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1、(10)申请公布号 CN 103033836 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103033836 A *CN103033836A* (21)申请号 201210552399.5 (22)申请日 2012.12.19 G01S 19/48(2010.01) (71)申请人 江苏科技大学 地址 212003 江苏省镇江市梦溪路 2 号 (72)发明人 刘镇 卫林枭 钱萍 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 一种车载导航指向装置及方法 (57) 摘要 本发明涉及一种车载导航指向装置， 由 GNSS 模块、 加速度传。
2、感器模块、 图像采集模块、 处理模 块、 存储模块和输出模块组成， GNSS 模块用于接 收 GNSS 系统的卫星信号 ； 加速度传感器模块采 集 MEMS 三维加速度传感器的值 ； 图像采集模块通 过摄像头采集的当前场景图像帧 ； 处理模块接收 GNSS 模块输出的导航指向信息、 加速度传感器模 块输出的 MEMS 三维加速度传感器的值和图像采 集模块输出的当前场景图像帧， 并将导航指向信 息输入到输出模块。本发明还涉及一种上述车载 导航指向装置的导航指向方法。本发明利用车辆 前进方向场景图像帧， 与历史导航指向信息融合 计算， 能在遮蔽严重的复杂路况情况下提供持续 的定位导航能力。 (51。
3、)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种车载导航指向装置， 由 GNSS 模块、 加速度传感器模块、 图像采集模块、 处理模 块、 存储模块和输出模块组成， 其特征是 ： GNSS 模块用于接收 GNSS 系统的卫星信号， 处理后输出 ： 位置坐标、 时间、 速度和航向导 航指向信息到处理模块 ； 加速度传感器模块用于采集 MEMS 三维加速度传感器的值， 并将所采集的 MEMS 三维加 速度传感器的值输出到处理模块 ； 图像采集模。
4、块用于通过摄像头采集的当前场景图像帧输出到处理模块 ； 处理模块用于接收 GNSS 模块输出的导航指向信息、 加速度传感器模块输出的 MEMS 三 维加速度传感器的值和图像采集模块输出的当前场景图像帧， 将 GNSS 模块输出的导航指 向信息输入到存储模块， 并将导航指向信息输入到输出模块 ； 存储模块用于储存通过处理模块接收的 GNSS 模块输出的导航指向信息， 包括位置、 速 度、 时间和航向 ； 输出模块用于接收处理模块输出的导航指向信息， 并在可视化界面显示。 2. 一种如权利要求 1 所述的车载导航指向装置的导航指向方法， 其特征在于， 包括如 下步骤 ： （1） 处理模块判断 GN。
5、SS 模块输出导航指向信息是否有效， 若导航指向信息有效， 则执 行步骤 （2） ， 反之， 则执行步骤 （4） ； （2） 处理模块根据 GNSS 模块输出的导航指向信息获取车辆的位置坐标， 如果连续的 位置坐标之间的距离小于预设的定位误差容限， 则判定车辆在静止状态， 执行步骤 （4） ， 如 果连续的位置坐标之间的距离大于预设的定位误差容限， 则判定车辆在运动中， 执行步骤 （3） ； （3） 处理模块输出 GNSS 模块的导航指向信息到输出模块， 执行步骤 （6） ； (4) 处理模块根据图像采集模块采集的当前场景图像帧， 对连续的当前场景图像帧进 行多区域的块匹配， 得到不同区域的局。
6、部平移运动矢量 ； 利用刚性运动模型， 获得连续的场 景图像间的旋转角度 ； 再与存储在存储模块中的历史导航指向信息中最后有效的航向相累 加得出当前航向 ； (5) 处理模块根据存储模块中历史导航指向信息、 推算出的当前航向及前进方向加速 度的值， 融合处理得出车辆导航指向信息， 并输出到输出模块 ； (6) 输出模块接收导航指向信息， 在可视化界面上显示。 3. 根据权利要求 2 所述的一种导航指向方法， 其特征在于所述预设的定位误差容限为 5m。 4.根据权利要求2所述的一种导航指向方法， 其特征在于， 所述步骤(5)中的融合处理 包括如下步骤 ： (51)处理模块从存储模块中提取历史导航。
7、指向信息中最后有效的车辆位置P0(x0， y0)， 速度v0， 航向0， 从加速度传感器模块输出的MEMS三维加速度传感器的值中提取车辆前进 方向加速度 ； (52) 车辆在 t 时刻的更新速度为 ： 权 利 要 求 书 CN 103033836 A 2 2/2 页 3 式中 vt-1是 t 一 1 时刻的速度， vt是 t 时刻的更新速度 ； at-1是， t-1 时刻的车辆的前进 方向加速度， t-1和 t分别是车辆在 t-1 时刻和 t 时刻车辆的航向， t 是加速度传感器 模块测量加速度的时间间隔 ； (53) 确定车辆在 t 时刻的位置 Pt： Pt (xt， yt) (|OPt|c。
8、ost， OPt|sint) 上式中， |OPt| 为更新位置 Pt到初始位置 PO的距离 ： 其中 Pt-1是 t-1 时刻的位置。 5. 根据权利要求 4 所述的一种导航指向方法， 其特征在于， 所述加速度传感器模块测 量加速度的时间间隔为 50ms。 权 利 要 求 书 CN 103033836 A 3 1/5 页 4 一种车载导航指向装置及方法 技术领域 0001 本发明属于导航指向技术领域， 涉及一种组合导航指向系统及方法， 尤其是一种 采用 GNSS 数据与 MEMS 三维加速度传感器、 摄像头采集的图像场景数据进行数据融合处理 得到导航指向信息的车载导航指向装置及方法。 背景技术。
9、 0002 GNSS（全球导航卫星系统） 是利用分布于地球附近轨道的卫星星座、 地面监测站 和用户接收机实现全球导航的系统。目前在用和正在建设的卫星导航系统包括美国的 GPS （全球定位系统） 、 俄罗斯的 GLONASS（格洛纳斯） 、 中国的 COMPASS（北斗二代）和欧洲的 Galileo( 伽利略 ) 系统。 0003 随着全球卫星定位系统 GNSS 技术的发展， 各种导航终端产品走进千家万户的生 活， 为人们的生活工作提供了极大的便利。 GNSS系统通过接收卫星定位信号， 来确定当前设 备位置， 当 GNSS 不断更新当前地点信息， 每一点的坐标和上一点的坐标进行比较， 就可以 得。
10、到前进的方向。如果卫星定位信号弱或者没有时， 如进入隧道或进入小巷等卫星定位信 号接收较差的地区， 设备将无法定位。而且 GNSS 没有指北针的功能， 当装置原地或 GNSS 导 航误差范围内行进、 转向 （GNSS 判断静止状态） 时是不能提供方向、 导航信息的。 0004 现有技术大多利用陀螺仪、 加速度传感器来解决辅助定位导航， 其中陀螺仪用来 测量载体运动过程中的旋转角， 从而测量载体的航向， 但一般使用的电子陀螺仪有易受电 磁干扰的缺点， 而机械陀螺仪则体积大、 价格贵， 不易于实用。 发明内容 0005 本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题和不足， 提供一种能在 GNSS 信。
11、 号无效或车辆在 GNSS 导航误差范围内行进、 转向时能有效导航指向的装置及导航指向方 法， 其系统结构成熟、 稳定， 在隧道等无卫星信号或车辆在 GNSS 导航误差范围内行进、 转向 时， 能提供持续的定位航向信息。 0006 为达到上述目的， 解决上述技术问题， 本发明所采取的技术方案是 ： 一种车载导航 指向装置， 由 GNSS 模块、 加速度传感器模块、 图像采集模块、 处理模块、 存储模块和输出模 块组成 ； 其中 ： 0007 GNSS 模块用于接收 GNSS 系统的卫星信号， 处理后输出 ： 位置坐标、 时间、 速度和航 向导航指向信息到处理模块 ； 0008 加速度传感器模块。
12、用于采集 MEMS 三维加速度传感器的值， 并将所采集的 MEMS 三 维加速度传感器的值输出到处理模块 ； 0009 图像采集模块用于通过摄像头采集的当前场景图像帧输出到处理模块 ； 0010 处理模块用于接收 GNSS 模块输出的导航指向信息、 加速度传感器模块输出的 MEMS 三维加速度传感器的值和图像采集模块输出的当前场景图像帧， 将 GNSS 模块输出的 导航指向信息输入到存储模块， 并将导航指向信息输入到输出模块 ； 说 明 书 CN 103033836 A 4 2/5 页 5 0011 存储模块用于储存通过处理模块接收的 GNSS 模块输出的导航指向信息， 包括位 置、 速度、 。
13、时间和航向 ； 0012 输出模块用于接收处理模块输出的导航指向信息， 并在可视化界面显示。 0013 为解决所述技术问题， 本发明提供的另一个技术方案是 ： 一种上述车载导航指向 装置的导航指向方法， 该导航指向方法的具体步骤为 ： 0014 （1） 处理模块判断 GNSS 模块输出导航指向信息是否有效， 若导航指向信息有效， 则执行步骤 （2） ， 反之， 则执行步骤 （4） ； 0015 （2） 处理模块根据 GNSS 模块输出的导航指向信息获取车辆的位置坐标， 如果连续 的位置坐标之间的距离小于预设的定位误差容限， 则判定车辆在静止状态， 执行步骤 （4） ， 如果连续的位置坐标之间的。
14、距离大于预设的定位误差容限， 则判定车辆在运动中， 执行步 骤 （3） ； 0016 （3） 处理模块输出 GNSS 模块的导航指向信息到输出模块， 执行步骤 （6） ； 0017 （4） 处理模块根据图像采集模块采集的当前场景图像帧， 对连续的当前场景图像 帧进行多区域的块匹配， 得到不同区域的局部平移运动矢量 ； 利用刚性运动模型， 获得连续 的场景图像间的旋转角度 ； 再与存储在存储模块中的历史导航指向信息中最后有效的航向 相累加得出当前航向 ； 0018 （5） 处理模块根据存储模块中历史导航指向信息、 推算出的当前航向及前进方向 加速度的值， 融合处理得出车辆导航指向信息， 并输出到。
15、输出模块 ； 0019 （6） 输出模块接收导航指向信息， 在可视化界面上显示。 0020 上述步骤 （2） 中预设的定位误差容限为 5m。 0021 进一步， 上述步骤 （5） 中的融合处理包括如下步骤 ： 0022 （51）处理模块从存储模块中提取历史导航指向信息中最后有效的车辆位置 P0(x0,y0)， 速度 v0， 航向 0， 从加速度传感器模块输出的 MEMS 三维加速度传感器的值中提 取车辆前进方向加速度 ； 0023 （52） 车辆在 t 时刻的更新速度为 ： 0024 0025 式中 vt-1是 t-1 时刻的速度， vt是 t 时刻的更新速度 ； at-1是 t-1 时刻的车。
16、辆的前 进方向加速度， t-1和 t分别是车辆在 t-1 时刻和 t 时刻车辆的航向， t 是加速度传感 器模块测量加速度的时间间隔 ； 0026 (53) 确定车辆在 t 时刻的位置 Pt： 0027 Pt (xt， yt) (|OPt|COSt， OPt|sint) 0028 上式中， |OPt| 为更新位置 Pt到初始位置 P0的距离 ： 0029 0030 其中 Pt-1是 t-1 时刻的位置。 0031 所述加速度传感器模块测量加速度的时间间隔为 50ms。 0032 综上所述， 本发明与现有技术相比具有如下特点和有益效果 ： 0033 (1) 利用图像采集模块采集车辆前进方向场景图。
17、像， 对连续的场景图像帧进行多 区域的块匹配， 计算出车辆在丢失 GNSS 信号或导航误差范围内转向、 行进时的航向转角， 能在复杂路况情况下提供持续的定位导航能力 ； 说 明 书 CN 103033836 A 5 3/5 页 6 0034 (2) 由于利用目前成熟的图像采集系统， 结构成熟、 稳定， 有效克服现有技术中用 陀螺仪来测量载体运动过程中的旋转角而产生的体积大、 价格贵， 不易于实用的问题 ； 0035 (3) 将图像采集模块、 加速度传感器模块与 GNSS 模块相结合， 克服了 GNSS 单独使 用定位、 航向不连续的问题， 同时满足了车辆实时定位的需要 ； 0036 (4) 提。
18、高复杂环境如城市高楼峡谷、 树叶茂密等信号遮挡严重区域的定位精度问 题和持续准确导航问题 ； 0037 (5) 系统结构简单， 成本低。 附图说明 0038 图 1 是本发明的一种车载导航指向装置构成的模块图 ； 0039 图 2 是本发明车载导航指向装置采集场景图像多区域块匹配示意图 ； 0040 图 3 是为车辆行驶路径的俯瞰图 ； 0041 图 4 是本发明的一种车载导航指向装置的导航指向方法流程示意图。 。 具体实施方式 0042 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。 0043 如图 1 所示， 为本发明的一种车载导航指向装置构成的模块图， 由 GNSS 模块 1、 加 速度传。
19、感器模块 2、 图像采集模块 3、 处理模块 4、 存储模块 5 和输出模块 6 组成 ； 其中 ： 0044 GNSS 模块 1 接收 GNSS 系统的卫星信号， 处理后输出导航指向信息包括 ： 位置坐 标、 时间、 速度和航向到处理模块 ； 0045 加速度传感器模块采集 MEMS 三维加速度传感器的值， 并将所采集的三个坐标轴 方向上的加速度的值输出到处理模块， 在本例中， 加速度传感器使用了标准的传感器坐标 系， 该装置竖直安装在车辆上， z 轴方向为车辆的前进方向， y 轴方向竖直。当车辆前进时， z 轴加速度的值为车辆的前进加速度的值 ； 0046 图像采集模块通过摄像头每隔 10。
20、0ms 采集一帧当前场景图像， 然后将所采集的图 像输出到处理模块， 在本例中摄像头安装在装置的背面能够拍摄到车辆前进方向的场景 ； 0047 存储模块通过处理模块储存 GNSS 模块输出的导航指向信息， 包括位置、 速度、 时 间和航向信息 ； 0048 输出模块根据通讯协议接收处理模块输出的导航指向信息， 在可视化界面显示当 前前进方向、 位置及速度 ； 0049 处理模块接收 GNSS 模块输出的导航指向信息、 加速度传感器模块输出的 MEMS 三 维加速度传感器所采集的三个坐标轴方向上的加速度值和图像采集模块输出的场景图像， 同时将 GNSS 模块输出的导航指向数据存储到存储模块， 计。
21、算连续 3 个位置坐标之间的距 离， 并设定定位误差容限为5m。 处理模块根据GNSS模块输出的导航指向信息和连续位置坐 标之间距离信息， 决策选择 GNSS 模块的输出的导航指向数据或者将多数据融合处理的信 息作为导航指向信息， 具体如下 ： 0050 (1)当GNSS模块输出的导航指向信息无效或连续3个位置坐标之间的距离小于预 设的定位误差容限情况下 ： 处理模块根据图像采集模块采集的连续场景图像帧， 对连续的 场景图像帧进行多区域的块匹配， 图 2 所示为本发明车载导航指向装置采集场景图像多区 说 明 书 CN 103033836 A 6 4/5 页 7 域块匹配示意图， 在当前场景图像。
22、上设定 9 个匹配区域， 分别在上一帧场景图像同样位置 搜索匹配区域， 以确定 9 个待匹配的局部平移运动矢量， 即 Xi， Yi(i=1,2， 9) ； 两帧 图像之间的运动满足刚性运动模型， 即 : 0051 0052 其中 Xc、 Xp分别为当前场景图像帧和上一场景图像帧的横坐标， Yc、 Yp分别为当前 场景图像帧和上一场景图像帧的纵坐标， X、 Y 为两帧间的平移量， 为两帧间旋转角 度， S 为图像的缩放因子 ； 0053 选择在同一水平线上的两个匹配区域 1 区和 3 区， 对于两个区域的中心点有 0054 0055 和 0056 0057 由于两帧之间时间间隔很小， 可以忽略缩。
23、放的影响， 即认为 S 1 ； 同时由于两帧 之间的旋转角度较小， 则 cos 1， sin 0。将和相减， 得到 0058 0059 由于 Y1 Y3， 故两帧之间的旋转角度为 0060 0061 同样， 选择处于同一垂直线上的两个区域2区和8区， 也可得到两帧间的旋转角度 为 0062 0063 选择不同区域， 得到 12 组旋转角度， 即 i(i 1， 2， 12) ； 最终的旋转角度为 0064 0065 从历史导航指向信息中提取最后有效的航向 0， 则车辆当前的航向为 0+。 0066 图 3 所示为车辆行驶路径的俯瞰图， 处理模块从历史导航指向信息中提取最后有 效的导航指向位置即 。
24、GNSS 信号最后一次正常工作时车辆位于位置 P0(x0， y0)， 速度 y0， 航向 0； 处理模块接收加速度传感器输出的车辆在三个坐标轴方向上的加速度， 获取车辆在前 进方向的加速度， 在t-1时刻车辆位于位置Pt-1， 此时运行方向为t-1， 而在t时刻车辆处于 位置 Pt， 运行方向为 t。 0067 车辆在 t 时刻的更新速度为 ： 0068 0069 其中 vt-1是 t-1 时刻的速度， vt是 t 时刻的更新速度 ； at-1是 t-1 时刻的车辆的前 进加速度， t-1和 t分别是车辆在 t-1 时刻和 t 时刻车辆的航向， t 是加速度传感器模 块测量加速度的时间间隔， 。
25、本例设为 50ms ； 0070 确定车辆的位置 ： 0071 0072 其中 Pt-1是 t-1 时刻的位置， |OPt| 是更新位置 Pt到初始位置 P0的距离 ； 说 明 书 CN 103033836 A 7 5/5 页 8 0073 Pt (xt， yt) (|OPt|cost， OPt|sint) 0074 其中 Pt是 t 时刻的位置 ； 0075 将 t 时刻的更新速度 vt和更新位置 Pt(xt， yt) 和更新航向 t 0+ 作为导航 指向信息输出到输出模块 ； 输出模块根据通讯协议接收导航指向信息， 并在可视化界面上 显示。 0076 （2） 当 GNSS 模块输出的导航指。
26、向信息有效且连续位置坐标之间距离大于定位误 差容限的情况下 ： 处理模块直接输出 GNSS 模块的导航指向数据到输出模块 ； 输出模块根据 通讯协议接收导航指向信息， 并在可视化界面上显示。 0077 以下给出一种上述车载导航指向装置的导航指向方法的具体步骤 ： 0078 （1） 处理模块判断 GNSS 模块输出导航指向信息是否有效， 若导航指向信息有效， 则执行步骤 （2） ， 反之， 则执行步骤 （4） ； 0079 （2） 处理模块根据 GNSS 模块输出的导航指向信息获取车辆的位置坐标， 如果连续 的位置坐标之间的距离小于预设的定位误差容限， 则判定车辆在静止状态， 执行步骤 （4） 。
27、， 如果连续的位置坐标之间的距离大于预设的定位误差容限， 则判定车辆在运动中， 执行步 骤 （3） ； 0080 （3） 处理模块输出 GNSS 模块的导航指向信息到输出模块， 执行步骤 （6） ； 0081 （4） 处理模块根据图像采集模块采集的当前场景图像帧， 对连续的当前场景图像 帧进行多区域的块匹配， 得到不同区域的局部平移运动矢量 ； 利用刚性运动模型， 获得连续 的场景图像间的旋转角度 ； 再与存储在存储模块中的历史导航指向信息中最后有效的航向 相累加得出当前航向 ； 0082 （5） 处理模块根据存储模块中历史导航指向信息、 推算出的当前航向及前进方向 加速度的值， 融合处理得出。
28、车辆导航指向信息， 并输出到输出模块 ； 0083 （6） 输出模块接收导航指向信息， 在可视化界面上显示。 0084 上述步骤 （2） 中预设的定位误差容限为 5m。 0085 上述步骤 （5） 中的融合处理包括如下步骤 ： 0086 （51）处理模块从存储模块中提取历史导航指向信息中最后有效的车辆位置 P0(x0,y0)， 速度 v0， 航向 0， 从加速度传感器模块输出的 MEMS 三维加速度传感器的值中提 取车辆前进方向加速度 ； 0087 （52） 车辆在 t 时刻的更新速度为 ： 0088 0089 式中 vt-1是 t-1 时刻的速度， vt是 t 时刻的更新速度 ； at-1是。
29、 t-1 时刻的车辆的前 进方向加速度， t-1和 t分别是车辆在 t-1 时刻和 t 时刻车辆的航向， t 是加速度传感 器模块测量加速度的时间间隔 ； 0090 （53） 确定车辆在 t 时刻的位置 Pt： 0091 Pt=(xt， yt)=(/OPt/cost,OPt/sint) 0092 上式中， |OPt| 为更新位置 Pt到初始位置 P0的距离 ： 0093 0094 其中 Pt-1是 t-1 时刻的位置。 0095 所述加速度传感器模块测量加速度的时间间隔为 50ms。 说 明 书 CN 103033836 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103033836 A 9 2/2 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103033836 A 10 。