韓勇強:揭秘六大車輛定位導航技術
發表時間 2019-10-29 11:00 來源 中國科技新聞網


 

  車輛導航在人們的日常生活中起著越來越重要的作用,其發展速度也越來越快。近年來世界各國都特別重視對交通管理和控制技術的研究和開發,致力于利用現代通信、自動化以及計算機等高新技術來提高車輛導航的精度。

  車輛導航系統的概念最初起始于上世紀六十年代末,當時采用航位推算/地圖匹配技術實現車輛的定位與導航。由于這種航位推算系統容易產生誤差積累,定位精度低,故需要利用數字地圖匹配進行校正。盡管如此,單純的航位推算系統誤差還是較大,動態定位精度也較低,所以其實用性受到極大的限制。這類系統稱為第一代車輛定位與導航系統。

  上世紀八十年代末,GPS定位技術的廣泛應用,使得GPS技術很快應用到車輛的定位與導航,但是車載GPS接收機的定位精度通常受到衛星信號狀況和道路環境的影響。因此,盡管車載GPS定位導航系統的定位精度比早期的航位推算系統的精度提高了一步,實用性得到了極大提高,但單純的GPS定位系統仍存在著定位精度有時較低、可靠性不高的問題。從上世紀九十年代開始,國外進行GPS組合導航技術在車輛導航中的應用研究。這類系統被稱為第二代車輛導航系統,它們都是利用GPS組合導航技術來提高定位精度及導航系統的可靠性,定位精度比第一代系統有極大提高。

  目前,國內許多研究人員都在致力于組合導航定位系統的研究,把進一步提高車輛的定位精度和降低系統的成本作為努力的目標。車輛導航的定位系統在最近幾年已經有了很大的發展。

  車輛定位導航系統所采用的方法很多,但從原理上講,都是使用傳感器來測量定位導航所需的各種信息,解算載體的精確位置。目前,世界范圍內主要有以下幾種定位技術應用于車輛導航。

  慣性導航系統(簡稱INS),這種導航系統是不依賴于任何外界信息,靠自身的慣性敏感器件(陀螺儀和加速度計)測量導航參數的系統,它不受天然的或人為的干擾,具有良好的隱蔽性,是一種完全自主式的導航系統。

  根據所選慣性器件的不同,慣性導航系統又分為激光慣導、光纖慣導、MEMS慣導等多個類別,但無論哪種慣導,在長時間工作之后,會產生不同程度的累積誤差。為提高系統的絕對精度,就需要增加別的導航傳感器輔助定位。由于該系統的造價較高,所以它一般在普通車輛導航定位領域應用不多,主要用在軍事用途上。

  全球衛星定位系統(簡稱GNSS),GPS具有全球性、全天候、連續、實時提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息等一系列優點,是實現全球導航定位的一種高新技術。GPS 定位技術的基本原理是采用測量學中通用的測距交會確定點位的方法。但由于GPS是一種無線電衛星導航系統,在城市高樓區、林蔭道、涵洞等地方有可能導致GPS定位信號的暫時中斷;因墻體或山的側面所造成的多路徑效應,GPS接收機同樣也無法識別,并可能導致相當大的偏差。這說明GPS定位系統雖然定位精度較高,但一旦可靠性遭到破壞,便會失去其導航能力。

  航位推算系統(簡稱DR),DR包括慣性測量單元、里程儀等。其中陀螺儀測量DR系統利用這些傳感器設備測量出運動車輛的行駛距離、速度和方位。與純慣性導航不同,DR系統的定位誤差與行駛距離成正比關系,而并不隨時間快速積累,因而這種方式被地面車輛廣泛采用。但對于大范圍的定位需要采取有效措施以避免累積誤差,所以DR定位系統也需要輔助手段消除累積誤差。

  地圖匹配(簡稱MM),為提高航位推算系同的長期工作精度,目前采取了慣性/地圖匹配的導航方案。從廣義而言,電子地圖技術屬于地理信息系統(GIS)。GIS是60年代發展起來的,即空間科學、計算機科學、管理科學于一體的空間信息系統。它以一定區域的地圖資料信息存儲于大容量存儲設備中,可根據需要將特定信息進行提取,還能利用人機介面對地圖信息進行靈活的查詢。

  地圖匹配是一種通過軟件方法,校正無線導航或航位推算定位誤差的技術。該技術以模式識別理論為依據,基于“車輛始終行駛在道路上”的假設,通過找到車輛所在的道路,計算出準確的車輛位置。也就是說,當推算定位指示車輛在地圖上的某一位置時,車輛位置可以被調整到地圖上的絕對位置,這樣可以消除累積誤差,直到下一次地圖匹配步驟。在每一個連續的系統周期中完成這個過程,就能實時得到更加準確的車輛位置。
 



國外陸用慣性技術發展趨勢特邀報告
 

  地圖匹配算法將其它定位方法(如GPS、航位推算法等) 測得的車輛位置或行駛軌跡,與車載的電子地圖道路數據相比較、匹配,找到車輛所在的道路,計算出車輛在道路上的位置,進而還可以通過這種方法來校正其它定位方法的誤差,如航位推算法的累積誤差、GPS 的隨機誤差。它利用數字化地圖使得定位系統更加可靠、準確。常規地圖匹配的基本思想是把車輛行駛路線同接近以前匹配點的已知道路相比較,形狀與當前路線和先前匹配路線相似的道路被選為車輛的行駛道路。

  通常地圖匹配和GPS、INS、DR一起構成組合車輛導航系統,首先由GPS接收機接收到車輛當前位置的GPS位置信息,經過一定處理后,和INS提供的位置信息和方位信息一起送給處理器進行信息融合,然后用合適的地圖匹配算法將正確的位置點顯示在電子地圖上。

  地面無線電頻率定位(簡稱TRF),使用TRF技術的系統從分布在系統運行區域內的一定數量信號標桿接收無線電頻率信號,來自多處的TRF信號標桿的信號交叉使用能夠確定車輛的具體位置,然后將這一信息提供給駕駛員或控制中心。

  由此看來,任何一種單一的導航系統其精度和使用范圍都有一定的限制,如何將各種傳感器的測量信息加以綜合利用,既能克服無線電導航系統定位間斷或失效的缺點,又能克服慣性導航、航位推算系統定位誤差隨時間積累的缺點,最大限度地提取有用信息,保障車輛定位的全程連續性,成為車輛導航系統所要解決的基本問題,而解決這一問題的最佳方案就是采用所謂的多傳感器信息融合技術,研制各種實用的組合導航系統。

  視覺導航,顧名思義視覺導航即利用視覺傳感器(主要為攝像頭)實現自身位姿信息的推算。它通過對周圍環境進行不間斷的拍攝,對相鄰的兩幀照片進行特征點匹配,從而獲得自身的旋轉和位移信息,進而實現位姿測量,這項技術又被稱為“視覺里程計”。視覺里程計所推算的位置信息也存在誤差累積的問題,把車輛行駛過區域的特征點進行匯總處理,構建一個環境地圖,當車輛再次行駛到這個區域時進行回環檢測和誤差修正,可以極大地消除累積誤差,提高導航精度,這項技術叫做實時定位與制圖(SLAM),根據所選傳感器的不同,又可細分為單目視覺SLAM、雙目視覺SLAM、激光雷達SLAM、慣性輔助視覺SLAM等等。

  SLAM技術是當前世界范圍內地面移動平臺導航技術的熱點,目前,我們團隊基于本身在慣性技術領域的技術積累,也開展了此方面的研究,并開始在物流機器人、室內巡航機器人、無人駕駛車輛領域開展了應用。 團隊主要從事慣性導航和組合導航技術方面的研究,包括導航制導與控制一般包括慣性導航技術、組合導航算法與技術、慣性制導技術、控制理論與系統設計等研究方向。目前團隊研制生產的陸用定位定向導航系統系列產品已在兵器加榴炮迫榴炮系統和航天領域防空導彈發射車指揮車等的多個型號武器系統中得到應用,提高武器系統的實戰化水平,為國防科技信息化現代化建設作出了貢獻。

  (作者單位:北京理工大學自動化學院)

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