一種車載慣性導航系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種車載慣性導航系統，包括：氣壓高度傳感器、里程計、加速度傳感器、圖像獲取模塊、控制模塊、觸摸顯示模塊、音頻模塊和通信模塊，其中，控制模塊內部具有多個中斷響應模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數據輸入輸出模塊。里程計與控制模塊的中斷響應模塊連接，氣壓高度傳感器與通過I2C總線接口模塊與控制模塊連接。通信模塊通過串口通信接口模塊和控制模塊連接。加速度傳感器、圖像獲取模塊、觸摸顯示模塊和音頻模塊通過數據輸入輸出模塊和控制模塊連接。本發明所述系統能提供三維位置、速度和軌跡數據并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點。
【專利說明】
一種車載慣性導航系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及車載導航領域，尤其涉及一種能提供三維位置、速度和軌跡數據并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統。
【背景技術】
[0002]目前，車載慣性導航定位方式都只能假設車輛行駛在平面上，因此所得到的結果都基于平面直角坐標系下的定位結果。在真實應用環境中，如果車輛發生高度上的變化，例如上坡或下坡，駛入或駛出高架橋等場景時，定位系統內無法判斷車輛的高度信息而無法給車輛行駛路徑以精確引導，導致慣性導航定位質量受到較大影響。另外，疲勞駕駛已經和毒駕、酒駕、超速、超載一起成為交警部門嚴厲打擊的五類嚴重違法行為，現有的車載導航系統不能在駕駛員處于疲勞狀態時給予提醒，也不能在發生撞擊時向車輛以外的相關目標發送報警信息。另外，現有的車載導航系統無法像手機那樣結合地圖以及附著在道路上的二次信息來增強駕駛員的體驗。因此，本領域的技術人員致力于開發一種能提供三維位置和軌跡數據并輔以駕駛員閉眼報警、撞擊報警和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統。
【發明內容】
[0003]有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明提供了一種能提供三維位置、速度和軌跡數據并輔以駕駛員閉眼警示、撞擊警示、越界警示和附近興趣點的自動匹配等特點的車載導航系統。
[0004]在本發明的較佳實施方式中，一種車載慣性導航系統，包括:氣壓高度傳感器
(I)、里程計⑵、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊⑷、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊(6)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內部具有多個中斷響應模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數據輸入輸出模塊。所述里程計(2)包含左輪里程計和右輪里程計，所述左輪里程計和所述右輪里程計與所述控制模塊(5)中的所述中斷響應模塊連接；所述氣壓高度傳感器(I)與所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊連接；所述通信模塊(8)通過所述串口通信接口模塊和所述控制模塊(5)連接。所述加速度傳感器
(3)、所述圖像獲取模塊(4)、所述觸摸顯示模塊(6)和所述音頻模塊(7)通過所述數據輸入輸出模塊和所述控制模塊(5)連接。
[0005]進一步地，所述里程計(2)的功能是獲得車輛行駛過程中的車輪轉動信息，所述左輪里程計安裝于車輛的左后輪，所述右輪里程計安裝于車輛的右后輪，隨著車輛的行駛，所述左輪里程計和所述右輪里程計能分別產生相應的周期性脈沖信號，通過所述控制模塊
(5)中的所述中斷響應模塊，將車輛運動的水平方向信息提供給所述控制模塊(5)。
[0006]進一步地，所述氣壓高度傳感器(I)的功能是測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關系得到車輛的海拔高度，通過所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發送給所述控制模塊(5)。
[0007]進一步地，控制模塊(5)綜合處理所述左輪里程計、所述右輪里程計和氣壓高度傳感器(I)的原始數據，所述綜合處理包括以下步驟:
[0008]響應兩個外部中斷，調用計數器模塊，獲得兩個車輪轉動信息；
[0009]通過所述I2C總線接口模塊讀取氣壓高度傳感器內部相應寄存器的值，獲得氣壓值信息；
[0010]執行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉動信息轉化為水平方向上的速度位置信息，將所述氣壓值信息轉化為垂直方向上的速度位置信息；以及
[0011]將三維位置速度信息通過所述串口通信接口模塊輸出。
[0012]進一步地，在車輛駕駛員發生疲勞駕駛的時候，能主動發現并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關目標發送警示信息。
[0013]進一步地，當所述加速度傳感器(3)檢測到有碰撞事故發生時，可被配置成通過所述通信模塊(8)向車輛外部有關目標發送警示信息。
[0014]進一步地，所述控制模塊(5)能實時記錄和向車輛外部有關目標發送三維位置信息，并在所述觸摸顯示模塊(6)上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數據支持。
[0015]進一步地，可在地圖上配置三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關人員發送警示信息。
[0016]進一步地，可根據地圖及其二次開發位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站和停車場等，并用語音播報所述興趣點的信息以及車輛與所述興趣點之間的距離。
[0017]相比現有技術，本發明提供的車載導航系統有以下有益效果:
[0018]I)引入氣壓高度傳感器使得本發明所述系統具有提供三維位置數據的能力，而且系統機構簡潔，易于實現且元器件成本低廉。
[0019]2)在車輛駕駛員發生疲勞駕駛的時候，本發明所述系統能主動發現并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關目標發送警示信息。
[0020]3)當檢測到有碰撞事故發生時，本發明所述系統可被配置成向車輛外部有關目標發送警示信息。
[0021]4)本發明所述系統能實時記錄和向車輛外部有關目標發送三維位置信息，并在觸摸顯示模塊上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數據支持。
[0022]5)本發明所述系統可被配置一個地圖上的三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關人員發送警示信息。
[0023]6)本發明所述系統可以根據地圖及其二次開發位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站，停車場等，并用語音播報興趣點信息以及車輛與興趣點的距離。
[0024]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的一個較佳實施例的系統結構圖；以及
[0026]圖2是本發明的一個較佳實施例的獲取三維位置信息的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合說明書附圖對具體實施方法進行詳細說明。
[0028]如圖1所示，本發明所述車載慣性導航系統，包括:氣壓高度傳感器(I)、里程計
(2)、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊(4)、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊￠)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內部具有多個中斷響應模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數據輸入輸出模塊。
[0029]所述里程計包括左輪里程計和右輪里程計，分別安裝于車輛的左后輪和右后輪，隨著車輛的行駛，左輪里程計和右輪里程計能分別產生相應的周期性脈沖信號，通過控制模塊的中斷響應模塊，將車輛的運動的水平方向信息提供給控制模塊。其輸出為脈沖信號，每輸出一個脈沖所代表的車輪轉動距離取決于車輪半徑以及在車輪上均勻布置了多少個感測單元。
[0030]所述氣壓高度傳感器可以測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關系得到車輛的海拔高度。通過控制模塊的I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發送給控制模塊。
[0031]所述控制模塊可以通過各個接口模塊獲取左輪里程計，右輪里程計，氣壓高度傳感器所產生的信息；執行改進的慣性導航定位算法；獲得車輛水平方向和垂直方向上的導航定位信息；通過內部的串口通信接口模塊將導航定位信息輸出。
[0032]執行所述改進的慣性導航定位算法的步驟如圖2所示，其處理過程包括:
[0033]I)響應兩個外部中斷，調用計數器模塊，獲得兩個車輪轉動信息；
[0034]2)通過I2C總線接口讀取氣壓高度傳感器內部相應寄存器的值，獲得氣壓值信息；
[0035]3)執行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉動信息轉化為水平方向上的速度位置信息，將氣壓值信息轉化為垂直方向上的速度位置信息。
[0036]4)將三維位置速度信息通過串口輸出。
[0037]所述步驟3)中，由兩個車輪轉動信息轉化為水平方向速度位置信息所涉及的公式如下:
[0038]獲得車輛行駛水平速度大小V的計算公式如下:
[0039]V = AD+ Δ t
[0040]式中，AD為在一個更新歷元里車輛走過的距離，At是一個更新歷元的時間間隔，其中，
[0041]AD= (AL+AR) ^-2
[0042]式中，Λ L為左輪在一個更新歷元里走過的距離，Λ R為右輪在一個更新歷元里走過的距離，
[0043]AL = TicLX d
[0044]AR = TicRX d
[0045]式中，TicL為在一個更新歷元里左輪里程計輸出的脈沖數，TicR為在一個更新歷元里右輪里程計輸出的脈沖數，d為一個脈沖數對應走過的距離。
[0046]獲得車輛偏航角度的計算公式如下:
[0047]Hd (t) = Η?α-1) + ω
[0048]式中，Hd(t)為車輛當前歷元的航向角，Hd(t-1)為車輛上一歷元的航向角。ω是車輛當前歷元的偏航角變化，
[0049]ω = ( Δ R- Δ L) /length
[0050]式中，length是車輛左右后輪的間距。
[0051]所述步驟3)中，由氣壓值信息轉化為垂直方向上的速度位置信息所涉及的公式如下:
[0052]由氣壓值計算海拔高度的公式為:
fI Λ
(? ^)5.255
[0053]AJtitude=^j O* 1- -^―
UoJ
VJ
[0054]式中，P為氣壓計測得的氣壓值，P0為海平面的氣壓值。
[0055]計算垂直方向速度vh的公式為:
[0056]vh = (Altitudet-Altitude^1) -?- Δ t
[0057]式中，Altitudet為當前時刻海拔高度，Altitude^1為上一時刻海拔高度，At是一個更新歷元的時間間隔。
[0058]使用上述器件連接方式和算法，實現了輸出車輛三維位置速度信息的功能。
[0059]駕駛員在駕駛車輛過程中常常因困倦或晃眼等原因閉眼，這個動作會給駕駛員和車上乘員以及車輛本身帶來巨大風險，本發明中的圖像獲取模塊(4)可在車輛啟動上路以后一段時間內給駕駛員臉部拍著一組照片，并進行眼睛開度的檢測處理，具體地說，通過圖像處理算法，先檢測眼睛的位置，對該位置區域的圖像進行二值化處理，然后標識出眼睛開度的大小。在后續行車過程中，按照一定的時間間隔拍攝駕駛員面部照片，并計算眼睛開度大小，若發現某一時刻的眼睛開度大小低于所設定的閾值，便可判斷駕駛員閉眼，同時通過通信模塊(8)發出報警信息。
[0060]所述的電加速度傳感器，可實時監測車輛行駛過程中加速度的變化，在感知車輛發生碰撞以后，自動通過音頻模塊(7)向駕駛員發出警示信息，與此同時通過通信模塊(8)向車輛外部的其他相關人員發出警示信息。
[0061]本發明可將車輛行駛的三維位置坐標記錄下來，并在顯示屏上繪制兩維或三維運動軌跡，并可將整個坐標記錄通過無線數據網絡發送到指定郵箱或服務器。通過這樣的方式，駕駛員和其他相關人員可以了解車輛的行駛軌跡，并在車輛發生盜竊的時候提示車輛位置線索，極大地增大了找到車輛的可能性。
[0062]本發明所述系統可被配置一個地圖上的三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關人員發送警示信息。這個功能在需要管理大量車輛的場合會起到較好有益效果，例如出租車公司，租車公司，公交公司等。
[0063]本發明所述系統可以根據車輛所在位置和道路平面數據進行匹配，并用語音播報出車輛位置附近是否有所設定的場所，若有，則隨后播報距離。所述道路平面數據是包含道路的位置信息，還包括附件的各種場所的位置信息(如加油站，停車場)以及這個場所的附加信息(如商家促銷信息)。本發明所述系統在通過音頻模塊(7)播報附件場所的信息時，也通過觸摸顯示模塊(6)顯示更多的候選信息。
[0064]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種車載慣性導航系統，其特征在于，包括:氣壓高度傳感器(I)、里程計(2)、加速度傳感器(3)、圖像獲取模塊(4)、控制模塊(5)、觸摸顯示模塊(6)、音頻模塊(7)和通信模塊(8)，其中，所述控制模塊(5)內部具有多個中斷響應模塊、I2C總線接口模塊、串口通信接口模塊和數據輸入輸出模塊；所述里程計(2)包含左輪里程計和右輪里程計，所述左輪里程計和所述右輪里程計與所述控制模塊(5)中的所述中斷響應模塊連接；所述氣壓高度傳感器(I)與所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊連接；所述通信模塊(8)通過所述串口通信接口模塊和所述控制模塊(5)連接；所述加速度傳感器(3)、所述圖像獲取模塊(4)、所述觸摸顯示模塊(6)和所述音頻模塊(7)通過所述數據輸入輸出模塊和所述控制模塊(5)連接。
2.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，所述里程計(2)用于獲得車輛行駛過程中的車輪轉動信息，所述左輪里程計安裝于車輛的左后輪，所述右輪里程計安裝于車輛的右后輪，隨著車輛的行駛，所述左輪里程計和所述右輪里程計能分別產生相應的周期性脈沖信號，通過所述控制模塊(5)中的所述中斷響應模塊，將車輛運動的水平方向信息提供給所述控制模塊(5)。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氣壓高度傳感器(I)用于測量車輛所處位置的大氣壓值，通過大氣壓值和海拔高度的換算關系得到車輛的海拔高度，通過所述控制模塊(5)中的所述I2C總線接口模塊將車輛海拔高度信息發送給所述控制模塊(5)。
4.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，所述控制模塊(5)綜合處理所述左輪里程計、所述右輪里程計和所述氣壓高度傳感器(I)的原始數據，所述綜合處理包括以下步驟: 響應兩個外部中斷，調用計數器模塊，獲得兩個車輪轉動信息； 通過所述I2C總線接口模塊讀取所述氣壓高度傳感器內部相應寄存器的值，獲得氣壓值信息； 執行改進的慣性導航定位算法，將兩個車輪的轉動信息轉化為水平方向上的速度位置信息，將所述氣壓值信息轉化為垂直方向上的速度位置信息；以及 將三維位置速度信息通過所述串口通信接口模塊輸出。
5.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，在車輛駕駛員發生疲勞駕駛的時候，所述車載慣性導航系統能主動發現并提醒駕駛員糾正，也可被配置成向車輛外部有關目標發送警示信息。
6.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，當所述加速度傳感器(3)檢測到有碰撞事故發生時，所述車載慣性導航系統可被配置成通過所述通信模塊(8)向車輛外部有關目標發送警示信息。
7.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，所述控制模塊(5)能實時記錄和向車輛外部有關目標發送三維位置信息，并在所述觸摸顯示模塊(6)上顯示車輛的三維運動軌跡，為駕駛員、車主或公安刑偵人員了解和分析車輛運動情況提供數據支持。
8.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，可在地圖上配置三維邊界，當車輛運動到邊界時或超出邊界時，向駕駛員或車輛外部有關人員發送警示信息。
9.根據權利要求1所述的車載慣性導航系統，其特征在于，可根據地圖及其二次開發位置信息自動匹配駕駛員的興趣點，例如加油站和停車場等，并用語音播報所述興趣點的 信息以及車輛與所述興趣點之間的距離。
【文檔編號】G01C21/34GK104296744SQ201410494790
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】王勵揚, 何文濤, 馬成炎, 藺曉龍, 翟昆明, 胡曉峰, 王浩 申請人:中國科學院嘉興微電子與系統工程中心