智能手機車載情況下的高精度方向校正方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能手機車載情況下的高精度方向校正方法。綜合利用智能手機內嵌的加速度傳感器、GPS傳感器、方向傳感器，測量車輛的啟動加速行為，并用手機的內存對測得的數據進行處理，估計車輛行走方向和手機朝向的夾角。多次實驗結果證明該方法的估計精度很高，具有很好的應用前景。
【專利說明】智能手機車載情況下的高精度方向校正方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種智能手機車載情況下的高精度方向校正方法。
【背景技術】：
[0002] 交通安全是社會的焦點問題。近年來我國汽車保有量急劇增多。據統計2013年 底我國機動車保有量突破2. 52. 4億余輛，駕駛機動車的人數達2. 82. 6億。與此同時，也伴 隨著交通事故的大量出現。2013年全國交通事故近20萬起，造成眾多的人員傷亡，給家庭 和社會造成了巨大損失。為改善該種狀況，除了制定更加完善的交通管理辦法和更加嚴格 的駕駛員培訓制度，還需對駕駛員的駕駛狀態、駕駛路線W及路況信息進行實時跟蹤，建立 更加完善的管理體制，也可W為交通事故發生后的責任劃定提供一定的依據。具體闡述如 下：
[0003] 駕駛狀態跟蹤。即對車輛的駕駛狀態進行跟蹤，尤其對于酒駕車輛的監測可有效 減少交通事故的發生。對手機加速度傳感器記錄的值進行處理，并與典型的酒駕各狀態值 比較可W判定是否為酒駕行駛。該個過程需要對車輛的加速度進行分解包括車輛前進方向 的加速度和側方加速度值，而手機坐標系與車輛坐標系的校正精度尤其關鍵。
[0004] 駕駛路線追蹤。現在較為簡單的駕駛路線追蹤用GI^模塊記錄軌跡即可，然而其 精確度有限。雖能夠了解車輛所在的位置信息，但不能對車輛的朝向，停放情況進行準確判 斷，危險停車更容易引發交通事故，造成人員傷亡。本方法通過智能手機加速度傳感器判斷 駕駛狀態（剎車、轉彎、啟動、減速等）能夠更加準確地估計車輛的停放位置、朝向、坡度等 信息。該些都需要對車輛坐標系和手機坐標系進行準確的估計。
[0005] 路況信息采集。傳統的路況估計方法有無線射頻技術、車牌識別技術等固定點采 樣。近幾年新增了利用智能手機進行路況估計的方法，主要通過基站、WIFKGI^進行定位， W此推斷路況信息。然而，此方法有很多不足之處；一是在信號薄弱有遮擋的地方無法進 行準確定位，甚至不能夠進行定位；二是用定位的方法估計路況，忽略了對駕駛狀態的監測 (頻繁的啟動停車現象、加減速行為、變道情況、超車現象），不能夠對道路的擁堵情況做出 準確判斷；H是如果用加速度傳感器輔助GI^測量車輛的駕駛習性，與GI^數據相結合能夠 更加準確的判斷當前路況，實時性更高；四是加速度傳感器能夠通過測量車輛的顛簾程度 對路面的平整度進行測試，幫助人們選擇更合理的出行路線。與駕駛路線追蹤方法相似，需 要對車輛坐標系和手機坐標系進行準確的校正。
[0006] 由于方向傳感器易受車內電磁設備的影響，且有些地理位置設備的部署會對地磁 場產生較大影響，如電視發射培、廣播電臺、手機基站、雷達站、高壓線、變電站等。因此，有 人曾提出過利用加速度傳感器進行方向校正，但沒有對估計數據進行較嚴格的過濾，僅使 用加速度傳感器進行方向校正，會由于非直線剎車的狀態帶來嚴重誤差甚至錯誤，其通過 緊急剎車的方法進行方向校正即使能夠取得較好的估計結果，也影響用戶對車輛的正常使 用。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于針對現有技術方法的不足，提供一種智能手機車載情況下的高 精度方向校正方法。
[0008] 為了實現上述的目的，本發明一種智能手機車載情況下的高精度方向校正方法采 取如下技術方案，包括W下步驟：
[0009] (1)將智能手機固定在車上（手機坐標系表示為X'，y'，z'，車輛坐標系表示為 X，y，Z)，通過多次加速啟動實驗，利用智能手機內嵌的加速度傳感器、GPS傳感器和方向傳 感盎米集車輛的加速度（ay，，ay，，a,，）、速度V、經締度、方向（Wy，，Wy，，w,，）和時間戳f曰息；
[0010] (2)對采集的海量數據通過速度和方向信息進行過濾，選出有效的直線加速啟動 的加速度信息；具體為：
[0011] (2. 1)通過步驟（1)采集到的速度篩選車輛的啟動狀態；車輛在3s內速度V從 零達到1. 5m/s的狀態為啟動狀態；
[0012] (2. 2)從步驟化1)篩選出的啟動狀態中進一步篩選出直線啟動行駛狀態；對車 輛啟動狀態進行分析，對于方向波動值（啟動過程中WyJ勺最大值與最小值之差）在4度W 內的為直線啟動行駛狀態；
[0013] (2. 3)從步驟化3)篩選出的直線啟動行駛狀態中進一步篩選出有效的直線啟動 行駛狀態：加速度> 0. 2m/s2的時刻為車輛啟動真實時刻，速度從零到非零變化的時刻與上 述真實時刻的時間差為GI^延遲時間，選取GI^延遲時間《3. 5s時為有效的直線啟動行駛 狀態；
[0014](3)通過步驟（2)篩選出的直線啟動行駛狀態的方向計算得到X，y，Z與X'，y'，Z' 之間的關系：具體為：
[0015] 將車輛坐標系繞其Z軸順時針旋轉a角度后得到坐標系Xi，yi，Zi,然后繞其X軸 逆時針旋轉目角度后得到X2，y2，Z2,最后繞其Y軸逆時針旋轉Y角度，使得車輛坐標系經 H次旋轉后與手機坐標系重合，目角度等于步驟（2)篩選出的有效的直線啟動行駛狀態的 WyJ勺平均值；Y角度等于步驟（2)篩選出的有效的直線啟動行駛狀態的W,J勺平均值；根 據水平面的加速度值求出手機朝向與車輛前進方向的a角度，由下式求得，
[001引a=arctan(SyiAxi)+90, 3別<0, ayi<0或苗1<0, ayi〉0
[0017] a = arctan (Syi/axi) +270, 3別〉0, ayi<0或3別〉0, ayi〉0
[0018] 其中，3x1表示在坐標系Xi，yi，Zi中Xi方向的加速度，ayi表示在坐標系Xi，yi，Zi中 yi方向的加速度，通過W下公式得到：
【權利要求】
1. 一種智能手機車載情況下的高精度方向校正方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： (1) 將智能手機固定在車輛上，假設手機坐標系表示為X'，/，Z'，車輛坐標系表示為 X，y, Z，通過多次加速啟動實驗，利用智能手機內嵌的加速度傳感器、GPS傳感器和方向傳感 器采集車輛的加速度（&!￡，，&/，&2，）、速度〃、經纟韋度、方向（《 !￡，，~，^，）和時間戳信息； (2) 對采集的數據通過速度和方向信息進行過濾，選出有效的直線加速啟動的加速度 信息；具體為： (2. 1)通過步驟（1)采集到的速度篩選車輛的啟動狀態：車輛在3s內速度V從零達 到I. 5m/s的狀態為啟動狀態； (2. 2)從步驟（2. 1)篩選出的啟動狀態中進一步篩選出直線啟動行駛狀態：對車輛啟 動狀態進行分析，對于方向波動值（啟動過程中wy,的最大值與最小值之差）在4度以內的 為直線啟動行駛狀態； (2.3)從步驟（2.3)篩選出的直線啟動行駛狀態中進一步篩選出有效的直線啟動行駛 狀態：加速度> 〇. 2m/s2的時刻為車輛啟動真實時刻，速度從零到非零變化的時刻與上述真 實時刻的時間差為GPS延遲時間，選取GPS延遲時間< 3. 5s時為有效的直線啟動行駛狀 態； (3) 通過步驟（2)篩選出的直線啟動行駛狀態的方向計算得到x，y，z與x'，y'，z'之間 的關系：具體為： 將車輛坐標系繞其Z軸順時針旋轉a角度后得到坐標系Xl，yi，Z1，然后繞其X軸逆時 針旋轉P角度后得到x2, y2, Z2，最后繞其Y軸逆時針旋轉Y角度，使得車輛坐標系經三次 旋轉后與手機坐標系重合，P角度等于步驟（2)篩選出的有效的直線啟動行駛狀態的wy, 的平均值；Y角度等于步驟（2)篩選出的有效的直線啟動行駛狀態的的平均值；根據水 平面的加速度值求出手機朝向與車輛前進方向的a角度，由下式求得， a = arctan(ayl/axl)+90, axl〈0, ayl〈0 或 axl〈0, ayl>0 a = arctan(ayl/axl)+270, axl>0, ayl〈0 或 axl>0, ayl>0 其中，axl表示在坐標系X1, Y1, Z1中X1方向的加速度，ayl表示在坐標系X1, Y1, Z1中Y1方 向的加速度，通過以下公式得到：
^為有效啟動狀態加速度ax;的平均值；^為有效啟動狀態的平均值；&為有效 啟動狀態az,的平均值；azl表示在坐標系X1, yi，Z1中Z1方向的加速度； 得到坐標校正關系式如下：
【文檔編號】G01C25/00GK104359493SQ201410654112
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】宗曉杰, 文祥計, 張鐵柱, 劉翔, 王智 申請人:浙江工商大學