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08 Jan 2022

通过传感器融合增强 GNSS

通过传感器融合增强 GNSS

您汽车的 GPS 是否让您迷失了?盲目地跟随它一个小时后,它突然在您的眼前消失,您朝错误的方向前进。您的直接本能是责备设备,即使更有可能是您误读其指令或误键入目的地。无论哪种方式,您都在方向盘后面,而不是靠近您想要去的地方。

也就是说,您的 GPS 不会出错。GPS 是故障的原因,几乎总是会追溯到阻挡轨道导航卫星发出的微弱信号的情况。城市峡谷可能会使信号变弱,导致您的定位信息出现严重偏差。隧道完全切断了信号。

这些错误现在似乎微不足道,很多情况下很难处理。但是,随着我们的汽车变得更加智能和更加自主,它们可能会成为必然结果。在密集的城市环境中,您可能会被达到极限的现收现付的城市道路收费系统多收费。更糟糕的是,您的自动驾驶汽车可能会误解其位置,应用错误的速度限制,然后出发,从而危及您、您的同伴和您周围的人。

使用汽车惯性导航按照地图行驶

为了解决这些问题,u-blox开发了其汽车惯性导航解决方案,并于 2003 年首次将其集成到其部分全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器模块中。汽车惯性导航使用车辆上的传感器生成的数据来提高在其他困难环境中的 GNSS 精度,将其覆盖范围扩展到隧道、多层停车场和狭窄的城市峡谷。

在理想的情况下,车辆配备了全套传感器,以实现高性能和易于使用的 3D 惯性导航。其中一种设置包括一个用于检测车辆角度方向变化的三轴陀螺仪,一个用于确定速度变化的三轴加速度计,以及一个用于测量车辆地面覆盖距离的轮速传感器。但是,制造商通常会选择为车辆配备较小的传感器套件,从而降低成本。

幸运的是,这不会导致惯性导航陷入死胡同。当然,传感器越少,精度通常越低。但是,由于有一些独创性,传感器的组合可用于恢复一些缺失的信息。

简单地说,想象一下您的汽车配备了车速传感器,进入一个平直的隧道。只要传感器正确校准,它将在 GNSS 接收中断时继续提供车辆的精确位置。如果隧道下坡,则报告的位置将关闭,因为地面上的距离将超过其水平投影。其他人则使用单个加速度计和一些数学计算来确定道路的坡度,从而解决这个问题。

迈向高度准确和可靠的 GNSS 定位

几年前,我们遇到了一个极具挑战性的案例。最终,我们因解决了问题而获得专利。我们所使用的汽车配备了一个用于速度的车速传感器以及 z 轴和 x 轴(偏航和侧倾)陀螺仪,这些一起提供了 2D 惯性导航。在多层停车场的螺旋坡道上行驶时,我们发现由惯性导航确定的航向(车辆所指的水平方向)已被系统关闭。

经过一番调查后,我们发现可以通过估计汽车的俯仰(向上或向下指向的程度)来改进航向。最后,我们使用偏航和侧倾陀螺仪读数之间的比率来确定实现此目的的方法。另一个重要的问题是,该方法允许我们在没有 GNSS 接收的情况下,使用这种简化的惯性传感器准确地确定车辆的高度。

所描述的情况听起来可能有点抽象,实际上也是如此。但它是将来自各种传感器的输入融合到位置、方向和速度的高度精确和可靠读数中的另一个难题。

最终,传感器融合和惯性导航将有助于使卫星定位技术足够强大,以满足高度完全自动驾驶应用的严格要求。如果将来您发现自己在 GPS 上受到了控制,那么您只能自己承担责任。

有关我们的惯性导航解决方案的更多信息,请务必下载我们有关此主题的白皮书:

https://www.u-blox.com/en/white-paper-untethered-dead-reckoning

https://www.u-blox.com/en/white-paper/automotive-dead-reckoning-intelligent-solution-modern-urban-navigation

Alexander Somieski

Senior Manager Software Development in the Sensor Fusion Positioning team