一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法
2023-09-21 02:48:00 2
專利名稱：一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法
技術領域：
本發明涉及一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法，其目的在於當全球定位系統GPS在隧道環境中因信號遮擋而無法對車輛進行準確定位時，利用射頻識別定位算法進行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的初步位置信息，利用擴展卡爾曼濾波算法對獲取的初步位置信息進行濾波、遞推，實現車輛位置信息的精確估計，解決車輛的準確、高可靠的定位問題，具有可靠性高、準確性高、實時性好，成本低的優點，屬於車輛導航定位領域。
背景技術：
隨著交通行業的迅速發展，隨之出現的交通問題也日趨明顯，智能運輸系統ITS成為了世界公認的解決交通問題的有效途徑。車輛定位技術是智能運輸系統的關鍵技術之 一，如何準確、可靠對車輛進行定位成為研究的重點。目前，車輛定位領域應用最多的是GPS技術。GPS能為動載體實時全天候地提供三維位置、速度和時間等信息，因而得到了廣泛的應用。但當車輛行駛在隧道、立交橋等區域時，GPS因信號受到遮擋會出現定位不準甚至失效的問題。為克服GPS的不足，各種組合導航的研究引起了廣泛的重視。GPS/INS組合定位系統以及GPS/DR組合定位系統在GPS信號受遮擋區域主要依靠INS (即慣性導航)或DR (即航位推算，由陀螺儀和裡程計構成)來推算定位。但當GPS出現長時間的定位不準或失效時，無論INS還是DR將累積大的誤差。針對INS和DR的不足，麗(即地圖匹配技術)近年來引入到GPS/INS或GPS/DR組合導航系統中，但是，MM的精度取決於數字地圖的質量和地圖匹配算法的精度，在道路密集區域當GPS發生長時間的失效，MM常會導致錯誤的定位結果O總體看來，這些基於GPS的組合定位方法依然無法滿足隧道(尤其是長隧道)等GPS信號受遮擋環境內車輛準確、可靠定位的需要。除GPS外，近年來其它無線定位技術也得到了快速的發展，如射頻識別(RadioFrequencyIDentification, RFID)定位、蜂窩移動定位(Cellular-based)、超寬帶無線(Ultra Wide Band, UWB)、無線區域網路(Wireless Local Area Networks, WLAN)以及藍牙(Bluetooth)等，並主要應用於室內定位。特別是隨著主動式RFID技術的成熟，RFID在室內定位中的運用比較成熟，各種定位算法和定位技術的研究也取得了很大的進展，但尚未應用於戶外隧道環境下的定位導航，同時由於傳感器誤差和測量誤差，所獲取的位置信息往往含有噪聲。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法，本方法在GPS信號受遮擋的隧道環境下利用射頻識別定位算法進行車輛的初步定位，得到含有噪聲的車輛的初步位置信息，同時融合車載方向盤轉角傳感器、縱向加速度傳感器以及輪速傳感器信息，利用擴展卡爾曼濾波對初步定位得到初步位置信息進行濾波、遞推得到車輛位置信息的準確估計，具有可靠性高、準確性高、實時性好，成本低的優點。本發明採取的技術方案如下一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法，其特徵在於利用射頻識別定位算法進行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的初步位置信息，為了進一步提高初步定位的定位精度，針對前輪轉向四輪車輛，結合隧道環境建立車輛定位的擴展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉角和加速度傳感器所輸出的信息作為系統狀態方程外部輸入量，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量與計算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統 觀測量，通過擴展卡爾曼濾波遞推算法實時、準確、可靠的推算出隧道環境內車輛的精確位置信息，具體步驟如下步驟I)在隧道環境下布置有源主動式射頻識別電子標籤tag，在車輛上布置射頻識別讀寫器reader在隧道壁體兩側無遮擋位置，每距離10-20米等間隔地布置有源主動式射頻識別電子標籤tag,以正東為ox指向，以正北為oy指向，原點為O,建立地理坐標系xoy,原點ο選取在地球表面一個固定點上，得到地理坐標系xoy下的所有有源主動式射頻識別電子標籤tag的坐標，將射頻識別讀寫器reader固定在行駛的車輛的車頂，此時射頻識別讀寫器reader在地理坐標系的位置坐標即被認為是車輛在地理坐標系中的位置坐標，並近似認為有源主動式射頻識別電子標籤tag和射頻識別讀寫器reader處於同一平面上；步驟2)選擇用於實時定位的有效標籤根據射頻識別讀寫器reader實時接收到的有源主動式射頻識別電子標籤tag在每個離散時刻k發出的信號，k=l，2，3，···，k為正整數，將最大的四個接收信號強度值所對應的四個有源主動式射頻識別電子標籤tag作為用於實時定位的四個有效標籤，四個有效標籤在地理坐標系xoy中的坐標分別為(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)分別表示離散時刻k這四個有效標籤在地理坐標系中對應的坐標值，這些坐標值為已知；步驟3)利用射頻識別定位算法進行車輛初步定位步驟3. I)擬合出射頻識別讀寫器reader和有源主動式射頻識別電子標籤tag之間距離d和接收信號強度值I的關係d = aeUI+cerI,其中，d表示射頻識別讀寫器reader與有源主動式射頻識別電子標籤tag之間的距離，其單位為米，I表示由射頻識別讀寫器reader接收並得到的來自相應有源主動式射頻識別電子標籤tag的接收信號強度值，無量綱，e為自然底數且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應的係數常量，a=171. 8，U=-L 27，c=83. 05，r=-0. 05354 ；分別求得離散時刻k的射頻識別讀寫器reader和四個有效標籤之間的距離(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)分別表示離散時刻k的射頻識別讀寫器reader和四個有效標籤之間的距離，其單位為米，I1 (k)、I2GO、I3GO、I4GO分別表示由射頻識別讀寫器reader接收並得到的來自四個有效標籤的離散時刻k的接收信號強度值，無量綱，e為自然底數且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應的係數常量，具體取值同上；步驟3. 2)利用平面上兩點間的距離公式，建立車輛位置方程組
權利要求
1.一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法，其特徵在於利用射頻識別定位算法進行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的位置信息，為了進一步提高初步定位的定位精度，針對前輪轉向四輪車輛，結合隧道環境建立車輛定位的擴展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉角和加速度傳感器所輸出的信息作為系統狀態方程外部輸入量，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量與計算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統觀測量，通過擴展卡爾曼濾波算法準確、實時、可靠的推算出隧道環境內車輛的精確位置信息，具體步驟如下 步驟I)在隧道環境下布置有源主動式射頻識別電子標籤tag，在車輛上布置射頻識別讀寫器reader 在隧道壁體兩側無遮擋位置，每距離10-20米等間隔地布置有源主動式射頻識別電子標籤tag,以正東為ox指向，以正北為oy指向，原點為ο,建立地理坐標系xoy,原點ο選取在地球表面一個固定點上，得到地理坐標系xoy下的所有有源主動式射頻識別電子標籤tag的坐標，將射頻識別讀寫器reader固定在行駛的車輛的車頂，此時射頻識別讀寫器reader在地理坐標系的位置坐標即被認為是車輛在地理坐標系中的位置坐標，並近似認為有源主動式射頻識別電子標籤tag和射頻識別讀寫器reader處於同一平面上； 步驟2)選擇用於實時定位的有效標籤 根據射頻識別讀寫器reader實時接收到的有源主動式射頻識別電子標籤tag在每個離散時刻k發出的信號，k=l, 2, 3，···，k為正整數，將最大的四個接收信號強度值所對應的四個有源主動式射頻識別電子標籤tag作為用於實時定位的四個有效標籤，四個有效標籤在地理坐標系 xoy 中的坐標分別為(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)分別表示離散時刻 k 這四個有效標籤在地理坐標系中對應的坐標值，這些坐標值為已知； 步驟3)利用射頻識別定位算法進行車輛初步定位 步驟3. I)擬合出射頻識別讀寫器reader和有源主動式射頻識別電子標籤tag之間距離d和接收信號強度值I的關係d = aeul+cerl, 其中，d表示射頻識別讀寫器reader與有源主動式射頻識別電子標籤tag之間的距離，其單位為米，I表示由射頻識別讀寫器reader接收並得到的來自相應有源主動式射頻識別電子標籤tag的接收信號強度值，無量綱，e為自然底數且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應的係數常量，a=171. 8，U=-L 27，c=83. 05，r=-0. 05354 ； 分別求得離散時刻k的射頻識別讀寫器reader和四個有效標籤之間的距離(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)分別表示離散時刻k的射頻識別讀寫器reader和四個有效標籤之間的距離，其單位為米，I1 (k)、I2(k)、I3(k)、I4(k)分別表示由射頻識別讀寫器reader接收並得到的來自四個有效標籤的離散時刻k的接收信號強度值，無量綱，e為自然底數且e=2. 71828，a、U、C、r分別表示相應的係數常量，具體取值同上； 步驟3. 2)利用平面上兩點間的距離公式，建立車輛位置方程組
全文摘要
本發明公開了一種面向隧道環境的車輛高可靠組合定位方法，首先利用射頻識別定位算法進行車輛的初步定位，獲取含有噪聲的位置信息，為了進一步提高初步定位的定位精度，針對前輪轉向四輪車輛，結合隧道環境建立車輛定位的擴展卡爾曼濾波模型，以方向盤轉角和縱向加速度傳感器所輸出的信息作為系統狀態方程外部輸入量，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量與計算得到的車輛前向速度、車輛橫擺角速度作為系統觀測量，建立擴展卡爾曼濾波模型的觀測方程，最終通過擴展卡爾曼濾波遞推算法準確、實時、可靠的推算出隧道環境內車輛的精確位置信息，實現車輛在隧道環境下的準確、實時、可靠的定位。
文檔編號G01S5/02GK102928816SQ201210442040
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者李旭, 黃金鳳, 宋翔 申請人:東南大學