车载GPSDR组合导航系统的DR算法

车载GPSDR组合导航系统的DR算法
摘要：随着城市交通道路系统的日益复杂，人们对车辆定位精度的要求也越来越高。

传统的车辆导航系统采用GPS（全球卫星导航系统）技术对车辆进行定位，但在现代大都市环境中，由于树木、立交桥、楼群的遮掩，GPS 信号会经常出现失锁和多径效应，导致其定位精度大大降低。

而航位推算技术（DR）有较强的独立性，同GPS 定位技术形成较强的互补。

因此对导航系统的DR算法的研究很有必要。

关键词：航位推算加速度计陀螺仪
0 引言
随着经济发展，汽车普及率越来越高，道路四通八达，城市间的交流日益频繁，人们活动范围不断增大。

在人们游玩休闲、工作出行场所都已经不限于在自己熟悉的地域里，加上各种立交桥、环岛、隧道、高速公路的修建，在行车到丛林山区时，不熟悉路线，找不到方位和目的地的情况屡见不鲜，车载导航系统以可接受的价位成为随车基本配备。

GPS系统是当今世界使用最广泛的卫星导航定位系统，无疑成为导航系统的核心。

但GPS系统存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足，因此GPS/DR组合导航系统[1]无疑是在提高导航信息的精准度方面的一个途径，特别在无GPS信号和GPS信号微弱不足以提高导航数据时，DR运行，当然也可以是
GPS和DR一起运行，因为DR完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必须GPS不断加以校准，GPS和DR两者取长补短，构成一个整体。

本文主要介绍车载GPS/DR 组合导航系统[2]中的DR算法。

1 航位推算技术
航位推算技术[3]（Dead Reckoning简称DR）是一种传统的跟踪导航算法，在获知载体当前时刻坐标位置的前提下，通过惯导元件取得的单位采样周期内载体移动的转向角和距离，进而可以推算出其在下一时刻的坐标位置。

由此可见，获得载体的行驶速度和相对转角后，就可以通过航位推算算法计算出该载体的坐标位置。

对于一般的航位推算系统来说，5%的行驶距离误差是可以满足车辆定位导航系统要求的。

当前，航位推算系统测量载体运动速度的惯导元件主要包括多普勒雷达、里程仪和加速度计；获取载体航向角的惯导元件主要包括角速率陀螺、双差里程仪和磁罗盘。

航位推算系统的惯导元件能够测量出正在行驶的车辆的速度、运行距离和方位，在短时间内这些惯导元件的精度较高，但是如果时间长了则需采取一些措施，来避免累积误差。

航位推算系统相对于GPS导航系统而言，是一种自主定位技术。

它的优点是通过自身集成的惯性传感器计算出汽车的速度和位置信息。

但和其他基于惯导元件的定位算法一样，由于自身的误差积累，其定位精度将随着时间的增长而发散。

2 航位推算器件介绍
航位推算器件主要由测量距离和航向角的两种传感器组成。

测量距离变化的传感器主要有多普勒雷达、里程仪、加速度计等，此外，还包括高度计、坡度计等传感器；测量航向角的传感器主要有磁罗盘、差动里程仪和角速度陀螺。

在这里主要介绍加速度计和角速度陀螺仪。

2.1角速度陀螺仪
角速度陀螺仪将与车速无关的角速率信息，通过对陀螺仪的输出信号进行积分获得车辆的航向角。

角速度陀螺仪的主要误差来源于漂移和常值误差，此外还受振动、潮湿和温度的影响。

在静止的情况下，陀螺的输出存在着零偏（常值偏移），即常值误差。

所以要补偿掉陀螺仪的常值误差。

当不能够准确补偿陀螺仪的零偏的时候，经两次积分得到的航向角的误差会越来越大。

然而，在实际情况下，陀螺仪的零偏受到外界影响而不断变化，并不能准确将该误差补偿掉。

由此可以看出，陀螺仪独自长时间工作会出现较大的误差。

但在短时间内，其误差是较小的。

在对其进行误差补偿后，短期内经积分可以得到较为准确的车辆航向角。

并且角速率陀螺仪是一种完全自主的传感器，它不受外界环境影响。

对于在地球表面附近运动的载体，不论是飞机、舰船还是车辆，知道它们相对地球的地理位置和相对于地理坐标系的首向角及水平姿态角是最重要的，因此必须在运动物体上获得一个地理坐标系或一个惯性坐标系。

陀螺仪最重要的功用之一就是用它在载
体上模拟地理坐标系或惯性坐标系。

在这里用到了陀螺仪MPU3050。

陀螺仪MPU3050三轴的转动方向如图1。

2.2加速度计
加速度计是一种比较常见的车辆测速传感器。

使用加速度计可以避免里程仪工作时受到的车辆本身和外界道路情况等因素的干扰。

另外，加速度计的体积只有一个芯片大小，成本也比较低。

但是加速度计元件本身也具有一些误差项，其中对系统测量影响最大的误差项是加速度计的零偏，这个零偏也是随机变化的。

补偿速度误差的手段包括选用零偏尽可能稳定的加速度计或者使用其他的测量元件对误差进行补偿。

这里用到了加速度计ADXL345。

ADXL345 是一款小而薄的超低功耗3 轴加速度计，分辨率高(13 位)，测量范围达± 16g。

数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3 线或4线)或I2C 数字接口访问。

ADXL345 非常适合移动设备应用。

它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

加速度计ADXL345引脚配置如图2。

3 航位推算技术原理
3.1 角速度陀螺仪MPU3050数据处理
3.2 加速度计ADXL345数据处理
通过上述方法就可以求得T时间内，汽车行驶的路程。

3.3 航位推算原理
航位推算(DR)系统是由测量距离的传感器和测量航向角的传感器构成。

航位推算是一种比较典型的独立的定位方法，航位推算系统的定位原理是以地球表面某一点作为当地坐标系的原点，利用距离传感器(或速度传感器)和航向传感器测得车辆行驶的距离和航向变化量，然后推算出车辆当前的相对位置，航位推算原理如图3所示。

图3.航位推算原理图
4 实验结果
本文用到的硬件有STM32系列开发板[4]、加速度计ADXL345和陀螺仪MPU3050。

硬件连接如图4所示。

通过软件编程[5]实现STM32开发板把加速度计和陀螺仪的输出信息变换到平面坐标系，然后计算载体的速度和位置，并通过串口[6]在Visual Studio 2008的客户区进行显示。

实地跑车试验是从交大东路到交大西门，获取实际结果如下图5所示。

5结论
本文给出了车载GPS/DR 组合导航系统的航位推算算法。

由实验结果可知，当GPS接收信号出现多径效应和失锁时，航位推算技术可以提供连续的车辆位置、速度和航向信息，短时间内定位精度较高，且其有效性不受外界影响。

由此可见，两种定位方式有较强的互补性，这样就可以提高导航信息的精准度。

参考文献
[1] 杨晓云, 何恒,施浒立等. 车辆GPS/DR组合导航系统研究[N]. 测绘通报,2007,(9).
[2] 李鹏程.组合导航及其滤波算法研究[D].西安电子科技大学, 201001.
[3] 周战馨, 余志勇. 一种快速GPS/DR组合导航系统状态估计算法研究[J]. 仪器仪表学报,2006,27(z1):623-625,641.
[4] 马忠梅. ARM Cortex 微控制器教程[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2010
[5] 戴锋.Visual c++ 程序设计基础[M]. 北京：清华大学出版社，2001
[6] 龚建伟，熊光明.Visual C++/Turbo C 串口通信编程实践[M]，北京:电子工业出版社, 2004.10.。