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专利名称：汽车用微机械陀螺零点电压的在线标定方法
技术领域：
本发明属于汽车电子技术领域，特别涉及一种用于汽车导航系统的微机械陀螺零点电压的在线标定方法。
背景技术：
随着近些年机动车保有量的快速增长和城市道路网的日趋复杂，汽车导航系统得以迅速发展，尤其是将GPS和其他运动传感器结合的组合型汽车导航系统应用已经比较普適。这类汽车导航系统一般由GPS、微机械陀螺、车速传感器、嵌入式计算机构成，如图I所示，其中，GPS提供车辆的定位信息，包括位置、方位角及在用星数等，微机械陀螺提供与车辆角速度相关的陀螺输出电压，车速传感器用于测量车速；车速传感器分为多种，由于目前多数汽车的CAN总线信息中都包含车速，因此很多汽车导航系统中直接用CAN总线代替车 速传感器提供车速信息；GPS、微机械陀螺、车速传感器均与嵌入式计算机相连，并将各自测量到的信息输送到嵌入式计算机，嵌入式计算机对各部件输送进来的信息进行处理，例如在GPS无信号吋，嵌入式计算机利用车速和陀螺输出电压，运行航位推算算法得到汽车的行驶位置；在GPS信号良好吋，嵌入式计算机利用GPS位置信息，运行地图匹配算法判断汽车的行驶道路。该汽车导航系统在GPS信号良好的情况下，利用GPS信息完成汽车的定位和导航，在GPS信号丢失的情况下，通过融合微机械陀螺测得的角速度和车速传感器测量的车速完成汽车的定位和导航。微机械陀螺是汽车导航系统中常用的一种传感器，可用于测量汽车运动的角速度，积分后可得汽车运动过程中的角度变化量，通过累计车辆在水平方向(平行于路面)的角度变化量，可以推算车辆的行驶方向，为汽车导航提供支持。汽车用微机械陀螺的精度级别一般为民用级，具有成本低廉的优点，但存在系统參数变化大、需要经常标定的缺点。如果微机械陀螺的关键系统參数之一零点电压存在误差，在航位推算过程中，该误差就会逐步累积，导致汽车行驶方位推算精度大幅度下降。微机械陀螺的零点电压指微机械陀螺在零输入状态下的输出电压，也称零点输出，常用在零输入状态下较长时间输出电压的均值表示。传统的微机械陀螺零点电压标定方法分静态标定和动态标定两种。静态标定方法在微机械陀螺安装前对其进行标定，由于零点电压误差与微机械陀螺的特性及工作条件相关，在车辆运行过程中会实时变化，该类标定方法无法满足汽车导航系统的使用需要。动态标定方法可在车辆运行过程中对陀螺零点电压进行标定。包括建立陀螺温漂补偿模型标定法(《基于GPS/DR的车辆导航中在线计算陀螺仪參数的ー种方法》，《电子器件》2007年第I期)，该方法建立陀螺仪零点漂移与温度变化的关系模型，利用温度传感器测量环境温度，进而估计零点漂移量并进行标定，该方法需要加装温度传感器，制约了其应用。卡尔曼滤波法(《车辆组合导航定位系统中测量元件的參数修正》，《北京航空航天大学学报》2003年08期)，该方法将陀螺零点漂移作为參量进行kalman滤波，方法精度较高，但算法复杂，不适宜用于计算能力较低的汽车导航系统嵌入式计算机。利用电子地图辅助标定的方法(《车载航位推算系统中传感器參数的在线标定》，《測控技木》，2008年12期)，该方法利用GPS结合电子地图、车载里程计进行陀螺零点标定，标定在两种情况下进行，ー是车辆静止时，通过里程计判断车辆的静止状态，当车辆静止一段时间后，采用陀螺输出电压的均值标定陀螺零点电压；ニ是车辆直线行驶时，通过GPS信息结合电子地图判断车辆的直线行驶状态，首先在电子地图上选定长直且观测条件良好的路段作为标定区域，当车辆行驶到该路段上时，采用GPS方位角变化量的均值和方差判断车辆是否沿直线行驶，当判断车辆在选定路段上直线行驶时采用陀螺输出电压的均值标定陀螺零点电压。为保证直线行驶的判断精度，该算法需预先选定GPS观测条件良好的直线路段，当车辆行驶到该些路段时才启动标定过程，应用局限性很大，同时，该算法依赖于电子地图中的道路信息，在不启用真实导航的情况下无法进行标定，电子地图本身存在误差，会减低判断的准确性；此外， 该算法并未提出恰当的零点电压失准判断方法，在零点电压未失准的情况下标定会造成汽车导航系统嵌入式计算机的计算资源浪费。综上，目前主要的动态标定方法分别存在着标定算法较为复杂，或需要加装额外传感器，或对车辆运行条件要求较高等问题，难以适用于具有成本限制高、运行条件复杂、嵌入式计算能力较低等特点汽车导航系统。因此，目前传统的陀螺零点电压标定方法均无法完全满足汽车导航系统对陀螺零点电压标定的精度、速度及实时性的要求。

发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种汽车用微机械陀螺零点电压的在线标定方法，本方法可进行汽车用微机械陀螺零点电压的快速在线标定，且方法简洁，节约计算资源，标定条件宽松，适用于具有成本限制高、运行条件复杂、嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。为达到以上目的，本发明提出一种汽车用微机械陀螺零点电压的在线标定方法，其特征在于，包括以下步骤首先判断是否进行微机械陀螺零点电压的在线标定，当用户关闭在线标定功能吋，则结束，否则转步骤I )，在线标定算法的运行周期T为ー个GPS信息接收周期，T的単位为秒；I)微机械陀螺零点电压失准判断根据实时采集的GPS方位角、在用星数、陀螺输出电压、车速判断当前微机械陀螺零点电压是否失准，若累积t秒，l〈t〈300，GPS方位角和陀螺输出电压得到的GPS方位角变化量和陀螺角度变化量满足如下阈值条件GPS方位角变化量小于Θ i度，0〈 Θ ,10，同时所述t秒内根据微机械陀螺输出电压计算得到的陀螺角度变化量大于Θ 2度，0〈 Θ 2〈10，并且连续重复执行Nm次步骤I)时均满足所述阈值条件，0〈Nm〈10，则当前零点电压已经失准，转步骤2);否则转回步骤I)继续判断当前零点电压是否失准；2)微机械陀螺新零点电压计算根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶，若车辆静止ts秒，l<ts<600,或沿直线行驶td秒，l〈td〈600，将所述车辆静止ts秒或沿直线行驶td秒的陀螺输出电压取平均得到新零点电压，则启用新零点电压，转步骤3)，否则转回步骤2)继续计算微机械陀螺的新零点电压；
3)标定成功后，清空轨迹缓存队列；等待下一个在线标定微机械陀螺新零点电压计算运行周期到来，转步骤I)。本发明的特点及有益效果本方法利用汽车导航系统中常见的车载GPS设备及车速传感器，进行汽车用微机械陀螺零点电压的快速在线标定，根据本发明的在线标定方法，能够在车辆行驶过程中，首先对微机械陀螺零点电压失准进行判断，当零点电压失准时再对微机械陀螺的关键參数零点电压进行自动标定，可节约计算资源，并提高了微机械陀螺角速度的測量精度，为使用其测得的角速度推算汽车的运动轨迹，提高汽车导航的准确性提供了基础。本方法适用于具有成本限制高、运行条件复杂、嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。


图I为本发明所采用的汽车导航系统的结构示意图；图2为本发明的微机械陀螺零点电压标定方法的流程示意图；图3为图2中的微机械陀螺零点电压失准判断的流程框图；图4为图2中的微机械陀螺新零点电压计算中直线行驶新零点电压计算的流程框图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，详细描述本发明。下面通过參考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明所采用的汽车导航系统结构如图I所示，主要由GPS、微机械陀螺、车速传感器、嵌入式计算机构成，该种结构的汽车导航系统较为普遍，其各部件与本发明在线标定方法的关系为GPS提供汽车定位信息，包括GPS位置、在用星数、GPS方位角；微机械陀螺提供与汽车角速度相关的陀螺输出电压；车速传感器(由CAN总线代替)提供车速；嵌入式计算机运行在线标定方法，融合各传感器的信息，完成微机械陀螺零点电压的在线标定。所述汽车导航系统中各部件的精度较低，现有汽车导航系统的部件基本都满足精度要求。本发明采用上述系统的微机械陀螺零点电压标定方法的总体流程，如图2所示，包括以下步骤首先判断是否进行微机械陀螺零点电压的在线标定，当用户关闭在线标定功能吋，则结束(退出流程)，否则转步骤I )，在线标定算法的运行周期T为ー个GPS信息接收周期(单位为秒);I)微机械陀螺零点电压失准判断100 :根据实时采集的GPS方位角、在用星数、陀螺输出电压、车速判断当前微机械陀螺零点电压是否失准(该步骤为新零点电压计算200的启用提供依据，避免了在当前零点电压并未失准的情况下重复计算新零点电压所造成的汽车导航系统嵌入式计算机计算资源浪费，与新零点电压计算算法相比，失准判断算法的计算量很�。�可以节约汽车导航系统嵌入式计算机的计算资源)，若累积t秒(l〈t〈300) GPS方位角和陀螺输出电压得到的GPS方位角变化量和陀螺角度变化量满足如下阈值条件GPS方位角变化量小于Θ i度(0〈 Θ ,10)，同时所述t秒内根据微机械陀螺输出电压计算得到的陀螺角度变化量大于Θ 2度(0〈 Θ 2〈 10)，并且连续重复执行Nm次(0〈Nm〈10)步骤I)时均满足所述阈值条件，则当前零点电压已经失准，转步骤2)，否则转回步骤I)继续判断当前零点电压是否失准；2)微机械陀螺新零点电压计算200 :根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶，若车辆静止ts秒(l〈ts〈600)或沿直线行驶td秒(l〈td〈600)，将所述车辆静止ts秒或沿直线行驶td秒的陀螺输出电压取平均得到新零点电压，则启用新零点电压，转步骤3)，否则转回步骤2)继续计算微机械陀螺的新零点电压；3)标定成功后，清空轨迹缓存队列；等待下一个在线标定微机械陀螺新零点电压计算运行周期到来，转步骤I)。上述步骤I)的微机械陀螺零点电压失准判断100的具体实施例流程，如图3所示，包括以下步骤11)计算邻点GPS转角和邻点陀螺转角101 :根据相邻的GPS方位角计算邻点GPS转角，计算如式Δ炉=炉(0-炉(り—!)，其中，Ap为邻点GPS转角，^(U)和が/,)分别为V1和も时 刻的GPS方位角，这两个方位角相邻且奴/μ)在时间上早于根据时刻到h时刻的陀
螺输出电压计算邻点陀螺转角，如式Δ0 = Σ(Α.—びdド，其中Δ Θ为邻点陀螺转角，Uk为
时刻到h时刻的陀螺输出电压，N为时刻到h时刻的陀螺输出电压个数，l^k^N,k和N为正整数，Ud为陀螺当前零点电压，S为陀螺标度因子(微机械陀螺的系统參数)；12)判断邻点GPS转角可用性102 :根据步骤11)中所述的两个GPS方位角对应的在用星数和车速判断GPS转角是否可用；(判断邻点GPS转角可用性102可以保证參与失准判断的邻点GPS转角精度较高，进而提高失准判断的准确性。)若所述两个GPS方位角对应的在用星数均不小于N。颗(Ne>4，例如Ne=9)、对应时刻的车速均大于V米每秒(V>0，例如V=13)，则判定步骤11)中得到的邻点GPS转角可用，转步骤13)，否则转步骤11)；13)邻点GPS转角和邻点陀螺转角入队103 :将可用的邻点GPS转角和邻点陀螺转角分别插入GPS转角队列和陀螺转角队列，该GPS转角队列和陀螺转角队列用于缓存t秒(l〈t〈300，例如t=20)时长的邻点GPS转角和邻点陀螺转角；队列长度为t/T (采用所述时长的邻点GPS转角可以降低某个邻点GPS转角误差对失准判断准确性造成的不良影响。)若转角队列存满，则转步骤14)，否则转步骤11)；14)失准判断104 :将GPS转角队列中的所有邻点GPS转角求和，得到累积GPS转角，将陀螺转角队列中的所有邻点陀螺转角求和，得到累积陀螺转角，若累积GPS转角小于Θェ度(0〈 Θ ,10，例如θ1=1.7)，累积陀螺转角大于92度(0〈02〈10，例如θ2=2.8)，则判定出现一次偏差，若连续重复执行Nm次(0〈Nm〈10，例如Nm=3)步骤I)时都出现所述偏差，则判定当前微机械陀螺零点电压失准，转步骤2)，同时清空GPS转角队列和陀螺转角队列；至此，微机械陀螺零点电压失准判断100结束；上述步骤2)根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶，为首先进行车辆静止新零点电压计算210，若车辆静止新零点电压计算210未能成功计算新零点电压，则进行直线行驶新零点电压计算220 ;具体实施例步骤如下21)车辆静止新零点电压计算210 :根据车速判断车辆是否静止，当车速小于Vs米每秒(0〈Vs〈l，例如Vs=O. 01)时，则为车辆静止，若车辆静止时长大于ts秒(l〈ts〈600，例如ts=30)吋，将车辆静止时间段内的陀螺输出电压进行平均，得到的输出电压平均值作为新的零点电压标定值，转步骤3);否则转步骤22)；22)直线行驶新零点电压计算220 :根据GPS位置和车速判断车辆是否沿直线行驶，若车辆沿直线行驶td秒(l〈td〈600，例如td=30)，将直线行驶区段对应的陀螺输出电压进行平均，得到的输出电压平均值作为新的零点电压标定值，转步骤3)，否则转步骤21);上述步骤22)的直线行驶新零点电压计算220的具体实施例流程，如图4所示，包括以下步骤 221)判断GPS位置可用性221 :根据GPS位置对应的在用星数和车速判断GPS位置可用性，若所述在用星数不小于Nd颗(NdM，例如Nd=9)，以及所述车速大于Vd米每秒(Vd>0，例如Vd=IO),则判定该GPS位置可用，转步骤222)，否则转步骤21);(判断GPS位置可用性可以保证參与直线行驶判断的GPS位置精度较高、车辆行驶距离较长，提高直线行驶判断准确性。)222)轨迹缓存222 :将可用的GPS位置、该GPS位置对应的时刻、该GPS位置对应的邻点陀螺累加电压和邻点陀螺累加个数插入轨迹缓存队列，轨迹缓存队列长度不小于M，M=td/T (其中，td为步骤22)中所述的车辆直线行驶时间，T为GPS信息接收周期，两者单位均为秒；邻点陀螺累加电压是指当前可用GPS位置对应的时刻与上ー个GPS位置对应的时刻之间的陀螺输出电压之和，而邻点陀螺累加个数是指这两个时刻之间的陀螺输出电压个数);223)连续轨迹提取223 :从轨迹缓存队列中提取M个(步骤222)中所述的轨迹缓存长度下限M)连续的GPS位置(连续的GPS位置是指这些GPS位置对应的时刻是连续未间断的)，若提取成功，则转步骤224)，否则转步骤21)；224)直线判断224 :对提取到的M个连续的GPS位置进行坐标转换，单位由经纬度转换为米，之后采用最小二乗法进行直线拟合并计算所有GPS位置到拟合直线的平均距离，若平均距离小于d米(0〈d〈l，例如d=0. 08)，则认为M个连续的GPS位置对应的车辆行驶轨迹为直线，转步骤225)，否则转步骤21)；225)陀螺电压平均225 :根据直线行驶区段对应的邻点陀螺累加电压和邻点陀螺累加个数，计算所述直线行驶过程中陀螺输出电压的平均值，作为新的零点电压标定值，转步骤3。本发明车载微机械陀螺在线标定方法可以在车辆行驶过程中动态自动的标定微机械陀螺的零点电压，该标定方法简洁，节约计算资源，标定条件宽松，适用于汽车导航系统对微机械陀螺零点电压标定实时性和精度的需求，为使用陀螺角速度推算汽车的运动轨迹，提高汽车导航的准确性提供了基础。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种汽车用微机械陀螺零点电压的在线标定方法，其特征在于，包括以下步骤 首先判断是否进行微机械陀螺零点电压的在线标定，当用户关闭在线标定功能时，则结束，否则转步骤I )，在线标定算法的运行周期T为一个GPS信息接收周期，T的单位为秒； 1)微机械陀螺零点电压失准判断根据实时采集的GPS方位角、在用星数、陀螺输出电压、车速判断当前微机械陀螺零点电压是否失准，若累积t秒，l〈t〈300，GPS方位角和陀螺输出电压得到的GPS方位角变化量和陀螺角度变化量满足如下阈值条件GPS方位角变化量小于e i度，0〈 0 :<10,同时所述t秒内根据微机械陀螺输出电压计算得到的陀螺角度变化量大于e 2度，0〈 0 2〈10，并且连续重复执行Nm次步骤I)时均满足所述阈值条件，0〈Nm〈10 ;则当前零点电压已经失准，转步骤2);否则转回步骤I)继续判断当前零点电压是否失准； 2)微机械陀螺新零点电压计算根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶，若车辆静止ts秒，l<ts<600,或沿直线行驶td秒，l〈td〈600，将所述车辆静止ts秒或沿直线行驶td秒的陀螺输出电压取平均得到新零点电压，则启用新零点电压，转步骤3)，否则转回步骤2)继续计算微机械陀螺的新零点电压； 3)标定成功后，清空轨迹缓存队列；等待下一个在线标定微机械陀螺新零点电压计算运行周期到来，转步骤I)。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤I)的微机械陀螺零点电压失准判断的具体流程，包括以下步骤 11)计算邻点GPS转角和邻点陀螺转角根据相邻的GPS方位角计算邻点GPS转角，计算如式力邻点GPS转角，和咖)分别为、和、时刻的GPS方位角，这两个方位角相邻且在时间上早于冲山根据V1时刻到\时刻的陀螺输出电压计算邻点陀螺转角，如式
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤2)根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶为首先进行车辆静止新零点电压计算，若车辆静止新零点电压计算未能成功计算新零点电压，则进行直线行驶新零点电压计算；具体步骤如下 21)车辆静止新零点电压计算根据车速判断车辆是否静止，当车速小于Vs米每秒时，0〈Vs〈l，则为车辆静止，若车辆静止时长大于ts秒时，l<ts<600,将车辆静止时间段内的陀螺输出电压进行平均，得到的输出电压平均值作为新的零点电压标定值，转步骤3);否则转步骤22)； 22)直线行驶新零点电压计算根据GPS位置和车速判断车辆是否沿直线行驶，若车辆沿直线行驶td秒，l〈td〈600，将直线行驶区段对应的陀螺输出电压进行平均，得到的输出电压平均值作为新的零点电压标定值，转步骤3)，否则转步骤21 )。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤22)的直线行驶新零点电压计算的具体流程，包括以下步骤 221)判断GPS位置可用性根据GPS位置对应的在用星数和车速判断GPS位置可用性，若所述在用星数不小于Nd颗，Nd>4,以及所述车速大于Vd米每秒，Vd>0,则判定该GPS位置可用，转步骤222)，否则转步骤21); 222)轨迹缓存将可用的GPS位置、该GPS位置对应的时刻、该GPS位置对应的邻点陀螺累加电压和邻点陀螺累加个数插入轨迹缓存队列，轨迹缓存队列长度不小于M，M=td/T ；其中，td为所述的车辆直线行驶时间，T为GPS信息接收周期，两者单位均为秒； 223)连续轨迹提取从轨迹缓存队列中提取M个连续的GPS位置，若提取成功，则转步骤224)，否则转步骤21)； 224)直线判断对提取到的M个连续的GPS位置进行坐标转换，单位由经纬度转换为米，之后采用最小二乘法进行直线拟合并计算所有GPS位置到拟合直线的平均距离，若平均距离小于d米，0〈d〈l，则认为M个连续的GPS位置对应的车辆行驶轨迹为直线，转步骤225)，否则转步骤21)； 225)陀螺电压平均根据直线行驶区段对应的邻点陀螺累加电压和邻点陀螺累加个数，计算所述直线行驶过程中陀螺输出电压的平均值，作为新的零点电压标定值，转步骤3)。
全文摘要
本发明涉及一种汽车用微机械陀螺零点电压的在线标定方法，属于汽车电子技术领域，该方法包括根据实时采集的GPS方位角、在用星数、陀螺输出电压、车速判断当前微机械陀螺零点电压是否失准，若当前零点电压已经失准，则根据车速判断车辆是否静止，根据GPS位置、车速和在用星数判断车辆是否沿直线行驶，将所述车辆静止或沿直线行驶的陀螺输出电压取平均得到新零点电压，则启用新零点电压。本方法可进行汽车用微机械陀螺零点电压的快速在线标定，且方法简洁，节约计算资源，标定条件宽松，适用于具有成本限制高、运行条件复杂、嵌入式计算能力较低等特点的汽车导航系统。
文档编号G01C25/00GK102680002SQ20121015202
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者张照生, 彭应亮, 李江涛, 杨扬, 杨殿阁, 王钊, 连小珉 申请人:清华大学