深度研究文!教你如何改善汽車中的衛星導航體驗

深度研究文!教你如何改善汽車中的衛星導航體驗

▲如何改善汽車中的衛星導航體驗。(圖/翻攝自雷鋒網,下同)

【原文:《如何改善汽車中的衛星導航體驗?這裡有一個新方案》,作者:彭賽瓊,智慧機器人網編輯整理】

文、圖/雷鋒網

在汽車中使用「衛星導航」的上,我們都面臨挑戰。

無論是工廠安裝的設備還是後裝的設備,都有其局限性。有幾個值得我們思考,其中,最明顯的是,當駕駛者這些車穿過佈滿高樓大廈的城區時,導航的精度變得有限甚至很差。

在城市中,用戶通常會感受到導航系統的視線干擾和中斷,但城市反而是最需要精確、可靠的導航的地方。高層建築也可以反射全球定位導航系統(GNSS)的訊號,進一步弱化了訊號清晰度。

另一個常見的情況是,當車輛穿過隧道時,導航數據就會丟失,當車輛駛出時,通常需要一段時間才能重新定位到隧道外的正確位置。

不過,別擔心,在整個汽車市場,全球導航衛星系統已經開始有了創新。

最初只能在高端汽車中找到的汽車航位推算法(Automotive Dead Reckoning,ADR),將 GNSS 數據與從安裝在車身和車輪上的傳感器收集到的位置訊息相結合。

通過這種方式,使用簡單的航位推測技術,就可以計算出當前位置相對於上一次 GNSS 定位(fix)的距離。這要求車輛自身數據網絡​​集成度要足夠高,以便在製造車輛時能進行裝配。

UDR (Untethered Dead Reckoning 無聯機的航位推算法)是一種有望能夠提供比僅僅使用 GNSS 更好,又能接近 ADR 效果的辦法,這種辦法並不需要與車輛網絡連接起來。 UDR 通過將慣性傳感數據與 GNSS 數據結合起來推算——參見圖1。

微機電系統加速度計和微機電陀螺儀用於提供角度和加速的精確測量數據,這些數據又會與 GNSS 數據結合,在 GNSS 訊號被干擾或者失真時提供即時的定位修正。

通過記錄車輛最後的位置,例如在一個多層或地下停車場的位置,然後在車輛重新啟動的時候,能夠立即導航。下圖表示了在一個被高建築物包圍的一個區域中 UDR 的定位精度:

圖2的測試結果顯示出了 GNSS 和 UDR 兩中方案之間的精度差距。 UDR 方案中,在實驗車輛的擋風玻璃上安裝了一個天線。在這次實驗中, UDR 方案的定位精度是僅僅使用 GNSS 的 3 倍。

另一個實驗進一步說明 UDR 在訊號不良的條件下的能力。在該實驗中,天線是安裝的車底部的,就在儀錶盤的下方,測試結果如圖3。雖然其絕對位置的定位精度不如將天線安裝在擋風玻璃上,但 UDR 方案的精度仍然是僅用 GNSS 的 3 倍。僅僅用 GNSS 的結果則是慘不忍睹。

上述的兩個實驗中,都是用了 ublox 的 UDR 組件 NEO - M8U 。這一袖珍組件的尺寸僅為 12.2 x 16.0 x 2.4 mm ,包括了 3D 慣性傳感器。它能支持多重衛星系統的 GNSS ,能夠接收來自 GPS 、 GLONASS ,北斗和伽利略等系統的訊號。

另外的 UDR 組件, EVA - M8E ,則更小,它能夠提供相同的功能,但是為了獲取更高精度的訊息,需要額外安裝的陀螺儀和加速度計。

那些完全集成的 UDR 組件,例如 NEO - M8U ,能夠協助系統到到最高的定位精度。圖4顯示了 M8 的設計。可以看得出, M8 使用了一個斤耦合的卡爾曼濾波器,能夠將追踪精度的訊息反饋到 GNSS 組件中。

卡爾曼濾波器,也是一種線性二次估計算法,基於一系列的測量用來估計車輛的位置,並提供更精準的定位。通過這種方法,有可能是衡量了所有 GNSS 和傳感器訊號之後,再得出 3D 精度最高的結果。

當在城市林立的高樓之間導航時,從一個或兩個衛星中獲得的數據都能增加航位推算法的定位精度。而如果不用這種方法,定位精度將會非常差,甚至根本無法定位。

UDR 方案的另外一個重要的特點是,該方案能夠提供高刷新頻率的定位訊息,或者是實時的高導航率結果(HNR,High Navigation Rate)。當僅僅依賴於 GNSS 訊號時,位置的計算存在內部的長時間延遲。

大眾市場上典型的使用 GNSS 的系統,其最大的刷新頻率是 10 赫茲,每秒最多修正10次。在能夠獲得衛星訊號的時候,這樣的系統還能夠在反映汽車所在的區域。但UDR就不一樣了,它能夠將刷新頻率提高兩倍。到20赫茲,極大地提高導航率。

圖5說明了時延在兩種方案中對導航的影響程度。基於 V2X 基礎設施的防碰系統和車距保持的關鍵就是時延,時延越短越好。從圖中可以看出, UDR 的時延更短。為了在緊急情況下能夠迅速反應,短時延和高導航率對於 V2X 應用來說,是不可或缺的。

在 u – blox 的 NEO - M8U 和 EVA - M8E 的組件中,包含 3 軸陀螺儀、 3 軸加速度計和組件的溫度傳感器的原始數據將會以 100 赫茲的頻率進行更新。這些數據傳輸到了 UART 或者 I 2 C 兼容界面中,能夠用於描述駕駛員表現,在按里程付費保險應用或者事故重現上也會有用。

如果你有使用基於 UDR 的系統的打算,最好還是先仔細考察相關 UDR 組件的能力,以及有助於設計原型和加快進入市場的開發工具的能力。需要關注的重點包括他們能夠適應的溫度範圍,汽車質量標準認證,例如 AEC - Q100 ,以及是否符合如 ISO 16750 這類規定了上路汽車運行條件的標準。

製作初始的概念模型也需要一些評估套裝或者一些能夠馬上體驗的設計,例如測試不同的天線位置,評估不同的組件功能,並將 GNSS 和傳感器的表現用圖表表示出來。

無聯機的航位推算法提供了一種原來無法實現的基於汽車的導航方法。不論是在隧道、高樓林立的城市還是多層停車場裡行駛, UDR 都能提供持續的導航,並且不需要連接車輛自己的網絡。並且能夠在短時間的訊號中斷中持續導航。

【原文:《如何改善汽車中的衛星導航體驗?這裡有一個新方案》,作者:彭賽瓊,智慧機器人網編輯整理】

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