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5)GPS不限制终端数,在GPS卫星信号不被阻挡的情况下,在地球上任何地点、时间,任何 GPS终端都可以得到正确的位置和时间。
6)功能多,应用广泛,可应用于军事、道路、车辆、船舶导航等多种应用中。 GPS也存在诸多不足,比如,受天气和位置的影响较大。当遭遇不佳天气或者接收器上空 存在遮盖时,会屏蔽GPS信号,定位精度就会受到相当大的影响,甚至无法进行定位服务。此 外,GPS更新频率低,并不能满足实时计算的要求。
7.2.2 旋转
三维空间的旋转的表达方式有很多种,有欧拉角、旋转矩阵、四元数等。 其中,四元数是简单 的超复数。复数是由实数加上虚数单位i组成,一般可表达为a+bi,其中i2=-1,a、b是实数。四元数是 由实数加上三个虚数单位i、j、k组成,一般可表示为w+xi+y数。
7.3 视觉定位
7.3.1 视觉SLAM
通常所说的定位,是在环境地图已知的情况下进行的,此时智能车辆是根据里程计、地图等 信息计算更新自身当前在环境地图中的位置。由于不可能拥有每一个地方的环境地图,当车辆 面临一个全新的环境时,此时如何计算车辆的位置就是一个问题。SLAM即所谓的即时定位与 地图构建算法,其作用是将对象车辆放入未知环境中的未知位置,而能让车辆一边移动一边逐步 描绘出此环境完全的地图。通俗地说,一个健全的SLAM系统需要让车辆在一个未知环境中逐 步绘制此环境的增量式地图,并同时根据地图与传感器信息计算自身的位置信息。建图与定位 是SLAM最重要的两个功能,环境地图的创建需要计算车辆实时的位置,而定位需要当前环境下 的地图,它们之间联系紧密,是不可分割的关系,而视觉SLAM就是利用视觉传感器信息实现的 SLAM,是当下SLAM研究中有应用前景的方向。
7.1.2 GPS定位特性
GPS定位的优点如下: 1)几乎覆盖全球,确保实现全球全天候连续的导航定位服务。 2)室外无遮盖环境下,定位精度高。GPS相对定位精度在50km以内可达10~6m,100~500km可达 10~7m,1000km可达10~9m。 3)高效率,低成本,测站间无须通视。GPS测量只要求测站上空开阔,不要求测站之间互相通视, 因而不再需要建造觇标,这一优点可大大减少测量工作的经费和时间。 4)操作简便,GPS测量的自动化程度越来越高,只需要一台GPS接收机即可准确确定用户所在位 置。
差分GPS根据基准站发送的信息方式分为三类,即位置差分、伪距差分和相位差分。根据 差分所用的信号信息,又可分为码相位和载波相位。
7.2 航迹推算定位
7.2.1 平移
三维空间坐标系中,平移可以用向量表示为
平移空间中的点p=(x,y,z)T,可以表示为 p'=p+t(7-2)
则平移后的p'表示为 p'=〔x', y', z'〕T(7-3)
为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。 通过接收机时钟得到时间差,从而知道4个信号从卫星到接收机的不准确距离(包含同一误差值, 由接收机时钟误差导致),用这4个不准确距离和4颗卫星的准确位置构建4个方程,解方程组就 得到接收机位置,从而实现定位。一般来说,GPS系统提供的定位精度是优于10m的。
其中根据上面的导数关系,可以对第i时刻的位置、速度和四元数进行积分,得到第j时刻的 位置、速度和四元数,即
其中,
表示四元数对加速度进行旋转,旋转的计算公式可以参照式(7-7)~式(7-10)。
基于IMU传感器的航迹推算定位的优点在于,IMU可以输出六自由度的信息,并且在短时间内输 出精度高。但由上述公式可以看出航迹推算定位方法是根据对时间的积分计算出位置和方向的,于 是在长时间积分后会导致累计误差越来越大。通常智能车辆会采用多传感器融合的方式来消除误 差,提升定位精度,常见的是将IMU与GPS进行融合。
第七章 智能车辆定位导航
第七章 智能车辆定位导航
7.1——GPS定位 7.2——航迹推算定位 7.3——视觉定位 7.4——激光定位 7.5——GPS/DR/激光融合定位
——思考题
7.1 GPS定位
7.1.1 GPS定位原理
全球定位系统(global positioning system,GPS)是美国的卫星导航系统,是目前应用最为广泛的 卫星导航定位技术,可以向用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。该系 统由24颗卫星、地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站以及GPS接收机组成。其中,21 颗卫星为工作卫星,3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道面上有4颗卫 星;最少只需其中4颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度。所能接收连接到 的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。GPS具有全天候、高精度和自动测量等特点。
对于i、j、k本身的几何意义可以理解为一种旋转,其中i旋转代表x轴与y轴相交平面中x轴正向 向y轴正向的旋转,k旋转代表z轴与x轴相交平面中z轴正向向x轴正向的旋转,j旋转代表y轴与z轴相 交平面中y轴正向向z轴正向的旋转。
7.2.3 解算过程
假设,下标w表示世界坐标系world,下标b表示IMU所在的智能车辆车体的坐标系body,下标wb 表示车体坐标系body到世界坐标系world的坐标转换,g表示重力加速度。通过IMU可以得到的测量 值有加速度a、角速度ω、四元数q。那么可以计算出位置p、速度v和四元数q对时间t的导数为
7.1.3 差分GPS
GPS误差源主要组成部分为时钟误差、星历误差以及接收器自身的噪声等。大抵可分为 两类,一类是随时间、空间快速变化而相关性极弱的随机误差,如接收器自身的噪声;另一类是随 时间和空间变化缓慢但相关性很强的随机偏移误差,如电离层、对流层的附加延时等。
差分GPS(differential GPS,DGPS),首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台,求得伪距 修正量或位置修正量,再将这个修正量实时或事后发送给用户(GPS导航仪),对用户的测量数据 进行修正,以提高GPS定位精度。
GPS卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供GPS接收机接收。测量出已知 位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
为达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用 户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大 气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距)。
