阅读说明：本技术 定位方法及系统、导航方法及系统和一种车辆管理终端 (positioning method and system, navigation method and system and vehicle management terminal ) 是由 王震坡 张志强 张开纲 韩冰 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端。本发明提供的一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端,在卫星定位信号较弱的情况下,采用本发明提供的定位方法能够精确计算出定位目标在当前时刻的实时位置,通过通讯模块将其发送至移动终端,通过移动终端将高精度定位信息共享给地图,从而能够在地下停车场、隧道等卫星定位信号弱的区域进行实时定位和导航。(The invention discloses a positioning method and system, a navigation method and system and a vehicle management terminal. According to the positioning method and system, the navigation method and system and the vehicle management terminal provided by the invention, under the condition that satellite positioning signals are weak, the real-time position of a positioning target at the current moment can be accurately calculated by adopting the positioning method provided by the invention, the positioning target is sent to the mobile terminal through the communication module, and high-precision positioning information is shared to a map through the mobile terminal, so that real-time positioning and navigation can be carried out in areas with weak satellite positioning signals, such as underground parking lots, tunnels and the like.)

定位方法及系统、导航方法及系统和一种车辆管理终端

技术领域

本发明涉及车辆管理领域，特别是涉及一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端。

背景技术

在汽车分时租赁领域，普遍存在下述问题：车辆在使用完成后，由于车辆定位信号精度有限，易受建筑物遮挡，导致车辆无法归还到指定位置进行充电。手机导航因其便携性及地图更新实时性等特点，得到广泛使用。但是，大部分手机基于GPS、北斗等实现定位，存在受建筑物遮挡而无法实时定位的问题，如经过高架桥、隧道、地下停车场时会出现信号弱甚至导航“失灵”的情况，特别是在带分叉的隧道内，会造成误导的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端，能够在卫星定位信号弱的区域进行实时定位和导航。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种定位方法，所述定位方法包括：

获取定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述定位目标在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角；

根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵；

根据所述欧拉姿态转换矩阵及所述三轴加速度确定导航坐标系三轴加速度；

对所述导航坐标系三轴加速度进行积分，获得三轴速度；

根据所述定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述三轴速度及采样周期确定所述定位目标在当前采样时刻的位置坐标。

可选的，所述根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵之前，还包括：

根据所述姿态角及姿态四元数与欧拉角之间的转换关系确定导航坐标系与载体坐标系之间的坐标变换矩阵。

可选的，所述欧拉姿态转换矩阵为：

其中，C表示欧拉姿态转换矩阵，γ表示侧倾角，ψ表示航向角，θ表示俯仰角。

一种定位系统，所述定位系统包括：

数据获取模块，用于获取定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述定位目标在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角；

欧拉姿态转换矩阵确定模块，用于根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵；

导航坐标系加速度确定模块，用于根据所述欧拉姿态转换矩阵及所述三轴加速度确定导航坐标系三轴加速度；

积分模块，用于对所述导航坐标系三轴加速度进行积分，获得三轴速度；

位置坐标确定模块，用于根据所述定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述三轴速度及采样周期确定所述定位目标在当前采样时刻的位置坐标。

一种移动终端的导航方法，目标车辆载有移动终端，所述移动终端内置有地图，所述目标车辆的车载终端包括陀螺仪传感器，所述导航方法包括：

获取所述目标车辆在上一采样时刻的位置坐标、所述陀螺仪传感器输出的所述目标车辆在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角；

采用所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标；

根据所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标及所述移动终端内置的地图对所述目标车辆进行导航。

可选的，所述车载终端还包括卫星定位模块，所述采用所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标之前，还包括：

获取所述移动终端接收到的的卫星定位模块的实时信号强度；

判断所述实时信号强度是否小于预设的信号强度；

若是，则采用所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标。

一种移动终端的导航系统，目标车辆载有移动终端，所述移动终端内置有地图，所述目标车辆的车载终端包括陀螺仪传感器，所述导航系统包括：

车辆信息获取模块，用于获取所述目标车辆在上一采样时刻的位置坐标、所述陀螺仪传感器输出的所述目标车辆在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角；

位置坐标确定模块，用于采用所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标；

导航模块，用于根据所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标及所述移动终端内置的地图对所述目标车辆进行导航。

一种车辆管理终端，所述车辆管理终端包括：卫星定位模块、陀螺仪传感器、车辆数据采集模块、蓝牙通讯模块、终端处理器及移动终端，其中，

所述陀螺仪传感器设于目标车辆上，用于采集所述目标车辆的姿态角和三轴加速度；

所述车辆数据采集模块设于所述目标车辆上，用于采集所述目标车辆的运行速度；

所述卫星定位模块设于所述目标车辆上，所述卫星定位模块分别与所述陀螺仪传感器和所述车辆数据采集模块连接，所述卫星定位模块用于采集所述目标车辆的位置坐标，并采用所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标；

所述终端处理器分别与所述卫星定位模块和蓝牙通讯模块连接，所述移动终端内置地图，所述移动终端与所述卫星定位模块通过所述蓝牙通讯模块连接，所述终端处理器用于控制所述蓝牙通讯模块将所述卫星定位模块输出的所述目标车辆的位置坐标发送给所述移动终端。

可选的，所述卫星定位模块包括GPS模块和/或北斗模块中至少一者。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端，在卫星定位信号较弱的情况下，能够根据陀螺仪传感器输出的姿态角和三轴加速度确定定位目标在当前采样时刻的位置坐标，然后结合移动终端内置的高精度地图即可进行精确导航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种定位方法的流程图；

图2为本发明实施例2提供的一种定位系统的结构框图；

图3为本发明实施例3提供的一种移动终端的导航方法的流程图；

图4为本发明实施例4提供的一种移动终端的导航系统的结构框图；

图5为本发明实施例5提供的一种车辆管理终端的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种定位方法及系统、一种导航方法及系统和一种车辆管理终端，能够在卫星定位信号弱的区域进行实时定位和导航。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1提供的一种定位方法的流程图。如图1所示，所述定位方法包括：

步骤101：获取定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述定位目标在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角。

步骤102：根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵。所述欧拉姿态转换矩阵为：

其中，C表示欧拉姿态转换矩阵，γ表示侧倾角，ψ表示航向角，θ表示俯仰角。

步骤103：根据所述欧拉姿态转换矩阵及所述三轴加速度确定导航坐标系三轴加速度。

步骤104：对所述导航坐标系三轴加速度进行积分，获得三轴速度。

步骤105：根据所述定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述三轴速度及采样周期确定所述定位目标在当前采样时刻的位置坐标。所述采样周期为相邻采样时刻的时间差。

作为一种优选方式，执行所述步骤102：根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵之前，还包括：

根据所述姿态角及姿态四元数与欧拉角之间的转换关系确定导航坐标系与载体坐标系之间的坐标变换矩阵。

图2为本发明实施例2提供的一种定位系统的结构框图。图2所示，所述定位系统包括：

数据获取模块201，用于获取定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述定位目标在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角。

欧拉姿态转换矩阵确定模块202，用于根据所述姿态角确定欧拉姿态转换矩阵。

导航坐标系加速度确定模块203，用于根据所述欧拉姿态转换矩阵及所述三轴加速度确定导航坐标系三轴加速度。

积分模块204，用于对所述导航坐标系三轴加速度进行积分，获得三轴速度。

位置坐标确定模块205，用于根据所述定位目标在上一采样时刻的位置坐标、所述三轴速度及采样周期确定所述定位目标在当前采样时刻的位置坐标。

图3为本发明实施例3提供的一种移动终端的导航方法的流程图。如图3所示，目标车辆载有移动终端，移动终端可以设置在目标车辆上，也可以由车辆驾驶员或乘客随身携带，所述移动终端内置有地图，所述目标车辆的车载终端包括陀螺仪传感器，所述导航方法包括：

步骤301：获取所述目标车辆在上一采样时刻的位置坐标、所述陀螺仪传感器输出的所述目标车辆在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角。

步骤302：采用实施例1所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标。

步骤303：根据所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标及所述移动终端内置的地图对所述目标车辆进行导航。

作为一种优选方式，所述车载终端还包括卫星定位模块，执行所述步骤302：采用实施例1所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标之前，还包括：

获取所述移动终端接收到的的卫星定位模块的实时信号强度；

判断所述实时信号强度是否小于预设的信号强度；

若是，则采用实施例1所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标；

否则，采用卫星定位模块确定所述目标车辆在当前采样时刻。

图4为本发明实施例4提供的一种移动终端的导航系统的结构框图。如图4所示，目标车辆载有移动终端，移动终端可以设置在目标车辆上，也可以由车辆驾驶员或乘客随身携带，所述移动终端内置有地图，所述目标车辆的车载终端包括陀螺仪传感器，所述导航系统包括：

车辆信息获取模块401，用于获取所述目标车辆在上一采样时刻的位置坐标、所述陀螺仪传感器输出的所述目标车辆在当前采样时刻的姿态角和三轴加速度，所述姿态角包括侧倾角、航向角和俯仰角。

位置坐标确定模块402，用于采用实施例1所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标。

导航模块403，用于根据所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标及所述移动终端内置的地图对所述目标车辆进行导航。

图5为本发明实施例5提供的一种车辆管理终端的结构框图。如图5所示，所述车辆管理终端包括：卫星定位模块41、陀螺仪传感器42、车辆数据采集模块2、蓝牙通讯模块5、终端处理器6及移动终端。

本实施例中，惯性导航模块4除了包含卫星定位模块41和陀螺仪传感器42外，还包括大气压强传感器43。其中，所述卫星定位模块41包括GPS模块和/或北斗模块中至少一者。所述终端处理器6为STM32F105VCT6。所述移动终端为手机。所述车辆管理终端还包括：数据协议转换芯片7、无钥匙启动控制模块1和4G联网模块3。所述数据协议转换芯片7为STM8S103F。所述4G联网模块3为移远EC20FAG。所述陀螺仪传感器42设于目标车辆上，用于采集所述目标车辆的姿态角和三轴加速度。

所述车辆数据采集模块2设于所述目标车辆上，用于采集所述目标车辆的运行速度，以确定车辆的运行方向。

所述卫星定位模块41设于所述目标车辆上，所述卫星定位模块41分别与所述陀螺仪传感器42和所述车辆数据采集模块2连接，所述卫星定位模块41用于采集所述目标车辆的位置坐标，并采用实施例1所述的定位方法确定所述目标车辆在当前采样时刻的位置坐标。

所述终端处理器6分别与所述卫星定位模块41和蓝牙通讯模块5连接，所述移动终端内置地图，所述移动终端与所述卫星定位模块41通过所述蓝牙通讯模块5连接，所述终端处理器6用于控制所述蓝牙通讯模块5将所述卫星定位模块41输出的所述目标车辆的位置坐标发送给所述移动终端。

无钥匙启动控制模块1通过GPIO与终端处理器6连接，车辆数据采集模块2通过CANH、CANL及两个IO口与终端处理器6连接，4G联网模块3通过一路串口与终端处理器6连接，惯性导航模块4的串口TXD与终端处理器6的RXD连接，蓝牙通讯模块5通过一路串口与终端处理器6连接，终端处理器6的一路串口TXD与数据协议转换芯片7连接，数据协议转换芯片7的一路串口TXD与惯性导航模块4的串口RXD连接。惯性导航模块4内部，陀螺仪传感器42是通过IIC接口与GPS定位模块或北斗定位模块进行通讯，大气压传感器通过IIC与GPS定位模块或北斗定位模块进行通讯。

车辆数据采集部分利用车内的总线进行数据采集。这样就可以根据该车型的协议、通讯协议等把车辆的当前状态进行解析并在车载终端内部进行租赁逻辑判断和控制。

高精度定位部分是通过惯性导航模块4实现的。车载终端获取整车报文，并根据车辆通讯协议提取出当前车辆的档位、车速及陀螺仪数据信息，再通过串口把上述信息转发给数据协议转换芯片7，数据协议转换芯片7再将其发送到惯性导航模块4。惯性导航模块4中的卫星定位模块41结合车速、档位、车辆姿态数据、加速度和大气压强等信息，通过本发明提供的算法计算出车辆在无卫星定位信号时的轨迹，并折算成经纬度。通过串口把经纬度传送到后台，这样就可以取得精准的地图位置信息。

车载终端和手机通讯部分是通过串口与终端处理器6连接。终端处理器6可以通过串口与手机连接，也可控制广播、休眠等模式。数据协议转换芯片7通过串口把已经经过自定义协议转换过的终端高精度的经纬度信息、车辆状态信息发送到目标手机上。手机也可以通过APP把控制信息发送车载终端，并由车载终端执行操作。

采用本发明提供的一种车辆管理终端对分时租赁车辆进行管理的具体过程如下:

1、当车辆未进入隧道、地下停车场等信号较差的地方时，手机可以通过内置GPS/北斗模块进行高精度定位，得出车辆所处经纬度(longitude，latitude)，结合时刻信息及地图，可实现手机APP精确导航；同时，车载终端依靠自身惯性导航模块可计算出车辆实时运动轨迹。

2、当车辆开始进入隧道、地下停车场等信号较差的地方时，获取GPS/北斗定位信号强度，当手机检测到GPS/北斗定位信号小于阈值时，此时，管理终端中的GPS-陀螺仪高精度定位模块被使能，开始接受车载终端发送的高精度定位信息；

3、当车辆完全进入隧道、地下停车场等无卫星定位信号的区域，车载终端辅助手机定位导航。车载终端利用上一时刻位置信息，通过车辆数据采集模块获取实时车速、通过陀螺仪传感器获取车辆横摆、侧倾及俯仰角速度等参数，所有信号传输至卫星定位模块中进行计算，可计算出实时位置信息。具体包括：

(1)坐标变换部分：

第一步：从陀螺仪传感器中获取车辆侧倾角、航向角和俯仰角；

第二步：将第一步中的信号通过IIC传输方式传输至卫星定位模块，通过姿态四元数与欧拉角之间的转换关系计算坐标变换矩阵R，同时车辆数据采集模块的数据如用于判断车辆前进或倒退方向的挡位信息，由终端处理器和数据协议转换芯片传至惯性导航模块，采用公式(1)-(4)可得到坐标变换矩阵；

第三步：根据公式(5)，利用坐标变换矩阵R进行坐标变换；

sinθ＝2(q₂q₃+q₁q₀) (1)

[r₁]^T＝R[r]^T (5)

其中，r为载体坐标系下的矢量，r₁为r在导航坐标系下的对应矢量，R为坐标变换矩阵，q₀、q₁、q₂、q₃分别是四元数，γ、ψ、θ分别为车辆的侧倾角、航向角、俯仰角。

(2)位置计算部分

第一步：由陀螺仪传感器可以采集到车辆的三轴加速度，经欧拉姿态转换矩阵C可将载体坐标下的加速度a₁转换为导航坐标系的加速度a₂。对a₂进行积分可得到三轴速度从惯性导航模块获取上一采样时刻t的位置坐标

第二步：将步第一步中的信号通过IIC传递至卫星导航模块，并根据公式(6)-(8)计算(t+Δt)时刻的位置：

[a₂]＝C[a₁] (6)

其中，为加速度积分出的三轴速度，Δt为采样时间，为初始位置，为(t+Δt)时刻的位置。

第三步：计算出新的位置后，终端处理器通过控制蓝牙通讯模块将车载终端中的位置共享给手机，手机接收到定位信息，按照协议标准进行解析，结合手机内置的高精度APP实现隧道、地下停车场等地方的导航。

本发明提供的车辆管理终端在定位采集方面包含了常规的GPS加北斗定位方式，还加入了车辆本身的档位、车速以及姿态采集，这样在有卫星定位信号时，可以通过模块内置的算法对车速、加速度、方向角、海拔高度转换出的轨迹进行校准。无定位卫星信号或定位信号较弱时，也能通过采集数据与定位算法准确地描绘出精准的轨迹。将上述轨迹通过算法转换成标准GPS NMEA-0183协议格式，再发到手机里，手机地图同样在没有定位卫星信号的地方也可以利用高精度定位信息实现精准导航。车载终端实时向手机发送定位信息，在手机自身定位和通讯信号良好，满足手机定位需求时，手机采用自身卫星定位信息进行定位。在定位信号较弱的导航情况下，当手机无法得到高精度定位数据时，车载终端通过采集车速、陀螺仪采集的实时车身姿态数据和加速度等，通过车辆动力学及相应多源异构数据算法计算出其高精度定位信息，并通过蓝牙通讯模块将其发送至手机，通过手机将高精度定位信息共享给地图，从而实现地下停车场、隧道等情况下的导航功能。当车辆行驶至信号良好的区域时，车载终端不再向手机发送高精度定位信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。