车辆位置检测装置及其处理方法

1.一种车辆位置测量装置，包括：
一个接收和处理GPS卫星信号的GPS模块，用于接收卫星定位信息；
两组速度传感元件，用于检测车辆左右两侧行走机构的行进速度；
一个计算单元，用于计算车辆的行进速度，利用车体两侧的速度差计算车 辆行进方向方位角，推算车辆位置坐标，比较GPS定位信息与计算的结果，排 除无效数据，提供准确有效的车辆定位信息；
一个通讯接口，用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息 显示设备或车辆导航系统。
2.权利要求1所述的车辆位置测量装置，其特征在于所述的速度传感元件 每组包含两个或两个以上的感应点元件，用于提高测量精度。
3.权利要求1所述的车辆位置测量装置，其特征在于所述的行走机构是车 轮，所述的两组速度传感元件中至少有一组包含两个敏感元件，用于判断车轮 旋转方向。
4.权利要求2所述的车辆位置测量装置，其特征在于所述的行走机构是车 轮，所述的速度传感元件中至少有一组包含两个敏感元件，用于判断车轮旋转 方向。
5.权利要求1至4中任一项所述的车辆位置测量装置，其特征在于所述的 的计算单元合并到GPS模块内部，构成一种模块化的车辆位置检测装置。
6.一种确定移动中车辆当前位置的方法，该方法包括以下步骤：
检测车辆两侧的速度；计算车辆的行进速度；利用车辆两侧的速度差计算 车辆行进方向方位角；计算车辆当前的位置坐标和方位；把计算结果与GPS测 量得到的定位数据进行比较，消除GPS信号阻断或受干扰造成的无效数据和计 算结果的累积误差，获得准确有效的车辆定位信息。

技术领域\n本发明涉及一种确定移动中车辆位置的检测装置和获取车辆定位信息的方 法。\n背景技术\n目前广泛应用于航空、航天、航海及地面运载工具的导航和定位的全球定 位系统(GPS)可为全球范围提供全天候、连续三维的定位和导航能力。但是，当 车辆进入隧道、高架道路下方或者高楼林立的城市中心道路的时候，GPS接收 机天线受到遮挡或信号受到干扰，GPS就不能正常工作。为了解决这一问题， 中国发明专利ZL97110539.1提出了利用方位传感器和速度传感器计算当前位 置，补充GPS信号缺失的方法。目前导航系统使用最多的方位传感器是陀螺仪 之类的惯性导航系统(INS)，通过对惯性测量器件(IMU)测得的载体角速度、加 速度进行运算和变换获得导航信息。惯性导航系统的核心部件是高速转动的陀 螺，不仅抗振性能差，而且制造成本较高。因此，惯性导航系统目前主要用于 运载火箭、飞机、船舶等大型运载工具和一些高档车辆的导航系统，很难在普 通民用车辆中推广。\n地面运行车辆通常依靠轮式行走机构或履带式行走机构相对于地面运动。 根据物理学的原理，在地面运行的车辆可以看作是一个做平面运动的刚体。参 见图1，以车辆两侧车轮轴心点L和R为参考点，在任一瞬间，车辆的运动可 以分解为车体沿参考点R平移与绕参考点R转动的合成运动。车体上参考点L 相对于参考点R转动的线速度约等于车体两侧的速度差ΔV＝VL-VR，参考点L 绕参考点R转动的角速度ω≈ΔV/l，式中l是点L与点R之间的距离，也就 是车辆左右车轮的间距。因此，只要知道车辆在前一瞬间的位置和方向，测得 车体上L和R两点的移动速度VL和VR，就可以根据运动学规律推算出车辆的运 行轨迹。\n发明内容\n本发明提供一种以较低的成本获取车辆定位信息的车辆位置检测装置和一 种在GPS信号受到干扰或缺失时能够确定移动中车辆当前位置的方法。\n本发明提供的车辆位置检测装置包括：\n一个接收和处理GPS卫星信号的GPS模块，用于接收卫星定位信息；\n两组速度传感元件，用于检测车辆左右两侧的车轮或其它行走机构的行进 速度；\n一个计算单元，用于计算车辆的行进速度、方向和位置坐标，比较GPS定 位信息与计算的结果，排除无效数据，提供准确有效的车辆定位信息。\n一个通讯接口，用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息 显示设备或车辆导航系统。\n本发明提供的确定移动中车辆当前位置的方法是通过以下步骤实现的：\n1.利用车辆左右两侧安装的速度传感元件，分别检测车辆两侧的车轮或其 它行走机构的行进速度，根据速度传感器所测速度计算车辆的行进速度 和行进方向方位角的变化；\n2.以车辆在前一瞬间的位置坐标和方位作为参考定位信息，结合步骤1的 计算结果，计算车辆当前的位置坐标和方位；\n3.接收GPS定位信息，比较GPS测量得到的定位数据和步骤2的计算结 果，消除GPS信号阻断或受干扰造成的无效数据，消除步骤2计算结果 的累积误差，从而获得准确有效的车辆定位信息。\n附图说明\n图1是本发明工作原理的示意图。\n图2是本发明车辆位置检测装置的一个实施例电路框图。\n图3是本发明车辆位置检测装置中的传感器设置示意图。\n图4是本发明获得车辆定位信息方法的处理流程图。\n图5是车辆运行轨迹示意图。\n具体实施方式\n以下结合附图对本发明的具体实施方式详细描述。\n本发明提供的车辆位置检测装置的一个实施例包括以下几个部分，见图2：\n接收和处理GPS卫星信号的GPS模块1，用于接收和提供卫星定位信息。 该GPS模块1可以是通用的GPS定位模块，例如，GARMIN公司的GPS15或 GPS25系列。\n左侧速度传感元件2和右侧速度传感元件3，分别安装在车辆的左右两侧， 用于检测车辆左右两侧的车轮或其它行走机构的行进速度。速度传感元件2和 3可以是各类通用的速度检测传感元件，例如，电磁感应线圈，光电传感器或 某种磁性传感元件。最简单的传感元件可以采用舌簧管，更加可靠的传感元件 可以采用霍尔元件或者磁敏电阻之类的无触点传感元件。\n计算单元4，用于计算车辆的行进速度、方向和位置坐标，比较GPS定位 信息与计算的结果，排除无效数据，提供准确有效的车辆定位信息。计算单元 4可以采用普通的单片微处理器，例如，MCS-51系列的89C51或89C52芯片。 GPS模块1连接到计算单元4的串行通讯接口的数据接收输入端RXD。速度传 感元件2和3连接到计算单元4的输入端口，例如，MCS-51系列的P3口或P1 口中的某几个输入端。\n通讯接口5，用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息显示 设备或车辆导航系统。通讯接口5可以使用计算单元4的串行通讯接口的数据 发送输出端TXD。为了方便与车辆导航系统的电脑连接，串行通讯端口可以使 用RS232标准，采用通用的MAX232电平转换芯片实现电平转换。\n本发明车辆位置检测装置中的所采用的速度传感元件2或3，每一组至少包 括1个固定在车体上的敏感元件和1个固定在车轮上的感应点元件。图3是本 发明中的速度传感元件的一种具体设置方案。本设置方案中的感应点元件7是 固定在车轮内侧与敏感元件相对的永久磁铁，沿着左右车轮6的内侧、磁性敏 感元件2或3对应位置的圆周均匀分布，各安置8个感应点元件。采用本设置 方案，车轮转动一周，每个速度传感元件可以得到8个计数脉冲，可以在几乎 不增加成本的条件下提高测量精度。\n在本设置方案中，传感元件2和3各包含两个敏感元件，分别固定在车体 两侧靠近左右车轮6、与感应点元件7相对的位置。通过检测同一组两个传感 元件产生的计数脉冲之间的相位差，可以判断车轮旋转的方向。由于车辆两侧 的车轮通常都是燕祥同方向旋转，一种更简单的方案是仅在一侧的传感元件2 或3中配置两个敏感元件。\n本发明提供的车辆位置检测装置的计算单元4还可以合并到GPS模块1的 内部，与GPS卫星信号处理共用同一个计算单元，构成一种模块化的车辆位置 检测装置。\n本发明提供的确定移动中车辆当前位置的方法包括图4所示的具体步骤， 以下结合图1、图4和图5详细描述本发明提供的车辆定位方法：\n1.利用车辆左右两侧安装的速度传感元件2和3，分别检测车辆两侧车轮 的行进速度VL和VR，计算车辆t时刻的平均速度Vt＝(VL+VR)/2，计算 行进方向方位角的变化角速度ω；\n2.以车辆在t0所处位置P0的地理坐标和方位角θ0作为参考定位信息，利 用平均速度V和角速度ω对时间的积分，计算车辆t时刻的地理位置坐 标P，方位角变化量Δθ＝∫ωdt，计算车辆到达位置P时的行进方向 的方位角θ＝θA+Δθ；\n3.利用GPS模块1接收导航卫星信号，如果GPS卫星信号有效，利用GPS 定位数据，获得t时刻车辆所处位置PG点的地理坐标、行进方向的方位 角θG和车辆行进速度VG；\n4.比较GPS模块获得的车辆行进速度VG和按步骤1实际测量得到的平均 速度Vt，如果误差不超过允许的范围，就使用卫星定位数据PG、θG和 实测平均速度Vt作为车辆在t时刻的基本定位信息，消除步骤2计算结 果的累积误差；\n5.如果VG和Vt比较误差超过允许的范围，就可以判定GPS受到干扰，接 收到的数据为无效数据，或者，如果GPS模块1无法接收到有效的卫星 信号，就使用步骤2计算得到的数据P、θ和实测平均速度Vt作为车辆 在t时刻的基本定位信息，消除GPS信号阻断或受干扰造成的无效数据；\n6.经过步骤4或步骤5获得的基本定位信息，通过通讯接口传送给位置信 息显示设备或车辆导航系统，同时保存作为新的参考定位信息；\n7.重复步骤1至步骤6的过程，就可以消除GPS信号阻断或受干扰造成的 无效数据，消除按照速度和方向推算定位时计算结果的累积误差，连续 获得可靠的有效车辆定位信息。\n由以上的说明可以看出，本发明提供的车辆位置检测装置和方法，采用成 本低廉可靠性高的速度传感元件取代复杂昂贵的惯性测量器件，能够以极低的 成本弥补单纯GPS车辆导航系统的GPS信号易受干扰的缺陷，能够在GPS信 号受到干扰或缺失时准确地测定移动中车辆的位置。在目前新型车辆的制动系 统普遍采用的根据车轮转速控制制动过程的ABS技术中，每个车轮都需配备速 度传感元件测量车轮的转速，因此，如果本发明提供的车辆位置检测装置和ABS 制动系统共用同一套速度传感元件，就可以几乎不增加成本而实现本发明的技 术，从而更加明显地突出本发明的优点。