專利名稱：一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法，其目的在于當(dāng)全球定位系統(tǒng)GPS在隧道環(huán)境中因信號(hào)遮擋而無法對(duì)車輛進(jìn)行準(zhǔn)確定位時(shí)，利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的初步位置信息，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)獲取的初步位置信息進(jìn)行濾波、遞推，實(shí)現(xiàn)車輛位置信息的精確估計(jì)，解決車輛的準(zhǔn)確、高可靠的定位問題，具有可靠性高、準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，成本低的優(yōu)點(diǎn)，屬于車輛導(dǎo)航定位領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著交通行業(yè)的迅速發(fā)展，隨之出現(xiàn)的交通問題也日趨明顯，智能運(yùn)輸系統(tǒng)ITS成為了世界公認(rèn)的解決交通問題的有效途徑。車輛定位技術(shù)是智能運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之 一，如何準(zhǔn)確、可靠對(duì)車輛進(jìn)行定位成為研究的重點(diǎn)。目前，車輛定位領(lǐng)域應(yīng)用最多的是GPS技術(shù)。GPS能為動(dòng)載體實(shí)時(shí)全天候地提供三維位置、速度和時(shí)間等信息，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)車輛行駛在隧道、立交橋等區(qū)域時(shí)，GPS因信號(hào)受到遮擋會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)甚至失效的問題。為克服GPS的不足，各種組合導(dǎo)航的研究引起了廣泛的重視。GPS/INS組合定位系統(tǒng)以及GPS/DR組合定位系統(tǒng)在GPS信號(hào)受遮擋區(qū)域主要依靠INS (即慣性導(dǎo)航)或DR (即航位推算，由陀螺儀和里程計(jì)構(gòu)成)來推算定位。但當(dāng)GPS出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的定位不準(zhǔn)或失效時(shí)，無論INS還是DR將累積大的誤差。針對(duì)INS和DR的不足，麗(即地圖匹配技術(shù))近年來引入到GPS/INS或GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，但是，MM的精度取決于數(shù)字地圖的質(zhì)量和地圖匹配算法的精度，在道路密集區(qū)域當(dāng)GPS發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的失效，MM常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的定位結(jié)果O總體看來，這些基于GPS的組合定位方法依然無法滿足隧道(尤其是長(zhǎng)隧道)等GPS信號(hào)受遮擋環(huán)境內(nèi)車輛準(zhǔn)確、可靠定位的需要。除GPS外，近年來其它無線定位技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，如射頻識(shí)別(RadioFrequencyIDentification, RFID)定位、蜂窩移動(dòng)定位(Cellular-based)、超寬帶無線(Ultra Wide Band, UWB)、無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks, WLAN)以及藍(lán)牙(Bluetooth)等，并主要應(yīng)用于室內(nèi)定位。特別是隨著主動(dòng)式RFID技術(shù)的成熟，RFID在室內(nèi)定位中的運(yùn)用比較成熟，各種定位算法和定位技術(shù)的研究也取得了很大的進(jìn)展，但尚未應(yīng)用于戶外隧道環(huán)境下的定位導(dǎo)航，同時(shí)由于傳感器誤差和測(cè)量誤差，所獲取的位置信息往往含有噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法，本方法在GPS信號(hào)受遮擋的隧道環(huán)境下利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛的初步定位，得到含有噪聲的車輛的初步位置信息，同時(shí)融合車載方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、縱向加速度傳感器以及輪速傳感器信息，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)初步定位得到初步位置信息進(jìn)行濾波、遞推得到車輛位置信息的準(zhǔn)確估計(jì)，具有可靠性高、準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法，其特征在于利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的初步位置信息，為了進(jìn)一步提高初步定位的定位精度，針對(duì)前輪轉(zhuǎn)向四輪車輛，結(jié)合隧道環(huán)境建立車輛定位的擴(kuò)展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉(zhuǎn)角和加速度傳感器所輸出的信息作為系統(tǒng)狀態(tài)方程外部輸入量，以初步定位獲取的含有噪聲的車輛位置信息以及利用輪速傳感器測(cè)量與計(jì)算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統(tǒng) 觀測(cè)量，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推算法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的推算出隧道環(huán)境內(nèi)車輛的精確位置信息，具體步驟如下步驟I)在隧道環(huán)境下布置有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag，在車輛上布置射頻識(shí)別讀寫器reader在隧道壁體兩側(cè)無遮擋位置，每距離10-20米等間隔地布置有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag,以正東為ox指向，以正北為oy指向，原點(diǎn)為O,建立地理坐標(biāo)系xoy,原點(diǎn)ο選取在地球表面一個(gè)固定點(diǎn)上，得到地理坐標(biāo)系xoy下的所有有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag的坐標(biāo)，將射頻識(shí)別讀寫器reader固定在行駛的車輛的車頂，此時(shí)射頻識(shí)別讀寫器reader在地理坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)即被認(rèn)為是車輛在地理坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，并近似認(rèn)為有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag和射頻識(shí)別讀寫器reader處于同一平面上；步驟2)選擇用于實(shí)時(shí)定位的有效標(biāo)簽根據(jù)射頻識(shí)別讀寫器reader實(shí)時(shí)接收到的有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag在每個(gè)離散時(shí)刻k發(fā)出的信號(hào)，k=l，2，3，···，k為正整數(shù)，將最大的四個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度值所對(duì)應(yīng)的四個(gè)有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag作為用于實(shí)時(shí)定位的四個(gè)有效標(biāo)簽，四個(gè)有效標(biāo)簽在地理坐標(biāo)系xoy中的坐標(biāo)分別為(X1GO, Y1 (k)) > (x2(k), y2(k) )、(x3(k), y3(k))、(x4 (k), y4 (k)),且 X1GO > Y1 (k)、x2 (k)、y2 (k)、x3(k)、y3(k)、x4(k)、y4(k)分別表示離散時(shí)刻k這四個(gè)有效標(biāo)簽在地理坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，這些坐標(biāo)值為已知；步驟3)利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛初步定位步驟3. I)擬合出射頻識(shí)別讀寫器reader和有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag之間距離d和接收信號(hào)強(qiáng)度值I的關(guān)系d = aeUI+cerI,其中，d表示射頻識(shí)別讀寫器reader與有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag之間的距離，其單位為米，I表示由射頻識(shí)別讀寫器reader接收并得到的來自相應(yīng)有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag的接收信號(hào)強(qiáng)度值，無量綱，e為自然底數(shù)且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應(yīng)的系數(shù)常量，a=171. 8，U=-L 27，c=83. 05，r=-0. 05354 ；分別求得離散時(shí)刻k的射頻識(shí)別讀寫器reader和四個(gè)有效標(biāo)簽之間的距離(I1 (k)、d2 (k)、d3 (k)、d4 (k)dx (k) = aenhik) + cerkm(I)d2(k)=aeulik) +cerl2(k)(2)d3(k)^ae,lh(k) +cerhik)(3) d4(k) = ae"w +cerhm(4)其中，(I1 (k)、d2(k)、d3(k)、d4(k)分別表示離散時(shí)刻k的射頻識(shí)別讀寫器reader和四個(gè)有效標(biāo)簽之間的距離，其單位為米，I1 (k)、I2GO、I3GO、I4GO分別表示由射頻識(shí)別讀寫器reader接收并得到的來自四個(gè)有效標(biāo)簽的離散時(shí)刻k的接收信號(hào)強(qiáng)度值，無量綱，e為自然底數(shù)且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應(yīng)的系數(shù)常量，具體取值同上；步驟3. 2)利用平面上兩點(diǎn)間的距離公式，建立車輛位置方程組
權(quán)利要求
1.一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法，其特征在于利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的位置信息，為了進(jìn)一步提高初步定位的定位精度，針對(duì)前輪轉(zhuǎn)向四輪車輛，結(jié)合隧道環(huán)境建立車輛定位的擴(kuò)展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉(zhuǎn)角和加速度傳感器所輸出的信息作為系統(tǒng)狀態(tài)方程外部輸入量，以初步定位獲取的含有噪聲的車輛位置信息以及利用輪速傳感器測(cè)量與計(jì)算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統(tǒng)觀測(cè)量，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的推算出隧道環(huán)境內(nèi)車輛的精確位置信息，具體步驟如下 步驟I)在隧道環(huán)境下布置有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag，在車輛上布置射頻識(shí)別讀寫器reader 在隧道壁體兩側(cè)無遮擋位置，每距離10-20米等間隔地布置有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag,以正東為ox指向，以正北為oy指向，原點(diǎn)為ο,建立地理坐標(biāo)系xoy,原點(diǎn)ο選取在地球表面一個(gè)固定點(diǎn)上，得到地理坐標(biāo)系xoy下的所有有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag的坐標(biāo)，將射頻識(shí)別讀寫器reader固定在行駛的車輛的車頂，此時(shí)射頻識(shí)別讀寫器reader在地理坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)即被認(rèn)為是車輛在地理坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，并近似認(rèn)為有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag和射頻識(shí)別讀寫器reader處于同一平面上； 步驟2)選擇用于實(shí)時(shí)定位的有效標(biāo)簽 根據(jù)射頻識(shí)別讀寫器reader實(shí)時(shí)接收到的有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag在每個(gè)離散時(shí)刻k發(fā)出的信號(hào)，k=l, 2, 3，···，k為正整數(shù)，將最大的四個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度值所對(duì)應(yīng)的四個(gè)有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag作為用于實(shí)時(shí)定位的四個(gè)有效標(biāo)簽，四個(gè)有效標(biāo)簽在地理坐標(biāo)系 xoy 中的坐標(biāo)分別為(X1GO , Y1 (k))、(x2 (k), y2 (k) )、Cx3 (k), y3 (k) )、(x4(k),y4 (k))，且 X1GO、Y1 (k)、x2 (k)、y2 (k)、x3(k)、y3 (k)、x4(k)、y4 (k)分別表示離散時(shí)刻 k 這四個(gè)有效標(biāo)簽在地理坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，這些坐標(biāo)值為已知； 步驟3)利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛初步定位 步驟3. I)擬合出射頻識(shí)別讀寫器reader和有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag之間距離d和接收信號(hào)強(qiáng)度值I的關(guān)系d = aeul+cerl, 其中，d表示射頻識(shí)別讀寫器reader與有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag之間的距離，其單位為米，I表示由射頻識(shí)別讀寫器reader接收并得到的來自相應(yīng)有源主動(dòng)式射頻識(shí)別電子標(biāo)簽tag的接收信號(hào)強(qiáng)度值，無量綱，e為自然底數(shù)且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應(yīng)的系數(shù)常量，a=171. 8，U=-L 27，c=83. 05，r=-0. 05354 ； 分別求得離散時(shí)刻k的射頻識(shí)別讀寫器reader和四個(gè)有效標(biāo)簽之間的距離(I1 (k)、d2 (k)、d3 (k)、d4 (k) dl{k) = aeuh(k) +cerI'(k)(I) d2(k)=ae,lha—)+C(2) d3(k) = aeuha)+cerhm(3) dA{k)=ae,,hik) +cerl*{k)(4) 其中，(I1 (k)、d2(k)、d3(k)、d4(k)分別表示離散時(shí)刻k的射頻識(shí)別讀寫器reader和四個(gè)有效標(biāo)簽之間的距離，其單位為米，I1 (k)、I2(k)、I3(k)、I4(k)分別表示由射頻識(shí)別讀寫器reader接收并得到的來自四個(gè)有效標(biāo)簽的離散時(shí)刻k的接收信號(hào)強(qiáng)度值，無量綱，e為自然底數(shù)且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應(yīng)的系數(shù)常量，具體取值同上； 步驟3. 2)利用平面上兩點(diǎn)間的距離公式，建立車輛位置方程組
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向隧道環(huán)境的車輛高可靠組合定位方法，首先利用射頻識(shí)別定位算法進(jìn)行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的位置信息，為了進(jìn)一步提高初步定位的定位精度，針對(duì)前輪轉(zhuǎn)向四輪車輛，結(jié)合隧道環(huán)境建立車輛定位的擴(kuò)展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉(zhuǎn)角和縱向加速度傳感器所輸出的信息作為系統(tǒng)狀態(tài)方程外部輸入量，以初步定位獲取的含有噪聲的車輛位置信息以及利用輪速傳感器測(cè)量與計(jì)算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統(tǒng)觀測(cè)量，建立擴(kuò)展卡爾曼濾波模型的觀測(cè)方程，最終通過擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推算法準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的推算出隧道環(huán)境內(nèi)車輛的精確位置信息，實(shí)現(xiàn)車輛在隧道環(huán)境下的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的定位。
文檔編號(hào)G01S5/02GK102928816SQ201210442040
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者李旭, 黃金鳳, 宋翔 申請(qǐng)人:東南大學(xué)