一种高精度惯性导航系统及方法与流程

1.本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种高精度惯性导航系统及方法。


背景技术：

2.导航技术最初只应用于军队系统，但随着社会进步和制造成本的降低，导航技术逐步向民用领域开放，目前已广泛地融入到日常生活中。大到火箭发射、高铁运行、飞机航行，小到共享单车、智能手机、物流运输，生活中的方方面面都离不开导航技术的应用。
3.目前，常用的导航技术包括全球卫星导航、惯性导航、地磁导航、多普勒导航和天体导航等。全球卫星导航系统(globalnavigationsatallite system，gnss)最为大众熟悉，目前全球有四大卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统(global position system，gps)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，glonass)、欧盟的伽利略卫星导航系统(galileo satellite navigation system，galileo)以及我国的北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system，bds)。全球卫星导航具有技术成熟、范围广、精度高等优点。但不足是当工作环境存在卫星信号遮挡时定位失效。惯性导航系统(inertial navigation system，ins)的基本原理为牛顿运动学，由惯性传感器测量载体相对于环境特征的角速率和加速度等参数，既不依赖外部信息，也不向外界传递信息，工作时不会被信号或无线电干扰，短时间内精度较高，解算速度快。但缺点是误差随时间会迅速累积。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高精度惯性导航系统及方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种高精度惯性导航系统，包括：安装在车辆上的控制单元及与控制单元相连的惯导模块、3d相机和gnss模块；gnss模块和惯性模块分别用于在控制单元作用下实现无遮挡和有遮挡情况下的gnss导航和惯性导航；3d相机用于获取粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，并将所述位置坐标发送给控制单元；控制单元通过基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准消除累积误差。
7.进一步地，所述惯导模块为包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计的捷联式惯导模组；所述惯导模组输出所述车辆的瞬时加速度、角速度；通过解算可得到所述车辆的速度、位置坐标和姿态角。
8.进一步地，所述gnss模块为gps接收机或北斗接收机；gps接收机或北斗接收机输出所述车辆包括经度、纬度和高程的位置坐标。
9.进一步地，所述校准标志为简单几何图形，所述简单几何图形至少包括正三角形、正方形和圆。
10.更进一步地，所述校准标志的数量为多个，分别粘贴在地下停车场相距一定距离
的不同位置墙壁或立柱上。
11.更进一步地，不同位置墙壁或立柱上的校准标志采用不同的几何图形，每种几何图形与其位置坐标关联，通过识别所述简单几何图形的形状，可获得所述校准标志的位置坐标。
12.进一步地，由gnss导航切换为惯性导航时，记录gnss导航获得的最后一个有效位置坐标，并以所述位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航；或记录最后一个有效位置坐标对应的时间t，并预测t+δt时刻的位置坐标，在t+δt时刻以预测的位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航。
13.更进一步地，对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法包括：
14.基于3d相机输出的视频图像进行校准标志检测，通过对所述校准标志的形状进行识别获得所述校准标志的位置坐标w1；
15.获取3d相机输出的当前时刻所述校准标志相对3d相机的位置坐标w2；
16.基于位置坐标w1、w2解算出当前时刻所述车辆的位置坐标w3；
17.基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准。
18.更进一步地，所述基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法，包括：
19.计算位置偏差：
20.δx＝x-x
21.δy＝y-y
22.δz＝z-z
23.式中，(x,y,z)为位置坐标w3，(x,y,z)为与w3相同时刻惯性导航数据的位置坐标；
24.按下式校准t时刻惯性导航数据的位置坐标：
25.x
t
'＝x
t-δx
26.y
t
'＝y
t-δy
27.z
t
'＝z
t-δz
28.式中，(x
t
,y
t
,z
t
)为t时刻惯性导航数据的位置坐标，(x
t
',y
t
',z
t
')为校准后t时刻惯性导航数据的位置坐标。
29.第二方面，本发明提供一种应用所述系统进行导航的方法，包括以下步骤：
30.无遮挡时，基于gnss模块的输出对车辆进行gnss导航；
31.有遮挡时，将导航模式由gnss导航切换为惯性导航；
32.基于3d相机获取的粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，对惯性导航数据的位置坐标进行校准，消除累积误差。
33.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
34.本发明通过设置安装在车辆上的控制单元及与控制单元相连的惯导模块、3d相机和gnss模块，gnss模块和惯性模块分别用于在控制单元作用下实现无遮挡和有遮挡情况下的gnss导航和惯性导航，3d相机用于获取粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，并将所述位置坐标发送给控制单元，控制单元通过基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准消除累积误差。本发明通过同时设置gnss模块和惯导模块，在无遮挡和有遮挡情况下均能对车辆进行有效导航；本发明通过设置3d相机获取校准标志的图像及
位置坐标，并基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准，可以消除累积误差，提高惯性导航精度。
附图说明
35.图1为本发明实施例一种高精度惯性导航系统的组成框图。图中，1-控制单元，2-惯导模块，3-gnss模块，4-3d相机。
36.图2为平台式惯性导航系统原理示意图。
37.图3为捷联式惯性导航系统原理示意图。
38.图4为本发明实施例一种应用所述系统进行导航的方法的流程图。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.图1为本发明实施例一种高精度惯性导航系统的组成框图，包括：安装在车辆上的控制单元1及与控制单元1相连的惯导模块2、3d相机4和gnss模块3；gnss模块3和惯性模块分别用于在控制单元1作用下实现无遮挡和有遮挡情况下的gnss导航和惯性导航；3d相机4用于获取粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，并将所述位置坐标发送给控制单元1；控制单元1通过基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准消除累积误差。
41.本实施例中，所述系统主要由控制单元1、惯导模块2、3d相机4和gnss模块3组成，各部分的连接关系如图1所示。下面对每个部分分别进行介绍。
42.gnss模块3，主要用于实现卫星导航即gnss导航。gnss又称全球卫星导航系统，是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。gnss包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。目前全球有四大卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统gps、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统glonass、欧盟的伽利略卫星导航系统galileo以及我国的北斗卫星导航系统bds。在我国应用最广泛的是gps和bds。gnss利用全球卫星导航系统中载波相位差分技术(rtk)进行定位解算，其测量精度可以达到以厘米级。
43.惯导模块2，主要用于实现惯性导航。惯性导航是建立在惯性原理基础上的，惯性是物体的一种固有属性，因此惯性导航不易受到各类电磁波的干扰，它不需要接收任何外界信息，也不需要向外界辐射信息，只需要依靠惯性导航系统的本身就能够在全球范围内进行导航定位工作，可连续、实时地提供位置、线速度、角速度、加速度、姿态等各类导航定位信息。其不足是，由于其速度和位置解算是基于对加速度进行积分的原理实现的，因此存在累计误差，且时间越长累计误差越大。
44.3d相机4，主要用于获取校准标志的图像及相对相机的位置坐标。3d相机4又称为深度相机，能检测出拍摄空间的景深距离。通过3d相机4获取到图像中每个点距离摄像头的距离，在加上该点在2d图像中的二维坐标，就能得到图像中每个点的三维空间坐标。校准标
志，顾名思义是用来进行校准的标志，具体地说是针对惯性导航的累计误差进行校准。本实施例在地下停车场的墙壁或立柱上粘贴由简单图形构成的校准标志，当车辆达到校准标志附近时，3d相机4拍摄包括校准标志的3d图像，输出校准标志相对3d相机4的位置坐标，并将所述位置坐标发送到控制单元1。控制单元1基于所述位置坐标对惯性导航的位置坐标进行校准。
45.控制单元1，是所述系统的控制与数据处理中心，主要用于协调各模块的工作和完成必要的数据处理任务。本实施例中，控制单元1主要用于在卫星导航信号比较好即无遮挡时，实现对车辆的卫星导航；当存在遮挡时(如进入地下停车场)将导航模式切换为惯性导航；在进行惯性导航时，基于3d相机4输出的校准标志位置坐标对惯性导航的位置坐标数据进行校准，以消除累计误差，提高惯性导航精度。
46.作为一可选实施例，所述惯导模块2为包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计的捷联式惯导模组；所述惯导模组输出所述车辆的瞬时加速度、角速度；通过解算可得到所述车辆的速度、位置坐标和姿态角。
47.本实施例给出了惯导模块2的一种技术方案。惯性导航系统根据有无实体惯性平台可分为两种：一种是利用物理平台来模拟导航坐标系下数据的平台式惯性导航系统，另一个是利用虚拟数学平台来计算出导航坐标系下数据的捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统是在平台上固定三个加速度计，分别指向导航坐标系所指方向(一般为东-北-天方向)，利用陀螺仪使平台始终跟踪导航坐标系，为加速度计提供测量基础，以此来获得加速度数据。其优点是精度高；不足是体积大、成本高、可靠性不理想，其原理示意图如图2所示。捷联式惯性导航系统没有实际的平台，它是直接将陀螺仪和加速度计安装在载体上，通过虚拟的数学平台将测量得到的角速度和加速度进行解算和积分，从而得到载体的位置、速度、加速度等信息。一般捷联式惯性导航系统采用至少三个加速度计和三个陀螺仪来测量载体坐标系下的加速度和角速度，计算机的输入为测量的加速度和角速度，通过计算得到姿态矩阵，再进行导航解算，从而得到载体的速度和位置，其原理示意图如图3所示。捷联式惯性导航系统的体积、重量小，结构较为简单，因此整个系统的可靠性较好，成本较低；不足是系统的计算量较大，导航的精度较低。本实施例的惯导模块2为捷联式惯导模组，主要由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成，所述惯导模组直接输出瞬时加速度和瞬时角速度，通过解算可得到所述车辆的速度、位置坐标和姿态角。车辆的姿态角包括方位角、俯仰角和倾斜角(横滚角)。
48.作为一可选实施例，所述gnss模块3为gps接收机或北斗接收机；gps接收机或北斗接收机输出所述车辆包括经度、纬度和高程的位置坐标。
49.本实施例给出了gnss模块3的一种技术方案。本实施例的gnss模块3为gps接收机或北斗接收机。gps接收机是由美国研制的老牌gnss产品。北斗接收机是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继gps、glonass之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗接收机不仅能够提供位置坐标数据(经度、纬度、高程)，还提供高精度时间基准。定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
50.作为一可选实施例，所述校准标志为简单几何图形，所述简单几何图形至少包括
正三角形、正方形和圆。
51.本实施例对校准标志进行了限定。为了便于识别，本实施例的校准标志为简单常用的几何图形，比如最常用的正三角形、正方形和圆。值得说明的是，本实施例只是给出了一种较佳的实施方式，并不否定和排斥其它可行的实施方式，如其它几何图形，还可以是二维码等图形。
52.作为一可选实施例，所述校准标志的数量为多个，分别粘贴在地下停车场相距一定距离的不同位置墙壁或立柱上。
53.为了能够多次进行惯性导航校准，本实施例将校准标志的数量设置为多个。车辆在一些大型地下停车场中停车时，有时需要行驶很长的距离，如果只在一个地方设置一个校准标志，校准后的产生的新累计误差仍然会很大。为此，本实施例在地下停车场内每隔一定距离设置一个校准标志，可对车辆进行多次惯性导航校准。
54.作为一可选实施例，不同位置墙壁或立柱上的校准标志采用不同的几何图形，每种几何图形与其位置坐标关联，通过识别所述简单几何图形的形状，可获得所述校准标志的位置坐标。
55.本实施例对校准标志进行了进一步限定。上一实施例中校准标志的数量为多个，分别粘贴在地下停车场相距一定距离的不同位置墙壁或立柱上，没有对多个校准标志的形状是否相同进行限定。本实施例将所述多个校准标志设置为不同的几何图形，使每种几何图形都与其自身的位置坐标关联，只要识别出是哪种几何图形，就可以获得对应校准标志的位置坐标。校准标志的位置坐标(在停车场坐标系中的坐标)是事先测好的，保存在数据表格中。
56.作为一可选实施例，由gnss导航切换为惯性导航时，记录gnss导航获得的最后一个有效位置坐标，并以所述位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航；或记录最后一个有效位置坐标对应的时间t，并预测t+δt时刻的位置坐标，在t+δt时刻以预测的位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航。
57.本实施例给出了由gnss导航切换为惯性导航的技术方案。当卫星信号存在遮挡时需要由gnss导航切换为惯性导航，而动惯性导航启动时需要一个起始位置坐标，在起始位置坐标的基础上进行积分计算，从而解算出新的位置坐标。本实施例给出的一种技术方案是，将模式切换前gnss导航获得的最后一个有效位置坐标，作为惯性导航的起始位置坐标。由于启动惯性导航的时刻一般会滞后于最后一个有效位置坐标对应的时间t一段时间，因此直接以最后一个有效位置为起始坐标，会产生一定的误差。为此，本实施例预测t+δt时刻的位置坐标，并在t+δt时刻以预测的位置坐标为起始位置坐标。预测方法很多，比如可基于t时刻前几个采集周期的位置坐标进行预测。
58.作为一可选实施例，对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法包括：
59.基于3d相机4输出的视频图像进行校准标志检测，通过对所述校准标志的形状进行识别获得所述校准标志的位置坐标w1；
60.获取3d相机4输出的当前时刻所述校准标志相对3d相机4的位置坐标w2；
61.基于位置坐标w1、w2解算出当前时刻所述车辆的位置坐标w3；
62.基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准。
63.本实施例给出了对惯性导航数据的位置坐标进行校准的一种技术方案。本实施例
进行校准的思路是，利用当前时刻以非惯性导航方式获得的车辆的位置坐标修正(替换)惯性导航获得的位置坐标w3。所述非惯性导航方式是基于3d相机4的输出获得校准标志的位置坐标w1，以及校准标志相对3d相机4的位置坐标w2，然后基于位置坐标w1、w2解算出当前时刻车辆的位置坐标w3。如前述，校准标志的每种几何图形都与其自身的位置坐标关联，因此通过从图像中识别校准标志的几何图形可得到位置坐标w1。而利用3d相机4可获得位置坐标w2。
64.作为一可选实施例，所述基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法，包括：
65.计算位置偏差：
66.δx＝x-x
67.δy＝y-y
68.δz＝z-z
69.式中，(x,y,z)为位置坐标w3，(x,y,z)为与w3相同时刻惯性导航数据的位置坐标；
70.按下式校准t时刻惯性导航数据的位置坐标：
71.x
t
'＝x
t-δx
72.y
t
'＝y
t-δy
73.z
t
'＝z
t-δz
74.式中，(x
t
,y
t
,z
t
)为t时刻惯性导航数据的位置坐标，(x
t
',y
t
',z
t
')为校准后t时刻惯性导航数据的位置坐标。
75.本实施例给出了基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准的一种技术方案。先基于位置坐标w3及相同时刻惯性导航位置坐标计算位置偏差；然后基于所述位置偏差对w3对应的时间后任一时刻t的惯性导航位置坐标(x
t
,y
t
,z
t
)进行校准，即从(x
t
,y
t
,z
t
)中减去所述位置偏差，得到校准后的位置坐标(x
t
',y
t
',z
t
')。这种校准方法实际上是将(x,y,z)替换为w3，消除此时的累计误差。此后累计误差又会逐渐增大，因此一般需要多次校准。
76.图4为本发明实施例一种应用所述系统进行导航的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：
77.步骤101，无遮挡时，基于gnss模块3的输出对车辆进行gnss导航；
78.步骤102，有遮挡时，将导航模式由gnss导航切换为惯性导航；
79.步骤103，基于3d相机4获取的粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，对惯性导航数据的位置坐标进行校准，消除累积误差。
80.本实施例的方法，与图1所示系统实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
81.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种高精度惯性导航系统，其特征在于，包括：安装在车辆上的控制单元及与控制单元相连的惯导模块、3d相机和gnss模块；gnss模块和惯性模块分别用于在控制单元作用下实现无遮挡和有遮挡情况下的gnss导航和惯性导航；3d相机用于获取粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，并将所述位置坐标发送给控制单元；控制单元通过基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准消除累积误差。2.根据权利要求1所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，所述惯导模块为包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计的捷联式惯导模组；所述惯导模组输出所述车辆的瞬时加速度、角速度；通过解算可得到所述车辆的速度、位置坐标和姿态角。3.根据权利要求1所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，所述gnss模块为gps接收机或北斗接收机；gps接收机或北斗接收机输出所述车辆包括经度、纬度和高程的位置坐标。4.根据权利要求1所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，所述校准标志为简单几何图形，所述简单几何图形至少包括正三角形、正方形和圆。5.根据权利要求4所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，所述校准标志的数量为多个，分别粘贴在地下停车场相距一定距离的不同位置墙壁或立柱上。6.根据权利要求5所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，不同位置墙壁或立柱上的校准标志采用不同的几何图形，每种几何图形与其位置坐标关联，通过识别所述简单几何图形的形状，可获得所述校准标志的位置坐标。7.根据权利要求1所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，由gnss导航切换为惯性导航时，记录gnss导航获得的最后一个有效位置坐标，并以所述位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航；或记录最后一个有效位置坐标对应的时间t，并预测t+δt时刻的位置坐标，在t+δt时刻以预测的位置坐标为起始位置坐标启动惯性导航。8.根据权利要求6所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法包括：基于3d相机输出的视频图像进行校准标志检测，通过对所述校准标志的形状进行识别获得所述校准标志的位置坐标w1；获取3d相机输出的当前时刻所述校准标志相对3d相机的位置坐标w2；基于位置坐标w1、w2解算出当前时刻所述车辆的位置坐标w3；基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准。9.根据权利要求8所述的高精度惯性导航系统，其特征在于，所述基于位置坐标w3对惯性导航数据的位置坐标进行校准的方法，包括：计算位置偏差：δx＝x-xδy＝y-yδz＝z-z式中，(x,y,z)为位置坐标w3，(x,y,z)为与w3相同时刻惯性导航数据的位置坐标；按下式校准t时刻惯性导航数据的位置坐标：x
t
'＝x
t-δxy
t
'＝y
t-δy
z
t
'＝z
t-δz式中，(x
t
,y
t
,z
t
)为t时刻惯性导航数据的位置坐标，(x
t
',y
t
',z
t
')为校准后t时刻惯性导航数据的位置坐标。10.一种应用权利要求1所述系统进行导航的方法，其特征在于，包括以下步骤：无遮挡时，基于gnss模块的输出对车辆进行gnss导航；有遮挡时，将导航模式由gnss导航切换为惯性导航；基于3d相机获取的粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，对惯性导航数据的位置坐标进行校准，消除累积误差。

技术总结
本发明提供一种高精度惯性导航系统及方法。所述系统包括：安装在车辆上的控制单元及与控制单元相连的惯导模块、3D相机和GNSS模块；GNSS模块和惯性模块分别用于在控制单元作用下实现无遮挡和有遮挡情况下的GNSS导航和惯性导航；3D相机用于获取粘贴在墙壁或立柱上的校准标志的图像及位置坐标，并将所述位置坐标发送给控制单元；控制单元通过基于所述位置坐标对惯性导航数据的位置坐标进行校准消除累积误差。本发明通过同时设置GNSS模块和惯导模块，在无遮挡和有遮挡情况下均能对车辆进行有效导航；通过设置校准标志对惯性导航数据的位置坐标进行校准，可以消除累积误差，提高惯性导航精度。性导航精度。性导航精度。


技术研发人员：陈松松 李维哲
受保护的技术使用者：石家庄飞人科技有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/5