GPS导航补偿

gerrywang1102

汽车行驶相对高度的识别(CHR)与应用


        摘要：传统GPS在高程上的精度较低，无法实现基于对高程实时测量的3D导航，特别是在城市高架桥密集区域，3D导航的缺失降低了用户对道路判断的准确性与实时性，容易出现误导航。汽车行驶相对高度识别模块(CHR)通过实时采集汽车运动状态信息和行车速度，能够实时准确地计算出汽车行驶的相对高度，误差不超过1.0米，为城市高架桥的分层测量和3D导航提供了一个有效的工具。
        关键词：3D导航，高度识别

一、引言
        随着城市的发展，高架道路的增多，城市道路在空间上的复杂程度也越来越高，3D导航能为驾车者提供更为直观的道路导航信息，被越来越多的用户所接受。而GPS提供的高程信息数据的精度较低（一般在10米左右），无法实现基于对高程实时测量的3D导航，特别是在城市高架桥密集区域，3D导航的缺失降低了用户对道路判断的准确性与实时性，容易出现误导航。汽车行驶相对高度识别模块(CHR)基于对汽车运动状态信息（俯仰、加减速）以及汽车速度信息的采集，通过卡尔曼滤波及高度识别算法单元的计算，能够实时准确地计算出汽车行驶的相对高度并输出，测量误差不超过1米。图1所示为北京肖家河桥、西苑桥、万泉河桥，学院桥的往返桥高曲线。

图1  肖家河桥、西苑桥、万泉河桥、学院桥桥高曲线
图1为通过采集行驶速度和单2-轴加速度计的加速度，计算出的汽车运行高度的三维曲线，图1中，红线部分为汽车运行路径在地面上的投影（高度为零），蓝线为汽车的运行高度曲线。整个采集过程为1900秒。

二、模块结构
汽车行驶相对高度识别模块（CHR）采集行车的速度和行车姿态，通过卡尔曼滤波，数据解耦，高度计算，上下桥判断来计算出当前车辆行驶的相对高度，给出上下桥判断，并通过串口和IO输出相应信息，如图2所示。
其中，行车速度可由GPS提供，另外，在前装车上也可直接由车速检测码盘或CAN总线上引入。行车姿态由加速度计提供，包括倾斜度和加速度等信息。

图2  高度识别模块的结构框图
        其中，速度采集的频率为1Hz，倾斜度和加速度采集的频率为100Hz。相对高度信号和上下桥判断都为每秒钟输出一次。在硬件上，模块仅由单片机及加速度计构成，成本较低，便于应用在3D导航仪中。同时，由此开发的道路相对高程信息采集系统也可为制图公司提供道路信息的采集。

三、试验测试
图3为上海延安西路高架桥在中山西路段的行车高度曲线，红色部分为上桥阶段，绿色部分为下桥阶段，黄色部分为无GPS速度信号。在高度坐标上，每格为3米；水平坐标上，每格为100米。高程曲线和上下桥判断均为实时计算，响应时间不超过1s。
此外，通过多次对北京和上海的多处路段进行测量，得到相对桥高测量值的离散度<1米，测量精度和测量的一致性都有较好的实验结果。此外，基于高度曲线的上下桥判断的准确率可以达到95%以上，为自动获取桥梁坡度和相对高度信息提供了一条有效的途径，也为3D导航提供了一条低成本的有效手段。

图3  上海延安西路在中山西路段的高程曲线

四、导航应用
汽车行驶相对高度识别模块在地图信息的采集和导航终端的开发上均具有应用前景，为3D导航提供了一条可选的低成本方案。
1．地图信息采集：
汽车行驶相对高度的识别模块(CHR)通过USB口发送实时相对桥高信息及上下桥判断信息至PC，在PC端，我们可提供动态链接库文件(DLL)和java文件(jar)来为不同应用平台的用户实现数据接口，实现地图信息的三维拓展。
        2．导航终端：
        在导航终端的应用上，由于加速度计芯片的低成本优势，使整个解决方案都有低成本的相对优势，此外，由于算法的一致性较高，在对同一高架桥进行多次实时测量，桥高测量值的方差不超过1m，从而保证了3D导航的准确和稳定。

五．结论
        通过研究单个加速计在汽车行驶过程中的输出信号，建立了识别汽车行驶相对高度的数学模型，通过波形分析及模型计算，有效地获取了汽车行驶的相对高度信息及上下桥判断信息，为3D地图的制作及导航终端的开发提供了一套低成本的解决方案。

参考文献：
［1］付梦印，邓志红，张继伟. Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用. 科学出版社，2003.
［2］董景新，赵长德，熊沈蜀，郭美凤. 控制工程基础. 北京：清华大学出版社，2006.


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