步； 步骤5建立本地二维坐标系，利用上步所计算出来的位移数据信息并结合方向数据信息，计算出一个特定时间段内具体的位移情况； 步骤6依据本地二维空间坐标系，利用上步所计算出来的一个特定时间段内具体的位移情况，计算出相应的位置数据，所有计算出来的位置数据信息结合在一起，就得出了一定时间段内的一条连续曲线，即形成了车辆在该时间段内的运动轨迹。
当GPS卫星定位系统功能恢复正常之后，由定位基础控制模块控制，立即停止传感器定位，重新启动GPS卫星定位系统对车辆进行相对精确、可靠的GPS卫星定位，并对此前运用传感器进行定位所产生的误差做相应校正。
由于用于导航定位的电子地图存储在存储设备上，为了提高导航定位的响应速度，要把电子地图事先调入到车辆自组网主控制系统的内存中，定位技术过程全部结合着存储在存储设备上的电子地图进行导航定位，并且在存储设备上实时的记录相应的车辆定位信息。
该系统由于结合了GPS卫星定位技术与传感器定位技术，减小了车辆定位功能对客观环境的依赖性，扩大了定位技术的应用范畴。本发明的硬件平台可以应用于嵌入式设备相关开发领域，本系统可以广泛应用于移动定位等相关领域。
图1为车辆自组网系统定位子系统的硬件结构示意图。
图2为车辆自组网系统定位子系统的系统模块结构图。
图3为车辆自组网系统定位子系统的定位方法流程图。
图4为该发明的定位方法中计算车辆运动轨迹的算法流程图。
具体实施例方式 本发明的车辆自组网系统的定位子系统采用了GPS卫星定位技术与传感器定位技术相结合的定位技术，附图1为本发明的硬件结构设计示意图。该车辆自组网系统定位子系统硬件结构组成为GPS卫星定位接收模块、运动方向传感器、速度采集模块、存储设备(SD卡)等；以上述车辆自组网系统的定位子系统的硬件系统结构为基础，结合车辆自组网主控制系统，基于包括定位所需相关算法的上层应用软件开发，可以实现本车辆自组网系统定位子系统所要求的定位功能需求，下面分别叙述附图2所示各项功能模块的具体组成和实现方法。
1、定位基础控制模块。
该模块处于整个系统功能结构中的中心位置，主要用于对各个功能模块之间相互的协调、联系、调度进行统一控制，控制整个系统定位的流程，对各个定位过程进行分析、判断并做出相应处理。该模块采用一种切换机制，对采取哪种定位功能模块进行定位进行判断，并且能够在两种定位功能模块之间按照某种判断机制进行及时的切换。另外该模块也能够协助传感器定位模块进行相关算法的运算。
2、GPS车辆导航定位模块。
通过GPS卫星定位接收模块接收GPS定位卫星的卫星信号，获取车辆的相关定位信息，通过串口传输到车辆自组网主控制系统，并对其作相应数据解析和转换处理，而后可以结合存储在存储设备(SD卡)上的电子地图进行相关位置定位。
3、传感器定位模块。
其功能包括定位数据的采集并进行相关算法运算，以得出车辆的定位相关数据。传感器定位所需要采集的数据包括方向数据和速度数据，其中通过运动方向传感器对车辆当前运行的方向数据进行实时的采集，方向数据表现为三维坐标形式，三维坐标系的三个坐标轴分别代表经度方向、纬度方向和垂直方向，另外可以通过车辆本身自带的速度传感器实时的采集车辆当前的运行速度数据。
采集到定位所需的相关数据之后，在对车辆的运行轨迹进行计算之前，要先将传感器获得的方向数据转换成本地坐标形式，以匹配本地电子地图。计算车辆的运行轨迹，算法中首先建立一个v-t坐标系，以时间、速度为坐标轴，以采样周期作为时间间隔，应用数学中的函数插值法建立连续函数，再用相应的高精度拟合方法计算出一定时间间隔内的位移，随后结合本地平面坐标系，利用前面所计算出来的位移数据并结合转换后的运动方向数据，计算出相应的位置数据，所有计算出来的位置数据信息结合在一起，就得到了车辆在该时间段内的运动轨迹。
4、位置信息存储模块。
该模块用于记录并保存电子地图、地理环境信息、车辆状态信息等，车辆通过该发明中所提出的GPS卫星定位技术与传感器定位技术相结合的定位方法进行定位，并结合存储在存储设备(SD卡)上的电子地图生成相关定位数据信息并进行实时的存储。
以上各个系统组成功能模块相互之间有特定的联系，需要互相配合才能完成整个系统的功能要求，整个系统各个功能模块之间的相互联系、配合、调度都是由定位基础控制模块进行统一控制，其他功能模块只需要完成各自的特定功能。具体系统的组成和各模块间的相互联系如附图2所示。
本发明的车辆自组网系统的定位子系统的定位方法流程如图3所示，采用以上所述系统，具体方法如下 车辆定位功能启动之后，首先启动GPS卫星接收模块对GPS卫星信号进行接收，同时判定此时的GPS卫星信号接收情况。
1、如果此时能够获取到完整的GPS卫星定位信息，则说明GPS卫星信号接收情况良好，完全能够满足GPS卫星定位系统模块的要求，则启动GPS卫星定位系统模块的定位功能，进行GPS卫星定位过程。
2、如果此时不能够获取到完整的GPS卫星定位信息，则说明GPS卫星信号接收情况不好，不能够满足GPS卫星定位系统模块的要求，无法完成GPS卫星定位系统模块的定位功能，则启动传感器定位功能模块进行传感器应急定位。
3、进行传感器应急定位时，首先通过各个功能传感器去获取车辆相关的当前运动数据，可以通过运动方向传感器获取车辆当前运行的方向数据，通过速度传感器获取车辆当前运行的速度数据。上述运动方向传感器和速度传感器所采用的采样频率是车辆行驶速度的函数，表示为f＝f(v)(其中v的单位为米/秒)，定义如下 4、在对车辆的运行轨迹进行计算之前，要先将传感器获得的方向数据转换成本地坐标形式，以匹配本地电子地图，方便对车辆的运行轨迹进行计算。
5、获取到车辆当前运动相关方向、速度等数据，并做相应数据转换之后，则需要通过特定的相关算法，计算出车辆在一定时间段内的运动轨迹。本发明中计算车辆运动轨迹的算法流程如附图4所示，具体包括以下步骤 步骤1建立v-t坐标系，以时间、速度为坐标轴，以传感器的采样周期作为时间间隔，由传感器所获取的采样值建立起一个离散型函数模型； 步骤2应用相应的数学插值算法为上一步所建的离散型函数建立出一个连续型函数模型V＝V(t)； 步骤3对上步所建立的连续型函数模型，应用高精度拟合方法计算出车辆在一定时间段内的位移值，本发明的算法步骤如下 1)采样率→f(v) 2)采样值→V(i) i＝0，1，2... 3)c＝Ti-2，b＝Ti-1a＝Ti 4)T＝1/(v) 5)For i＝1，...，n，... h＝T IFi为奇数 Δ＝(V(a)+V(b))h/2 X(i)＝X(i-1)+Δ ELSE Δ＝(V(a)+4V(b)+V(c))h/3 X(i)＝X(i-2)+Δ END IF 输出X(i)continue 步骤4依据当前运动方向传感器所采集到的，转换后的车辆运动的方向数据，分析车辆是否是在进行水平行驶，如果是，则继续进行下一步，如果不是水平行驶，则需要将运动方向数据转化为水平坐标的方向数据，然后再进行下一步； 步骤5建立本地二维坐标系，利用上步所计算出来的位移数据信息并结合方向数据信息，计算出一个特定时间段内具体的位移情况； 步骤6依据本地二维空间坐标系，利用上步所计算出来的一个特定时间段内具体的位移情况，计算出相应的位置数据，所有计算出来的位置数据信息结合在一起，就得出了一定时间段内的一条连续曲线，即形成了车辆在该时间段内的运动轨迹。
整个算法过程中使用了运动方向传感器采集车辆的当前方向数据，使用了车辆自带的速度传感器采集当前速度数据。根据车辆自身的速度、行驶状态(是否有方向的改变)等情况，传感器采用相应的稳定采样率，以尽可能的减少计算值与实际值之间的误差，各个传感器在同一时段内的采样率相同； 6、该时间段内的车辆运动轨迹计算出来之后，与存储在存储设备(SD卡)中的电子地图相结合，计算出车辆具体的运动路线，进而获得该时间段内车辆的实时定位信息。
7、进行GPS卫星定位或传感器定位完成之后，则需要结合存储在存储设备(SD卡)中的电子地图，对相关定位信息进行存储。然后，转到整个算法流程的开始处进行下一个定位循环过程。
本发明的定位方法过程中，每进行一次定位循环之后，就要进行一次定位选择判断，而且传感器定位过程的定位频率一般是依据其采样频率而进行，时间较短，这样就可以使整个定位系统能够在两个定位方法之间进行及时的切换。当GPS卫星定位系统功能恢复正常之后，重新启动GPS卫星定位系统对车辆进行相对精确、可靠的GPS卫星定位，并对此前运用传感器进行定位所产生的误差做相应校正。
本发明的整个系统的各个功能模块都能完成各自特定的功能，由定位基础控制模块对各个功能模块进行统一控制，并进行特定的分析、判断及逻辑运算，使整个定位功能能够顺利完成。
本发明采用GPS卫星定位技术与传感器定位技术相结合，既能够使用GPS卫星定位技术对车辆进行较为精确、可靠的GPS卫星定位，也能够在GPS卫星定位无法进行的时候，以传感器定位技术作为辅助进行应急定位，扩大了定位的技术范畴，减小了车辆定位功能对客观环境的依赖性，增大了定位功能的环境适应性。
权利要求
1.一种车辆自组网系统的定位子系统，其特征在于系统包括GPS接收模块、运动方向传感器、速度采集模块和存储设备；GPS接收模块通过串口与车辆自组网主控制系统相连接，由采集车辆运动方向数据的传感器组成的运动方向采集模块通过串口与车辆自组网主控制系统相连接，由采集车辆运行速度的速度传感器组成的速度采集模块通过串口与车辆自组网主控制系统相连接，存储设备通过存储设备接口与车辆自组网主控制系统相连接。
2.采用权利要求1所述的车辆自组网系统定位子系统的定位方法，其特征在于采用GPS卫星定位与车辆传感器定位相结合，由定位基础控制模块根据GPS卫星定位的工作状态实时判断，当GPS卫星定位功能能够正常工作情况下，通过GPS接收模块从GPS卫星定位系统接收卫星信号，获取各个车辆的位置信息数据，通过串口传送这些数据到车辆自组网主控制系统并对其作解析，而后可以结合存储在存储设备上的电子地图对车辆进行定位；GPS卫星定位功能无法正常进行情况下，则启动传感器定位方法，使用运动方向传感器采集车辆的当前运动方向数据，通过车辆自带的速度传感器进行当前行驶速度数据的采集，随后计算出车辆的实时运动轨迹，并且结合存储在存储设备上的电子地图进行应急定位；GPS卫星定位功能恢复正常之后，停止传感器定位，重新启动GPS卫星定位系统对车辆进行GPS卫星定位，并对此前运用传感器进行定位所产生的误差做相应校正。
3.如权利要求2所述的车辆自组网系统定位子系统的定位方法，其特征在于所述的传感器定位方法，该方法中计算车辆运动轨迹的相关算法过程如下步骤
步骤1建立v-t坐标系，以时间、速度为坐标轴，以传感器的采样频率作为时间间隔，由传感器所获取的采样值建立起一个离散型函数模型；
步骤2应用相应的数学插值算法为上一步所建的离散型函数建立出一个连续型函数模型；
步骤3对上步所建立的连续型函数模型，应用高精度拟合方法计算出车辆在一定时间段内的位移值，算法步骤如下
1)采样率→f(v)
2)采样值→ V(i)i＝0，1，2...
3)c＝Ti-2，b＝Ti-1 a＝Ti
4)T＝1/f(v)
5)For i＝1，...，n，...
h＝T
IF i为奇数
Δ＝(V(a)+V(b))h/2
X(i)＝X(i-1)+Δ
ELSE
Δ＝(V(a)+4V(b)+V(c))h/3
X(i)＝X(i-2)+Δ
END IF
输出X(i) continue
步骤4依据当前运动方向传感器所采集到的，转换后的车辆运动的方向数据，分析车辆是否是在进行水平行驶，如果是，则继续进行下一步，如果不是水平行驶，则需要将运动方向数据转化为水平坐标的方向数据，然后再进行下一步；
步骤5建立本地二维坐标系，利用上步所计算出来的位移数据信息并结合方向数据信息，计算出一个特定时间段内具体的位移情况；
步骤6依据本地二维空间坐标系，利用上步所计算出来的一个特定时间段内具体的位移情况，计算出相应的位置数据，所有计算出来的位置数据信息结合在一起，就得出了一定时间段内的一条连续曲线，即形成了车辆在该时间段内的运动轨迹。
4.如权利要求2、3所述的车辆自组网系统定位子系统的定位方法，其特征在于在对车辆的运行轨迹进行计算之前，要先将传感器获得的方向数据转换成本地坐标形式，以匹配本地电子地图。
5.如权利要求2所述的车辆自组网系统定位子系统的定位方法，其特征在于运动方向传感器和速度传感器所采用的采样频率是车辆行驶速度的函数，表示为f＝f(v)(其中v的单位为米/秒)，定义如下
各个传感器在同一时段内的采样频率相同。
全文摘要
一种车辆自组网系统的定位子系统及定位方法，涉及一定范围内的嵌入式车载定位子系统平台、车辆定位技术及方法，属于车辆自组网相关技术领域。其特征是，该子系统由GPS卫星定位接收装置、运动方向传感器、速度采集模块、存储设备等组成，采用了GPS卫星定位技术与传感器定位技术相结合的方式。所述定位方法特征包括当GPS卫星定位功能正常时，能够利用GPS卫星定位技术进行可靠的定位；当GPS卫星定位功能无法进行时，可以利用传感器所采集到的当前车辆的速度、方向数据，结合相关算法以及存储在存储设备上的电子地图进行应急定位；直到GPS卫星定位功能再次稳定、可靠时，恢复利用GPS卫星定位技术进行可靠的定位。扩大了定位的技术范畴，减小了车辆定位功能对客观环境的依赖性，增大了定位功能的环境适应性。
文档编号G01C21/26GK101183010SQ200710178700
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者杨裕亮, 苏玉超, 周贤伟, 扬 杨, 安建伟 申请人:北京科技大学