基於反饋機制的車輛導航方法及系統的製作方法

2023-12-01 17:25:56

專利名稱：基於反饋機制的車輛導航方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及智能交通技術領域，特別涉及一種基於反饋機制的車輛導航方法及系 統。
背景技術：
車輛導航系統在車輛追蹤，車輛調度等現實問題中有著廣泛的應用。一個實用的 車輛導航系統需要獲取連續而精確的車輛定位信息。人們通常選用GPS (Global Positioning System，全球定位系統)作為車輛的主要 定位信息來源。在正常條件下，GPS能夠提供連續而準確的定位信息。但是在都市條件下， 由於建築物(高樓，隧道)的遮擋，GPS信號經常會中斷，並且即使GPS信號能夠被接收到， 在多路徑效應下，GPS提供的定位信息也會出現極大的偏差。所以GPS並不適合單獨提供車 輛導航系統的定位信息。INSdnertial Navigation System，慣性導航系統)是另一種常見 的定位信息來源。這種系統位於車輛內部，可以提供連續的航位信息。然而在實際應用中， 由於車載的慣性儀器一般成本較低，精度不高，累計誤差會隨著時間急劇增長，所以慣性導 航系統也不能單獨提供定位信息。解決上述問題一種通常的方式是將GPS與INS的數據進行融合，共同提高定位信 息，從而能夠一定程度上克服二者的固有缺點，從而能夠達到更好的定位效果。Zhao (參考 文獻[2])等人使用擴展Kalman濾波器(EKF)作為主要手段進行數據的融合。為了在此基 礎上進一步提高定位精度，然而Kalman濾波器為主的定位校正手段，在都市環境中的表現 都不理想，一個很重要的原因在於，多路徑效應造成的GPS偏差遠遠大於GPS本身的誤差， 所以GPS的測量誤差遠不是高斯分布，從而不符合Kalman濾波器對於測量誤差的基本假 設。另一方面，現有的地圖匹配系統可以將車輛位置限定在某個路段附近，由於電 子地圖的誤差遠小於傳感器的誤差，從而可以利用電子地圖的信息作為反饋，對上述的 INS累積誤差和GPS多路徑偏差進行修正，可以有效地減小定位的誤差。對於地圖匹配， Quddus.(參考文獻[3]) ,Philippe (參考文獻[1])等人有過很多研究。然而，地圖匹配算 法的一個重要問題在於，車輛的定位誤差容易在複雜的路況下，造成相似路段之間的誤匹 配。一旦誤匹配發生，傳統的算法很難進行錯誤的恢復。多假設(Multihypothesis)算法 是一種新提出的地圖匹配算法，這種算法中，所有當前可能的路段以及路段的祖先信息都 會被保留，當定位誤差導致的誤匹配發生時，正確的路徑仍然存在於假設空間中，當定位誤 差減小時，該正確路逕自然會被正確匹配，此時通過回溯正確路徑可以糾正以往的誤匹配。 實踐表明，這種算法具有較好的魯棒性。使用地圖匹配進行反饋的主要問題在於，當前時刻 用於反饋的匹配結果並不一定是正確的，如果使用了錯誤的匹配路徑進行反饋，有可能進 一步加大定位的誤差。因而必須使用某種策略來衡量能否使用匹配結果進行反饋，以保證 反饋的正確性。上面提到的參考文獻如下
[l]Philippe Bonnifait, Maged Jabbour, and Gerald Dherbomez. Real-time implementation of a gis—based localization system for intelligent vehicles. EURASIP Journal on Embedded System,2007.[2]L. Zhao, W. Y. Ochieng, M. A. Quddus, and R. B. Noland. An extended kalman filter algorithm for integrating gps and low cost dead reckoning system data for vehicle performance and emissions monitoring. Journal of Navigation, 53 257—275,2003.[3] Quddus Μ. A. , Ochieng W. Y. , Zhao. L. , and Noland R. B. General map matching algorithm for transport telematics applications. GPS Solutions,14(3) 157—167,2003.

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高地圖匹配的準確程度，降低測量誤差；同 時提高車輛定位的精度；降低誤反饋的可能性，提高系統的魯棒性。(二)技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種基於反饋機制的車輛導航方法，包括以 下步驟Si、根據全球定位系統GPS數據和慣性數據生成車輛定位信息；S2、根據所述車輛定位信息和電子地圖的數據，採用多假設的地圖匹配算法計算 車輛最可能所處路段作為匹配結果；下面所用到的關於路段的信息，比如匹配的路段信息， 都來自電子地圖的數據。S3、判斷所述匹配結果是否可以用於反饋，若可以，則利用該匹配結果計算GPS數 據中的位置信息在垂直於路段方向上的偏差、車輛位置信息以及車輛方向信息這三者作為 反饋數據，利用該反饋數據修正所述車輛定位信息。其中，所述GPS數據包括位置信息和有效標誌位數據，所述位置信息包括經度、緯 度和方向，所述慣性數據包括角速度、加速度和速度數據，且步驟Si具體包括S11，對於測量得到的所述角速度Wi，如果Coi小於5°，則將ω i置為0，對於所述 位置信息，用二維坐標Xi，Ii分別表示東向和北向的坐標；如果存在步驟S3所提供的反饋 數據，則利用所述反饋數據修正所述GPS數據；S12，假設上一時刻車輛方向為Hp1，當前時刻測得角速度為Coi,當前時刻與前面4 個時刻GPS數據中的方向分別為屯，d^,屯_2，屯_3，屯_4，由步驟S3所提供的反饋數據中，車 輛方向信息為f」則對當前時刻車輛方向Hi的校正方法為若ω i 大於 0，則 Hi = Η"+ ω 士 ；否則，如果對於Cli，C^1,屯_2，屯_3，(1卜4中任意兩個Clj, dk，有dj-dj <5°，則Hi = Average (di; d^,屯_2，屯_3，屯_4)，Average表示取平均；如果對於(Ii, (Ii^1,屯_2，屯_3，屯_4中任 意兩個…，dk，有Idj-Clk I彡5°，且如果存在步驟S3反饋的所述方向信息fi;則Hi = &，如 果不存在所述方向信息A，則Hi = Hh ；S13，根據所述GPS數據是否有效，採用卡爾曼濾波器或者航位推算法計算所述車輛定位信息。其中，所述步驟S13具體為若所述GPS數據無效，則採用航位推算法計算所述車輛定位信息設上一時刻的 車輛位置為χ"，y"，當前時刻的速度為Si,車輛方向為Hi,則當前時刻的車輛位置Xi，Yi 為Xi = Xi^siCos(Hi)，Yi = Yi-^SiSin(Hi)；若GPS數據有效，則採用卡爾曼濾波器計算所述車輛定位信息。其中，所述卡爾曼濾波器為無跡卡爾曼濾波器，在計算所述車輛定位信息時，所述 濾波器設置如下狀態矩陣為義=^·^, ,^ ，^^7·，其中11，\， 分別為北向位置、速度和加速 度，^^，\分別為東向位置、速度和加速度，ε為獲得所述GPS數據時所採用的陀螺儀的 隨機漂移係數，爐為獲得所述GPS數據時所採用的裡程計的比例係數，T表示矩陣的轉置； 狀態轉移矩陣為M =
權利要求
1.一種基於反饋機制的車輛導航方法，其特徵在於，包括以下步驟51、根據全球定位系統GPS數據和慣性數據生成車輛定位信息；52、根據所述車輛定位信息和電子地圖的數據，採用多假設的地圖匹配算法計算車輛 最可能所處路段作為地圖匹配結果；53、判斷所述地圖匹配結果是否可以用於反饋，若可以，則利用該地圖匹配結果計算 GPS數據中的位置信息在垂直於路段方向上的偏差、車輛位置信息以及車輛方向信息這三 者作為反饋數據，利用該反饋數據修正所述車輛定位信息。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述GPS數據包括位置信息和有效標誌位數 據，所述位置信息包括經度、緯度和方向，所述慣性數據包括角速度、加速度和速度數據，且 步驟Sl具體包括S11，對於測量得到的所述角速度Coi，如果Coi小於5°，則將Coi置為0，對於所述位置 信息，用二維坐標Xi，Yi分別表示東向和北向的坐標；如果存在步驟S3所提供的反饋數據， 則利用所述反饋數據修正所述GPS數據；S12，假設上一時刻車輛方向為Hp1，當前時刻測得角速度為Oi，當前時刻與前面4個時 刻GPS數據中的方向分別為屯，d^,屯_2，屯_3，屯_4，由步驟S3所提供的反饋數據中，車輛方 向信息為f」則對當前時刻車輛方向Hi的校正方法為若 Coi 大於 0，則 Hi = Hi^1+ω ,；否則，如果對於屯，『，屯_2，屯_3，cU中任意兩個…，dk，有|drdk| <5°，則Hi = Average (di; d^,屯_2，屯_3，屯_4)，Average表示取平均；如果對於(Ii, (Ii^1,屯_2，屯_3，屯_4中任 意兩個…，dk，有Idj-Clk I彡5°，且如果存在步驟S3反饋的所述方向信息fi;則Hi = &，如 果不存在所述方向信息A，則Hi = Hh ；S13，根據所述GPS數據是否有效，採用卡爾曼濾波器或者航位推算法計算所述車輛定 位信息。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟S13具體為若所述GPS數據無效，則採用航位推算法計算所述車輛定位信息設上一時刻的車輛 位置為Xh，Yi-!,當前時刻的速度為Si,車輛方向為Hi,則當前時刻的車輛位置Xi，Yi為Xi = Xi-JsiCos(Hi), Yi = Yi-^SiSin(Hi)；若所述GPS數據有效，則採用卡爾曼濾波器計算所述車輛定位信息。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述卡爾曼濾波器為無跡卡爾曼濾波器，在 計算所述車輛定位信息時，所述濾波器設置如下狀態矩陣為X = [ ，Vi^nAHApf，其中n，vn,知分別為北向位置、速度和加速度， 別為東向位置、速度和加速度，ε為獲得所述GPS數據時所採用的陀螺儀的隨機 漂移係數，爐為獲得所述GPS數據時所採用的裡程計的比例係數，T表示矩陣的轉置；狀態轉移矩陣為
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟S2中，採用多假設的地圖匹配算法計 算車輛最可能所處路段時，首先使用假設節點表示車輛的狀態和與該狀態匹配的路段，所 述假設節點包含車輛的位置信息、當前匹配的路段信息、車輛在路段上的行駛距離、假設節 點的父假設和假設節點的權值，所述假設節點的權值越大表示假設節點的可能性越高，所 有假設節點構成一棵假設樹，權值最大的假設節點就是當前車輛最可能所處路段，即所述 匹配結果；從一個假設節點開始，回溯該假設節點的父假設，得到車輛從開始運行到當前時 刻的最可能行駛路線。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述多假設的地圖匹配算法在每一次新的 車輛狀態信息產生時被調用，被調用時執行以下幾個步驟首先根據新的車輛狀態信息S更新各個假設節點，對於每個假設節點更新各個假設 節點的方法分以下幾種情況如果車輛的位置遠離路段沿車輛行駛方向的端點一定的距離，則直接更新該假設節 點，包括更新車輛的位置信息，根據車輛的速度增大車輛在路段上的行駛距離，以及計算新 的假設節點權值wQli)，其中Khi) = wOO+P(s，hi)，其中ρ(s，hi)表示車輛狀態信息s和 假設節點h的不相符程度，P(S，10越小，說明車輛越不可能處在Iii所表示的路段上；如果車輛的位置接近路段沿車輛行駛方向的端點一定的距離，則產生新的假設節點， 具體方式是對於每條與上述端點相鄰的路段，假設節點h分別產生新的假設節點~，包括 設定當前車輛的位置信息，設定新的匹配路段信息，初始化車輛在路段上的行駛距離，並將 新的假設節點h的父假設設置為原來的假設節點設置新的假設節點h的權值w(hj，其 中w(hj) = Khi)+ρ (s, hp，權值p(s，hp表示子假設會繼承父假設的可能性；當所有節點更新完畢之後，從所述假設樹中刪除權值從大到小排名靠後的假設；其中， 所刪除的排名靠後的節點個數為預設值。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，步驟S3中判斷所述匹配結果是否可以用於 反饋的方法為首先計算假設樹中刪除權值從大到小排名最前的假設節點的評價值jl，如果jl小於 閾值t，則所述匹配結果不可以用於反饋；否則計算排名第二的假設節點的評價值j2，如果jl > 2*j2，則所述匹配結果能夠用於反饋。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，根據車輛方向與路段方向之差δΗ以及車輛 的位置距路段的距離S D來計算所述評價值j = (1-δ H/60)/2+(1-( δ D/90)2)/2o
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，在步驟S3中，計算車輛位置(X，y)在匹配 路段的垂直投影(X'，1』 )，則(X-X' ,1-1』 )分別是車輛位置在東向和北向的偏差，得 到所述位置信息在垂直於路段方向上的偏差；在車輛的角速度為0時，匹配路段的方向就 是反饋的車輛方向信息；利用權值最大的假設節點中記錄的車輛在匹配路徑上行駛的距離 計算車輛在路徑上的位置，這個位置就是反饋的車輛位置信息。
10.一種基於反饋機制的車輛導航系統，其特徵在於，包括定位模塊，用於根據全球定位系統GPS數據和慣性數據生成車輛定位信息；匹配模塊，用於根據所述車輛定位信息和電子地圖的數據，採用多假設的地圖匹配算 法計算車輛最可能所處路段作為匹配結果；反饋模塊，用於判斷所述匹配結果是否可以用於反饋，若可以，則利用該地圖匹配結果 計算GPS數據中的位置信息在垂直於路段方向上的偏差、車輛位置信息以及車輛方向信息 這三者作為反饋數據，利用該反饋數據修正所述車輛定位信息。
全文摘要
本發明公開了一種基於反饋機制的車輛導航方法，包括以下步驟S1、根據全球定位系統GPS數據和慣性數據生成車輛定位信息；S2、根據所述車輛定位信息和電子地圖的數據，採用多假設的地圖匹配算法計算車輛最可能所處路段作為地圖匹配結果；S3、判斷所述地圖匹配結果是否可以用於反饋，若可以，則利用該地圖匹配結果計算GPS數據中的位置信息在垂直於路段方向上的偏差、車輛位置信息以及車輛方向信息這三者作為反饋數據，利用該反饋數據修正所述車輛定位信息。本發明採用了改進的多假設的地圖匹配算法，提高了地圖匹配的準確程度，降低了測量誤差；進一步提高了車輛定位的精度。有效降低了誤反饋的可能性，提高了系統的魯棒性。
文檔編號G01C21/26GK102147258SQ20101062106
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者劉松, 庫敏, 戴良光, 王道順, 董琳, 賀志宏, 賈星星, 高達 申請人:清華大學