專(zhuān)利名稱(chēng)：基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是智能化的組合式車(chē) 輛導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
智能車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，是把先進(jìn)的全球衛(wèi)星定 位(GPS)技術(shù)、組合導(dǎo)航技術(shù)、地理信息技術(shù)等綜合在一起的高科技系統(tǒng)，進(jìn)入 九十年代以后發(fā)展迅猛。近年來(lái)，隨著城市中車(chē)輛數(shù)量的日益增多，如何在城市 里有效地指揮、管理公共服務(wù)車(chē)輛和一些特種車(chē)輛，已經(jīng)成為交通運(yùn)輸部門(mén)和城 市規(guī)劃部門(mén)面臨地一個(gè)重要的課題，車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)更加受到人們的關(guān)注。車(chē)輛導(dǎo) 航定位系統(tǒng)有自主式、非自主式和組合式三種。自主式車(chē)輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)利用慣 性導(dǎo)航原理，使用陀螺儀、里程儀等傳感器測(cè)量車(chē)輛的位移和航向信息，由此解 算出車(chē)輛的位置。DR(Dead Reckoning航位推算)是自主式導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的典 型代表。非自主式車(chē)輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要以GPS (Global Positioning System) 或差分GPS作為定位手段。組合式車(chē)輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)則是前兩種導(dǎo)航方式的結(jié) 合?；贕PS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，在GPS信號(hào)丟失的環(huán)境里，如高架 橋下、隧道、城市高樓間，將不能提供導(dǎo)航和定位功能，不能滿(mǎn)足某些需要實(shí)時(shí) 定位的公共服務(wù)車(chē)輛和特種車(chē)輛的功能要求?，F(xiàn)有的車(chē)輛組合導(dǎo)航算法中大多是 依賴(lài)于GPS/DR數(shù)據(jù)，如基于代價(jià)函數(shù)的地圖匹配算法,基于權(quán)重的地圖匹配算法， 基于圓搜索直接投影地圖匹配算法等，由于這些算法的準(zhǔn)確性依賴(lài)于GPS/DR數(shù) 據(jù)的準(zhǔn)確性，在低成本的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)中，GPS本身的誤差、DR的累積誤差、傳 感器的測(cè)量誤差、電子地圖的誤差，將使得GPS/DR估計(jì)的車(chē)輛位置可信度降低， 甚至使車(chē)輛位置完全偏離實(shí)際道路。而有些地圖匹配算法原理較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難 度較大，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地圖匹配算法、基于Kalman濾波的地圖匹配算法、 基于概率統(tǒng)計(jì)的地圖匹配算法等，在低成本/計(jì)算能力低的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)時(shí) 運(yùn)行速度達(dá)不到應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以綜合利 用電子羅盤(pán)、車(chē)速傳感器、GPS模塊定位數(shù)據(jù)和電子地圖，實(shí)現(xiàn)低成本的車(chē)輛組
合導(dǎo)航系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)包 括GPS信號(hào)接收模塊確定車(chē)輛的初始行駛道路和道路的ID，輸出含有車(chē)輛的 距離和方向信息的GPS數(shù)據(jù)；電子羅盤(pán)確定并輸出車(chē)輛的行駛方向數(shù)據(jù)；車(chē)速 傳感器及車(chē)速信號(hào)處理電路車(chē)速信號(hào)處理電路對(duì)車(chē)速傳感器采集得到的車(chē)輛速 度數(shù)據(jù)處理后，輸出車(chē)輛行駛距離數(shù)據(jù)；車(chē)輛行駛軌跡顯示、記錄與回放模塊， 以及語(yǔ)音提示模塊，還具有智能地圖匹配算法模塊結(jié)合電子地圖的路網(wǎng)信息， 按以下步驟進(jìn)行推算
(1) 地圖匹配初始化
用GPS點(diǎn)來(lái)找車(chē)輛初始行駛通路和通路的ID,并且利用GPS航向角度，通過(guò) 直接投影算法和圓搜索算法相結(jié)合的方法，確定方向節(jié)點(diǎn)和車(chē)輛行駛距離；
(2) )當(dāng)下一個(gè)GPS點(diǎn)還沒(méi)有來(lái)之前，以上一次匹配點(diǎn)進(jìn)行DR插值，插值 的時(shí)刻以取得車(chē)速傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向(3);當(dāng)有GPS數(shù)據(jù)來(lái)了轉(zhuǎn)向
(10);
(3) 判斷上一次匹配點(diǎn)是否進(jìn)入了判斷域內(nèi)，如果是轉(zhuǎn)(5)，否則轉(zhuǎn)(4);
(4) 直行推算狀態(tài)根據(jù)車(chē)速直行推算，如果車(chē)速直行推算的點(diǎn)不在道路 上了，則匹配在方向節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(11);
(5) 判斷DR角度與道路角度之差是否小于指定角度，如果是轉(zhuǎn)(6)，否則 轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8);
(6) 判斷是否己經(jīng)匹配到了方向節(jié)點(diǎn)，如果是轉(zhuǎn)(7)，否則轉(zhuǎn)(4);
(7) 計(jì)算DR推算點(diǎn)，判斷DR推算點(diǎn)是否還在判斷域內(nèi)，如果是匹配到DR 推算點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8);
(8) 可能換路狀態(tài)處理在電子地圖中找出以方向節(jié)點(diǎn)為交點(diǎn)所有道路， 結(jié)合距離、航向以及車(chē)速多個(gè)因素確定是否車(chē)輛換路了；如果確定要換路則轉(zhuǎn)向
(9)，否則匹配到DR推算點(diǎn)，轉(zhuǎn)(10);
(9) 保存歷史道路信息，計(jì)算上一次匹配點(diǎn)在換路后道路上的垂足，并匹 配到這個(gè)垂足；更新道路信息和行駛距離；
(10) 匹配出錯(cuò)判斷處理如果發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，則應(yīng)返回上一歷史道路重新找路；
(11) 從(2)開(kāi)始循環(huán)，直到退出匹配控制。 本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有(1)利用電子地圖數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的電
子羅盤(pán)數(shù)據(jù)、車(chē)速傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，從而消除低成本電子羅盤(pán)、車(chē)速傳 感器數(shù)據(jù)的誤差；(2)利用接收到的GPS數(shù)據(jù)、車(chē)輛行駛方向、車(chē)輛行駛距離數(shù) 據(jù)，進(jìn)行電子地圖的智能匹配，從而定位當(dāng)前車(chē)輛的位置。 本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明通過(guò)綜合利用電子地圖信息、GPS數(shù)據(jù)、低成本的電子羅盤(pán)和車(chē)速傳 感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能地圖匹配，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置的定位，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能組合 導(dǎo)航系統(tǒng)。此系統(tǒng)不受GPS信號(hào)中斷的影響，實(shí)現(xiàn)了不間斷的車(chē)輛定位功能，滿(mǎn) 足公共服務(wù)車(chē)輛和特種服務(wù)車(chē)輛不間斷定位跟蹤的要求。系統(tǒng)實(shí)施成本低。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是圖1所示系統(tǒng)的基本程序流程具體實(shí)施例方式
圖l示出，GPS信號(hào)接收模塊、電子羅盤(pán)和經(jīng)過(guò)處理的車(chē)速信號(hào)，通過(guò)串口 通信輸入到組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，組合導(dǎo)航系統(tǒng)在GIS平臺(tái)(本發(fā)明的組合導(dǎo)航系 統(tǒng)可應(yīng)用在各種常見(jiàn)的GIS平臺(tái)上，如ArcGIS, Maplnfo, SuperMap等。在試驗(yàn) 樣機(jī)上使用的是國(guó)產(chǎn)超圖SuperMap GIS平臺(tái))和電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持下， 對(duì)接收到的GPS數(shù)據(jù)、車(chē)輛行駛方向、車(chē)輛行駛距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行電子 地圖的智能匹配，從而定位當(dāng)前車(chē)輛的位置，在電子地圖上顯示出車(chē)輛的行駛軌 跡。在指定目的地，系統(tǒng)作出最佳路徑規(guī)劃，即可根據(jù)車(chē)輛的位置信息，計(jì)算出 導(dǎo)航信息，并語(yǔ)音提示。
圖2示出， 一種基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括GPS信號(hào)接 收模塊確定車(chē)輛的初始行駛道路和道路的ID (道路的ID，即是在電子地圖中 該道路的編號(hào)，該ID在電子地圖中可用來(lái)唯一確定一條道路)，輸出含有車(chē)輛的 距離和方向信息的GPS數(shù)據(jù)；電子羅盤(pán)確定并輸出車(chē)輛的行駛方向數(shù)據(jù)；車(chē) 速傳感器及車(chē)速信號(hào)處理電路車(chē)速信號(hào)處理電路對(duì)車(chē)速傳感器采集得到的車(chē)輛 速度數(shù)據(jù)處理后，輸出車(chē)輛行駛距離數(shù)據(jù)；車(chē)輛行駛軌跡顯示、記錄與回放模塊，
和語(yǔ)音提示模塊，以及智能地圖匹配算法模塊結(jié)合電子地圖的路網(wǎng)信息，按以 下步驟進(jìn)行推算
(1) 地圖匹配初始化
用GPS點(diǎn)來(lái)找車(chē)輛初始行駛通路和通路的ID,并且利用GPS航向角度，通 過(guò)直接投影算法和圓搜索算法相結(jié)合的方法，確定方向節(jié)點(diǎn)和車(chē)輛行駛距離(在 地圖匹配初始化中，可通過(guò)GPS信號(hào)得到車(chē)輛的當(dāng)前位置和行駛方向。然后在 電子地圖中搜索所有道路，找出與當(dāng)前GPS位置垂直距離在一定距離范圍內(nèi)的 道路，再比較這些道路的方向與GPS信號(hào)給出的行駛方向，道路方向與GPS行 駛方向一致，且與當(dāng)前GPS位置最近的一條道路被選中，作為初始匹配的道路。 該道路沿行駛方向向前的端點(diǎn)，為當(dāng)前方向節(jié)點(diǎn)。GPS位置投影在該道路上的點(diǎn)， 與行駛方向后端的端點(diǎn)的距離為當(dāng)前在該道路上的行駛距離)；
(2) )當(dāng)下一個(gè)GPS點(diǎn)還沒(méi)有來(lái)之前，以上一次匹配點(diǎn)進(jìn)行DR插值，插 值的時(shí)刻以取得車(chē)速傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向(3);當(dāng)有GPS數(shù)據(jù)來(lái)了 轉(zhuǎn)向(10);
(3) 判斷上一次匹配點(diǎn)是否進(jìn)入了判斷域內(nèi)，如果是轉(zhuǎn)(5)，否則轉(zhuǎn)(4);
(4) 直行推算狀態(tài)根據(jù)車(chē)速直行推算，如果車(chē)速直行推算的點(diǎn)不在道路 上了，則匹配在方向節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(11);
(5) 判斷DR角度與道路角度之差是否小于指定角度，如果是轉(zhuǎn)(6)，否 則轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8);
(6) 判斷是否已經(jīng)匹配到了方向節(jié)點(diǎn)，如果是轉(zhuǎn)(7)，否則轉(zhuǎn)(4);
(7) 計(jì)算DR推算點(diǎn)，判斷DR推算點(diǎn)是否還在判斷域內(nèi)，如果是匹配到 DR推算點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8);
(8) 可能換路狀態(tài)處理在電子地圖中找出以方向節(jié)點(diǎn)為交點(diǎn)所有道路， 結(jié)合距離、航向以及車(chē)速多個(gè)因素確定是否車(chē)輛換路了；如果確定要換路則轉(zhuǎn)向
(9)，否則匹配到DR推算點(diǎn)，轉(zhuǎn)(10);
(9) 保存歷史道路信息，計(jì)算上一次匹配點(diǎn)在換路后道路上的垂足，并匹 配到這個(gè)垂足。更新道路信息和行駛距離；
(10) 匹配出錯(cuò)判斷處理如果發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，則應(yīng)返回上一歷史道路重新找路;
(11) 從(2)開(kāi)始循環(huán)，直到退出匹配控制。誤差校正算法中，在GPS信號(hào)接收良好時(shí)，系統(tǒng) 利用GPS的距離和方向等信息，統(tǒng)計(jì)分析電子羅盤(pán)傳來(lái)的行駛方向數(shù)據(jù)，和車(chē) 速傳感器處理電路傳來(lái)的行駛距離數(shù)據(jù)，校正電子羅盤(pán)和車(chē)速傳感器的系統(tǒng)誤差 (在GPS信號(hào)接收良好時(shí)，可通過(guò)GPS信號(hào)獲知當(dāng)前車(chē)輛位置及行駛方向。當(dāng) 電子羅盤(pán)給出的車(chē)輛行駛方向在一段足夠長(zhǎng)的距離內(nèi)，如數(shù)百米沒(méi)有變化時(shí)，則 認(rèn)為當(dāng)前車(chē)輛行駛在一條直線路段上，通過(guò)在該直線路段上兩端點(diǎn)處GPS信號(hào) 分別給出的車(chē)輛位置，即可計(jì)算出該直線路段的長(zhǎng)度。再根據(jù)在該直線路段上車(chē) 速傳感器給出的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，即可計(jì)算出車(chē)速傳感器每個(gè)脈沖信號(hào)代表車(chē)輛行 駛了多少距離。這種校正方法，可以補(bǔ)償輪胎氣壓、輪胎溫度、輪胎磨損程度等 引起的車(chē)速傳感器給出的車(chē)輛行駛距離的誤差。電子羅盤(pán)受地磁、及車(chē)輛所在地 的電磁環(huán)境的干擾，其所指示的車(chē)輛行駛方向與實(shí)際的車(chē)輛行駛方向會(huì)有誤差。 在GPS信號(hào)接收良好時(shí)，可通過(guò)GPS信號(hào)獲知當(dāng)前車(chē)輛位置及行駛方向。當(dāng)電 子羅盤(pán)給出的車(chē)輛行駛方向在一段足夠長(zhǎng)的距離內(nèi)，如數(shù)百米沒(méi)有變化時(shí)，則認(rèn) 為當(dāng)前車(chē)輛行駛在一條直線路段上。此時(shí)則認(rèn)為GPS給出的行駛方向?yàn)檎鎸?shí)的
車(chē)輛行駛方向，于是可以得出電子羅盤(pán)指示方向與真實(shí)的車(chē)輛行駛方向的一個(gè)對(duì) 應(yīng)關(guān)系。當(dāng)車(chē)輛在某地行駛較長(zhǎng)距離后，基本可得出電子羅盤(pán)指示方向與真實(shí)的 車(chē)輛行駛方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。于是在以后行駛過(guò)程中，當(dāng)電子羅盤(pán)給出一個(gè)車(chē) 輛的當(dāng)前行駛方向，通過(guò)上述得到的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到真實(shí)的車(chē)輛當(dāng)前行駛方 向)。在不同的地域、不同的地磁環(huán)境里面，電子羅盤(pán)的角度指示有誤差，通過(guò) 校正算法，可以消除這種誤差。車(chē)速傳感器一般是給出車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈的數(shù)據(jù)， 但輪胎氣壓、輪胎溫度、輪胎磨損程度等，都會(huì)影響計(jì)算出的車(chē)輛行駛距離，通 過(guò)校正算法，可以消除由于以上原因造成的行駛距離誤差。
智能地圖匹配算法的基本思想是在地圖匹配初始化后(利用GPS定位信 息找到車(chē)輛正確行駛的道路后)，利用車(chē)速傳感器給出的行駛距離數(shù)據(jù)和電子羅 盤(pán)給出的車(chē)輛行駛方向數(shù)據(jù)，結(jié)合電子地圖的路網(wǎng)信息，用行駛距離在已知道路 上進(jìn)行推算。
試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)超圖SuperMap GIS平臺(tái)，使用樣機(jī)研發(fā)組自己采集 數(shù)據(jù)并繪制的川大校園及附近的電子地圖，在普通桑塔納2000車(chē)型上，使用上 海直川公司(http:〃www,zc-s畫(huà)r.畫(huà))生產(chǎn)的ZCC-D-I-232電子羅盤(pán)。經(jīng)實(shí)際跑車(chē)試驗(yàn)，在關(guān)閉GPS信號(hào)5-10分鐘的情況下(模擬GPS信號(hào)丟失的情況)， 該組合導(dǎo)航系統(tǒng)仍然能夠給出正確的車(chē)輛位置。
在常見(jiàn)的GPS信號(hào)丟失的環(huán)境里，如高架橋下、隧道、城市高樓間，GPS信 號(hào)可能會(huì)丟失卜3分鐘， 一般不會(huì)超過(guò)5分鐘，因此該組合導(dǎo)航系統(tǒng)可有效地在 GPS信號(hào)丟失的情況下，正確地定位車(chē)輛。
權(quán)利要求
1、一種基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括GPS信號(hào)接收模塊確定車(chē)輛的初始行駛道路和道路的ID，輸出含有車(chē)輛的距離和方向信息的GPS數(shù)據(jù)；電子羅盤(pán)確定并輸出車(chē)輛的行駛方向數(shù)據(jù)；車(chē)速傳感器及車(chē)速信號(hào)處理電路車(chē)速信號(hào)處理電路對(duì)車(chē)速傳感器采集得到的車(chē)輛速度數(shù)據(jù)處理后，輸出車(chē)輛行駛距離數(shù)據(jù)；車(chē)輛行駛軌跡顯示、記錄與回放模塊，以及語(yǔ)音提示模塊，其特征是還具有智能地圖匹配算法模塊結(jié)合電子地圖的路網(wǎng)信息，按以下步驟進(jìn)行推算(1)地圖匹配初始化用GPS點(diǎn)來(lái)找車(chē)輛初始行駛通路和通路的ID，并且利用GPS航向角度，通過(guò)直接投影算法和圓搜索算法相結(jié)合的方法，確定方向節(jié)點(diǎn)和車(chē)輛行駛距離；(2))當(dāng)下一個(gè)GPS點(diǎn)還沒(méi)有來(lái)之前，以上一次匹配點(diǎn)進(jìn)行DR插值，插值的時(shí)刻以取得車(chē)速傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向(3)；當(dāng)有GPS數(shù)據(jù)來(lái)了轉(zhuǎn)向(10)；(3)判斷上一次匹配點(diǎn)是否進(jìn)入了判斷域內(nèi)，如果是轉(zhuǎn)(5)，否則轉(zhuǎn)(4)；(4)直行推算狀態(tài)根據(jù)車(chē)速直行推算，如果車(chē)速直行推算的點(diǎn)不在道路上了，則匹配在方向節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(11)；(5)判斷DR角度與道路角度之差是否小于指定角度，如果是轉(zhuǎn)(6)，否則轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8)；(6)判斷是否已經(jīng)匹配到了方向節(jié)點(diǎn)，如果是轉(zhuǎn)(7)，否則轉(zhuǎn)(4)；(7)計(jì)算DR推算點(diǎn)，判斷DR推算點(diǎn)是否還在判斷域內(nèi)，如果是匹配到DR推算點(diǎn)，否則轉(zhuǎn)向可能換路狀態(tài)(8)；(8)可能換路狀態(tài)處理在電子地圖中找出以方向節(jié)點(diǎn)為交點(diǎn)所有道路，結(jié)合距離、航向以及車(chē)速多個(gè)因素確定是否車(chē)輛換路了；如果確定要換路則轉(zhuǎn)向(9)，否則匹配到DR推算點(diǎn)，轉(zhuǎn)(10)；(9)保存歷史道路信息，計(jì)算上一次匹配點(diǎn)在換路后道路上的垂足，并匹配到這個(gè)垂足；更新道路信息和行駛距離；(10)匹配出錯(cuò)判斷處理如果發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，則應(yīng)返回上一歷史道路重新找路；(11)從(2)開(kāi)始循環(huán)，直到退出匹配控制。
全文摘要
一種基于智能導(dǎo)航算法的車(chē)輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)由GPS模塊，電子羅盤(pán)，車(chē)速傳感器及車(chē)速信號(hào)處理電路，智能地圖匹配算法模塊，車(chē)輛行駛軌跡顯示，記錄與回放模塊以及語(yǔ)言提示模塊組成；智能地圖適配算法模塊利用GPS定位數(shù)據(jù)、車(chē)速傳感器給出的行駛距離數(shù)據(jù)和電子羅盤(pán)給出的行駛方向數(shù)據(jù)，結(jié)合電子地圖的路網(wǎng)信息，用行駛距離在已知道路上推算，從而定位當(dāng)前車(chē)輛的位置。本系統(tǒng)不受GPS信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了不間斷的車(chē)輛定位功能，且系統(tǒng)實(shí)施成本低。
文檔編號(hào)G01C21/26GK101201255SQ200710050939
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者李曉峰, 王茂寧 申請(qǐng)人:四川川大智勝軟件股份有限公司