运动物体的导航定位系统.pdf

本发明公开了一种运动物体的导航定位系统，包括用于输出运动物体在x轴、y轴和z轴上的相应输出信号的磁感应装置，和对磁感应装置的输出信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的控制器，其特征在于：所述控制器包括：将模拟信号转为数字信号的模数转换器；对输入的信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的数据处理单元。本发明利用磁感应装置和控制器，可准确测量出运动物体航向角及俯仰角变化信息，快速准确地探测出运动物体是否在斜坡上，从而可以更准确地判断处于垂直方向重叠的路况的运动物体的位置，且结构简单、制造成本低。

1.  一种运动物体的导航定位系统，包括用于输出运动物体在x轴、y轴和z轴上的相应输出信号的磁感应装置，和对磁感应装置的输出信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的控制器，其特征在于：
所述控制器包括：将模拟信号转为数字信号的模数转换器；
对输入的信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的数据处理单元。

2.  根据权利要求1所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述磁感应装置为多轴磁罗盘。

3.  根据权利要求1所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述磁感应装置为二轴磁传感器。

4.  根据权利要求1所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述磁感应装置为三轴磁传感器。

5.  根据权利要求3所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述控制器包括数据处理单元(52)和用于和外部磁传感器系统(57)进行本地、远程通信的通信系统(53)，所述外部磁传感器系统(57)包括外部磁传感器(55)和与通信系统(53)进行通信的通信单元(56)。

6.  根据权利要求1所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述磁感应装置包括两个二轴磁传感器，分别为第一磁传感器(61)和第二磁传感器(63)，且第一磁传感器(61)和第二磁传感器(63)放置在同一平面内，它们的纵轴和横轴都分别相差45°，第一传感器(61)和第二磁传感器(63)的数据都提供给控制器(42)。

7.  根据权利要求1所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述磁感应装置安装在其他便携式和/或手持式设备中。

8.  根据权利要求7所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：还包括与数据处理单元(52)相连的输入/输出设备(75)。

9.  根据权利要求8所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：所述输入设备为键盘(71)和/或触摸屏显示设备(73)。

10.  根据权利要求7所述的运动物体的导航定位系统，其特征在于：还包括全球定位系统(78)和/或地图显示设备。

运动物体的导航定位系统
技术领域
本发明涉及一种导航领域的定位装置，尤其是涉及一种运动物体的导航定位系统。
背景技术
现在基于卫星(如GPS)的三维车载导航系统得到了迅速发展，但仍存在一定的局限性，此系统有时会提供错误数据。现有的卫星接收机可以提供运动物体定位的垂直位置，但当遇到复杂情况时，例如立交桥、地下通道、高速公路出口处或入口处这些在垂直方向重叠的路况时，判断就会变得困难。如果高架车道和下面的道路路线一致或基本一致时，导航系统将很难区分两条道路，并准确判断出车辆究竟在哪一条道路上行使。
图2为现有技术中包含高度计的导航定位装置组成示意图。导航定位装置包括磁罗盘21，高度计23和控制器22。高度计23通过测量压力得到海拔高度，理论上，高度计23是可以区分出高架道路和下面道路的不同海拔高度，但实际上，由于车辆必须水平航行一段距离才能接收到足够的海拔高度信号，从而确定究竟行使在哪一条道路上，所以对于只有较短水平距离的情况，该导航系统无法正确测定车辆的真实位置。
图3为现有技术中包含加速度传感器的导航定位装置组成示意图。导航定位装置包括磁罗盘31，二轴加速度传感器33和控制器32。加速度传感器33可以当作倾斜计来测量车辆的俯仰角，进一步地，利用磁罗盘31测量俯仰角的变化。俯仰角指物体纵轴和当地水平面形成的一个角度，在航天应用领域，正俯仰角通常指机头向上，负俯仰角指机头向下。该方法需要额外的加速度传感器和/或陀螺仪，从而增加了成本，使整个装置制造变得复杂，而且也增加了设备的尺寸和功耗。利用加速度传感器的另一个缺点就是很难将车辆的速度变化信息(加速或减速)和倾斜角信息区分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可准确测量运动物体航向角及俯仰角变化信息、且制造成本低的导航定位装置，从而可以更准确地判断处于垂直方向重叠的路况的运动物体的位置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种运动物体的导航定位系统，包括用于输出运动物体在x轴、y轴和z轴上的相应输出信号的磁感应装置，和对磁感应装置的输出信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的控制器，其特征在于：
所述控制器包括：将模拟信号转为数字信号的模数转换器(ADC)；
对输入的信号进行处理得出运动物体航向角、俯仰角以及俯仰角的变化的数据处理单元。
本发明可达到的有益效果：
本发明利用磁感应装置和控制器，可准确测量出运动物体航向角及俯仰角变化信息，快速准确地探测出运动物体是否在斜坡上，从而可以更准确地判断处于垂直方向重叠的路况的运动物体的位置，且结构简单、制造成本低。
附图说明
图1为运动物体接近斜坡时的示意图；
图2为现有技术中包含高度计的导航定位装置组成示意图；
图3为现有技术中包含加速度传感器的导航定位装置组成示意图；
图4为本发明第一、第二和第三实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图；
图5为本发明第四实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图；
图6为本发明第五实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图；
图7为本发明的手持便携式运动物体的导航定位系统示意图；
图8为手持便携式运动物体的导航定位系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1为运动物体接近斜坡时的示意图；图4为本发明第一、第二和第三实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图。x，y，z为运动物体的运动方向，其中，x轴指向运动物体的正前方，y轴与x轴在水平面内正交，z轴指向运动物体的正上方，垂直于x轴和y轴所处的水平面。
x_G，y_G，z_G为地球的参考方向，其中，x_G指向磁北极，y_G的方向为磁东向，z_G指向正上方。θ为航向角，指围绕z_G轴所旋转的角度，Φ为俯仰角，指围绕y_G轴所旋转的角度，Ω为横滚角，指围绕x_G轴所旋转的角度。
M_x为磁传感器在x轴上的输出信号，M_y为磁传感器在y轴上的输出信号，M_z为磁传感器在z轴上的输出信号。
H_x为x_G磁场强度，H_y为y_G磁场强度，H_z为z_G磁场强度。通常情况下，H_y为零，H_x为正，H_z为负。
根据图1所示的运动物体11，可为轮式车辆、轨道车辆等，接近斜坡13。斜坡13连接第一路面16和第二路面17，该角度为上坡角度，即第一路面16低于第二路面17，或第二路面17的海拔高度大于第一路面16。斜坡13具有正俯仰角，由垂直高度15和水平距离14可以确定倾斜角度，即，坡面12的俯仰角可以表示为：
俯仰角(Φ)＝垂直高度/水平距离
本发明的运动物体的导航定位系统包括控制器42和多轴磁感应设备41，如磁罗盘。由于现有的导航系统已经包括控制器和磁罗盘，所以本发明无需额外增加电路、设备或硬件，只需加入软件、算法、应用程序、驱动程序。
陀螺仪和其他磁感应设备只能提供绝对角度位置信息或相对的角度位置变化信息。和其他磁感应传感器相比，磁罗盘可提供实时航向数据，具有磁罗盘的导航定位装置还可以测量俯仰角的变化。
x轴、y轴和z轴上的相应输出信号M_x，M_y，M_z由多轴磁感应设备41测量得到后，传递给控制器42并进行处理，控制器42提取传感器的输出信号并经过计算产生航向角(θ)信息。本发明中，提取磁感应设备的输出信号还可以产生俯仰角(Φ)的变化信息。如果信号M_x，M_y，M_z为模拟信号，先使用模数转换器(ADC)将模拟信号转为数字信号，然后再进行数字信号处理。
控制器42包括硬件、软件、算法、应用程序、驱动程序，根据多轴磁感应设备41产生的信号，可以确定俯仰角或俯仰角变化。如果俯仰角为正，则为上坡，如果俯仰角为负，则为下坡，因此，控制器42无需编程确定具体的俯仰角大小，可以通过判断俯仰角的正负确定其上下坡。
例如，多轴磁感应设备的输出信号M_x，M_y由下列等式确定
M_x＝(cos(Θ).cos(Φ))H_x+sin(Φ)H_z
M_y＝(cos(Ω).sin(Θ)+sin(Ω).sin(Φ).cos(Θ))H_x+(sin(Ω).cos(Φ))H_z
在本发明的第一实施例，如果横滚角(Ω)为零，当俯仰角变化时，M_x，M_y的变化为
∂Mx∂ΦΩ=0=-sin(Φ).cos(Θ)Hx+cos(Φ)Hz]]>
∂My∂ΦΩ=0=0]]>
只要∂Mx∂t≠0,]]>∂My∂t=0,]]>
根据M_x和ΔM_x确定俯仰角的正负。进一步，该方法还可以类似地测量横滚角(Ω)的变化，
当偏倒数∂Mx∂ΦΩ=0=0]]>时，根据地磁角(φ_H)的变化，则会有更多的可能性。事实上，如果地磁角小于或等于45°，则存在横滚角(Ω)满足等式∂Mx∂ΦΩ=0=0.]]>而美国和中国的倾斜角接近或大于55°，因此，等式∂Mx∂ΦΩ=0=0]]>不会成立。
在本发明的第二实施例中，多轴磁感应设备表面的磁场向量投影在传感器平面的极径M_plan为
Mplan=Mx2+My2]]>
尽管地球磁场的极径会变化，但同一地区地球磁场的极径几乎没有变化。因此，在数平方公里范围内，地球磁场极径可以被认为是定值。故利用
|∂Mplan∂t|>ΔMplan,treshold]]>
则可以很容易判断俯仰角(Φ)或横滚角(Ω)是否有变化。通过M_x，M_y以及航向角值(θ)，可以区分究竟是哪个角有变化，同时还能确定变化的正负。根据现有技术知道，在具体实施时，θ，M_x，和M_y可以代入偏倒数进行替换。因此，本发明不局限于监测某一特定的参数，而是可以扩大到使用二轴磁传感器来测量俯仰角的变化。
在本发明的第三实施例中，磁感应设备41被替换成三轴磁传感器。增加Z轴方向磁场测量从而可以方便地计算出横滚角和俯仰角的变化。例如，当俯仰角变化时，只有当横滚角没有输出时，y轴输出才为定值。故对二轴磁传感器而言，如果横滚角和俯仰角的变化同时发生，则很难提供正确精准的信息。二轴磁传感器不能完全测量地球磁场向量，但三轴磁传感器可以测量z轴方向的大小。因此，可以假定H_x和H_z为已知或是已经测量并存储的。
当车辆11在以地球表面平行的平面内以一直线航行时，如果航向角(θ)已知，则z轴输出为
M_z＝(sin(Ω)sin(Θ)-cos(Ω)sin(Φ)cos(Θ))H_x+cos(Ω)cos(Φ)H_z
如果Φ和Ω为常量，由M_z可以直接给出H_z。
等式
C＝Acos(x)+Bsin(x)
为x=arctan(BA)+arccos(Ccos(arctan(BA))A)]]>的变形。
根据C=MxA=Hxcos(Θ)B=Hz,]]>可以由M_x得到Φ。
根据C=MyA=Hxsin(Θ)B=sin(Φ)cos(Θ)-cos(Φ)Hz,]]>可以由M_y得到Ω。
因此，相对于二轴磁传感器而言，三轴磁传感器可以将系统的姿态角完整地测量出来。
图5为本发明第四实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图，导航定位装置包括二轴磁传感器41、数据处理单元52、用于和外部磁传感器系统57进行本地、远程通信的通信系统53，所述外部磁传感器系统57包括外部磁传感器55和与通信系统53进行通信的通信单元56。
二轴磁传感器41用于向数据处理单元52提供导航定位装置所处当地的地球磁场数据，即H_x和H_z。数据处理单元52根据得到的数据经过处理后，可以计算出磁场倾斜角(φ_H)。另外，外部磁传感器系统57可以直接提供计算好的磁场倾斜角(φ_H)。根据现有技术，通信设备53也可以由导航定位装置内部的数据库替代。数据库中可以包括道路信息和地球磁场数据。通过外部导航定位系统(如GPS)，数据处理单元52可以获得导航定位装置的位置，然后从数据库中调出对应的地球磁场数据。在该实施例中，导航定位装置内部的数据库的信息需要经常更新。
根据现有技术，嵌入式数据库还可以和本地、外部磁传感器系统57共享信息，从而区分由数据库提供的相对来说较大面积范围内的平均地磁场和相对较小面积范围内由环境引起的变化。因为H_x和H_z由外部提供，所以计算方法可以和实施例3相似。
图6为本发明第五实施例的运动物体的导航定位系统组成示意图，在本发明的第五实施例中，所述磁感应装置包括两个二轴磁传感器，分别为第一磁传感器61和第二磁传感器63，且第一磁传感器61和第二磁传感器63放置在同一平面内，它们的纵轴和横轴都分别相差45°，从而提供足够的俯仰角变化和方向数据信息，提高了整个导航定位装置的可靠性。第一磁传感器61和第二磁传感器63的数据都提供给控制器42。
对第一磁传感器61和第二磁传感器63的校准非常有限，尤其是在接近地球磁场最大值和最小值时精确度不高。因此，通过放置第一磁传感器61和第二磁传感器63互成45°角，并对各自测得的数据进行相互比较，可以简化在地球磁场极值附近地区的计算，提高可靠性。
产生磁场强度和航向角数据的二轴或三轴磁传感器，如磁罗盘也可以不安置在车辆上，而是安装在其他便携式和/或手持式设备中，如个人导航设备(PNDS)，个人数字助理(PDA)，移动电话，便携式多媒体，MP3视频播放器，移动互联网设备(MIDs)，和其他导航用设备。
图7为本发明的手持便携式运动物体的导航定位系统示意图，便携式和/或手持式导航定位装置包括磁传感器41，该磁传感器41可为多轴磁感应设备，如多轴磁罗盘。该多轴磁罗盘用于产生连续的数据信号航向角(θ)，或者也可以是指从远程磁罗盘接收数据信号航向角(θ)。可计算出运动物体实时方向数据信息的数据处理单元52包括存储器，存储器中存储了应用程序、算法、输入信号计算程序和/或消除软磁、硬磁干扰的校准程序，该存储器可以为只读存储器(ROM)或随机存储器(RAM)，数据处理单元52还包括显示设备76。手持式导航定位装置进一步包括输入/输出(I/O)设备75，如键盘71和/或触摸屏显示设备73。可选设备包括全球定位系统78和/或地图显示设备(如GPS)。
图8为手持便携式运动物体的导航定位系统的工作流程图，手持式导航定位装置的操作步骤为：第一步，磁传感器41产生磁场强度数据信号和航向角数据信号，磁场强度数据信号和航向角数据信号传递给数据处理单元52。可选的全球定位系统78产生定位数据信号，定位数据信号也传递给数据处理单元52。第二步，利用收到的数据信号和补偿参数，数据处理单元52计算出实时方向数据。第三步，实时方向和当前的电子地图方向进行比较。如果实时方向和当前的电子地图方向一致或基本一致，系统继续重复上述第一步和第二步。第四步，如果实时方向和当前的电子地图方向不一致，数据处理单元52旋转电子地图直到电子地图方向和实时方向一致或基本一致。另外，本发明的运动物体的导航定位系统可结合电信服务提供商的基站(如GSM)对运动物体进行定位。