通常，例如飞机、轮船、路面交通工具等的交通工具均安装有用于定位 交通工具并提供目的地路线的导航系统(navigation system)。为了定位交通 工具并提供去往目的地的路线，导航系统必须精确地确定该交通工具的位置。
因此，导航系统通常包括用于确定其自身位置的测量装置。所述测量装 置可以利用外部设备或利用内部传感器确定位置。外部设备的一个例子为 GPS(全球定位系统)，而内部传感器的一个例子为利用惯性传感器(inertial sensor)的DR(航位推算法)(Dead Reckoning)系统。
所述利用惯性传感器的DR系统或惯性导航系统(INS)是由美国麻省理 工学院(MIT)于上世纪五十年代早期首先开发并且于上世纪六十年代投入 使用的一种导航系统。所述INS利用用于检测旋转的陀螺仪(gyroscope)和 用于检测线性运动的加速度计来计算交通工具的速度和位置。
INS的基本操作原理可以总结如下。所述INS首先通过对从陀螺仪输出 的角速度进行积分来计算交通工具的交通工具方向(夹角)，补偿用于重力加 速度的加速器的输出，并且对补偿后的加速器输出进行积分。随后，所述INS 自发地计算交通工具的当前速度和位置。在所述INS有利地提供精确且连续 的短期导航数据的同时，由于积分使错误随着时间的过去而积累。因此，需 要非常昂贵的精确的陀螺仪和加速器来实现INS。为保证更高的精确性和长 时间稳定性，所述INS通常与诸如磁罗盘的非惯性辅助传感器(non-inertial auxiliary sensor)和GPS一同使用，而非单独使用。
如上所述，通过结合来自加速器的速度信息和来自陀螺仪的交通工具方 向信息来计算交通工具的速度。三维空间中的交通工具的速度的精确计算需 要三个相互垂直放置的单轴(one-axis)陀螺仪和三个也相互垂直放置的单轴 加速器。然而，交通工具速度可以根据交通工具的类型利用少量传感器来获 得。例如，对于路面交通工具，因为连接路面交通工具的头尾的轴的滚动以 及其在与路面垂直的方向上的线性运动是可以忽略的，所以用于检测滚动和 线性运动的许多传感器可以被省去。
为了计算路面上行驶的交通工具的速度矢量，具有惯性传感器的DR系 统必须测量交通工具的方向以及在移动方向上的交通工具的速度。需要与交 通工具轴平面垂直的轴上的陀螺仪来测量交通工具的方向。同样，为了测量 交通工具沿着移动方向上的速度，除了利用安装在交通工具轴方向的加速器 之外路面的倾斜角度必须被测量。
在计算DR系统中交通工具的速度矢量中测量路面倾斜角度的原因是为 了根据路面倾斜角度计算包含在加速器输出中的重力加速度。即，由于重力 加速度被加载在与椭圆地面(与重力加速度垂直的球体的表面)垂直的方向 上，如果由于路面倾斜角度的改变，安装在交通工具的预定方向上的加速器 的轴的方向改变了，则加速器输出中的重力加速度分量也改变了。因此，仅 当随着路面倾斜角度变化的重力加速度分量从加速器输出中去除时，才可以 获得纯粹的交通工具的运动加速度。然而，因为没有路面倾斜角度信息不能 区分出运动方向上的运动加速度和重力加速度分量，所以在测量运动终端的 速度中包括了重力加速度分量的错误。
图1描述了用于重力的交通工具加速器输出的补偿。参考图1，路面倾 斜角度被定义为与垂直于重力加速度(±g)方向的平面10的夹角。在图1中， 所述路面倾斜夹角为在重力加速度方向±g平面10和交通工具30运动的方向 的延伸平面20之间的夹角θ。
因为交通工具30在与和重力加速度方向±g正交的平面10的夹角为θ的 平面20上运动，来自交通工具30中的加速器的测量值(measurement)由 公式(1)确定。
$\overrightarrow{a}=\overrightarrow{r}\overrightarrow{a}+\overrightarrow{g}············\left(1\right)$
所述分量包括实际的加速度分量和重力加速度分量这个重力加 速度为速度测量中的错误因子(error factor)，所述重力加速度与实际速度 中的偏差一同被测量。
因此，所述交通工具DR系统必须从加速度测量值中减去重力加速度 以测量精确的交通工具的速度，并且需要路面倾斜角度以测量重力加速度 为此，所述DR系统必须额外安装陀螺仪或倾角仪(clinometer)。
传统地，陀螺仪负责测量路面倾斜角度。因此，所述交通工具DR系统 使用两个或多个陀螺仪：一个用于切断交通工具的方向，另一个用于计算路 面倾斜角度。因为所述陀螺仪基本是用于测量偏差的传感器，所以利用陀螺 仪测量路面倾斜角度的交通工具DR系统将陀螺仪的输出进行积分以获得路 面倾斜角度。因此，陀螺仪的误差分量(error component)在积分的过程中被 积分，从而在估计路面倾斜角度中随时间累积误差。
因此，为计算路面倾斜角度，不单独使用陀螺仪而是与辅助传感器结合 使用，能够无误差累积。虽然可以采用诸如倾角仪的传感器以计算精确的路 面倾斜角度，但是现存的加速器通常被用作辅助传感器以最小化使用的传感 器的数量。
图2示出了在通常系统中从加速器的输出中测量重力分量的操作。参考 图2，通常的系统通过使包含重力加速度分量(a)和实际加速度分量(b)的 加速器的输出通过低通滤波器(LPF)40来测量相对低频率重力加速度分量 (a)，并且利用所述重力加速度分量(a)计算路面倾斜角度。
尽管具有在路面倾斜角度信息中没有错误积累的优点，但是这种方法对 于加速器的性能非常敏感并对倾斜角度的改变不敏感。此外，利用低截止频 率以分离重力分量将产生时延。
如上所述，因为路面倾斜角度不能仅使用加速器计算，所以通常的交通 工具DR系统使用用于估计路面倾斜角度的额外的陀螺仪。然而，DR系统中 的额外昂贵的陀螺仪使得低价DR速度测量装置成为不可能。

本发明的目的就是至少基本上解决上述问题和/或不足并且至少提供如 下的优点。因此，本发明的目的是提供一种利用加速器和道路导航信息(RGI) 数据实现低价的航位推算法(DR)速度测量装置的设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种利用包含在RGI数据中的轮廓点(shape points)计算交通工具行驶路面的倾斜角度，并且利用路面倾斜角度测量包含 在交通工具加速度分量中的重力加速度分量的设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种利用加速器和RGI数据测量重力加速度分 量并且利用重力加速度分量测量交通工具的速度的设备和方法。
通过提供测量交通工具速度的方法和设备达到上述目的。根据本发明的 一个方面，在测量交通工具速度的方法中，存储来自加速器的加速度测量值 和来自于外部信息服务器的RGI数据，并且确定加速器的不规则常数。通过 分析加速度测量值来确定交通工具是否处于静止状态。如果交通工具没有处 于静止状态，则利用包含在RGI数据中的多个三维轮廓点计算交通工具行驶 的道路的倾斜角度。利用道路倾斜角度补偿加速度测量值的重力加速度分量。 利用补偿后的加速度测量值计算交通工具的速度。
根据本发明的另一方面，在测量交通工具速度的设备中，加速度测量器 通过安装于交通工具上的加速器测量交通工具的当前加速度；加速度存储器 根据测量时间存储来自加速度测量器的加速度测量值；重力加速度补偿器利 用包含在从外部服务器接收的RGI数据中的多个三维轮廓点计算交通工具行 驶的路面的倾斜角度，并且利用路面倾斜角度补偿加速度测量值中的重力加 速度分量；以及速度计算器利用补偿后的加速度测量值计算交通工具的速度。
附图说明
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其 他目的、特性和优点将会变得更加清楚，在其中：
图1示出了用于重力的加速器输出补偿的示意图；
图2示出了根据通常方法从加速器输出中测量重力分量的操作的示意 图；
图3示出了利用有关加速器信息用于重力的加速器输出的补偿的示意 图；
图4示出了本发明的导航系统的结构示意图；
图5示出了本发明的导航系统中的用于道路导航的信号流示意图；
图6示出了本发明的导航系统中为道路导航而发送的道路导航信息 (RGI)数据的格式的示意图；
图7示出了根据本发明的包含在RGI数据中的轮廓点图形；
图8描述了根据本发明的实施例利用轮廓点的路面倾斜角度的计算；
图9示出了根据本发明的实施例测量交通工具速度的方法的流程图；
图10示出了根据本发明的实施例测量交通工具速度的设备的方框图；
图11示出了应用根据本发明实施例的速度测量设备的交通工具导航系 统中的当前位置检测器(present position detector)的方框图。

通过借助附图在下文中将描述本发明的优选实施例。在以下描述中，将 不详细描述众所周知的功能或结构，因为不必要的细节将导致本发明的介绍 含混不清。
图3描述了利用加速器信息补偿在加速器输出中的重力的原理。参考图 3，如果交通工具装有加速器，则可以知道重力加速度对加速器中测量的沿着 交通工具运动方向的加速度的影响。当所述交通工具30行驶在与平面10成 θ角度的道路上时，所述平面10与重力加速度方向±g垂直，在加速器中测量 的加速度包含重力加速度因此，为了测量交通工具30的速度，必须从 加速度中消除所述重力加速度分量为此目的，必须获得路面倾斜角度信 息(knowledge)。
典型的导航系统包括一台服务器和一个终端。所述服务器将RGI数据发 送给安装在交通工具的终端，并且所述终端根据RGI数据向用户提供道路导 航服务。所述RGI数据包括交通工具行驶的道路的坐标。
本发明涉及一种通过利用包括在RGI数据中的道路的坐标测量交通工具 正在行驶的道路的倾斜角度，通过利用路面倾斜角度补偿加速器的加速度测 量值中的重力加速度分量，从而精确地测量交通工具速度的方法和设备。所 述导航系统将在下文中描述。
图4示出了导航系统的结构示意图。参考图4，所述导航系统包括：GPS 卫星100；用于与无线网络400通信的移动终端300；导航终端200，用于与 GPS卫星100和移动终端300交换信息，以便向司机提供有关当前位置和交 通工具行驶的信息；以及连接于无线网络400的信息中心500，用于向导航 终端200提供道路导航所需的信息。例如，在图4中，所述导航终端200和 移动终端300安装在交通工具上。
图5示出了导航系统中的用于道路导航的信号流的示意图。参考图5， 如果在步骤S305中，导航终端200发送关于交通工具的当前位置的信息，则 在步骤S310中，所述移动终端300将向信息中心500发送当前位置信息和例 如由司机输入的目的地信息，请求从当前位置到目的地的道路。在步骤S315 中，所述信息中心500根据目的地和当前位置信息计算道路，并且在步骤S320 中产生相应于计算出的道路的RGI数据。然后在步骤S325和S330中，所述 信息中心500通过移动终端300向导航终端200发送RGI数据。在步骤S335 中，所述导航终端200根据RGI数据向司机提供道路导航服务。
图6示出了在步骤S325和S330发送的用于道路导航的RGI数据的格式。 如参考字符(a)标注的，所述RGI数据格式包括：用于存储首标(header) 信息的首标字段(field)、用于存储与预定区域相关的位置信息的节点数据字 段、以及用于存储用于预定区域的道路导航信息的导航数据字段。所述节点 数据字段包括区域信息(Area Info)字段和该区域的节点信息字段#1至#n， 如参考字符(b)所示。每个节点信息包括轮廓点数量字段、轮廓点字段 (ShapePoint field)、导航数据标志(Guide Data Flag)字段以及导航数据字段， 如参考字符(c)所示。所述轮廓点字段包括预定点的坐标(x，y，z)，如参考字 符(d)所示。根据本发明，利用所述轮廓点字段来补偿加速度测量值中的重 力加速度分量。
图7概念性的地示出包含在RGI数据中的轮廓点。参考图7，在x-y平 面和z轴之间存在多个轮廓点。在图7中所描述的轮廓点是利用x-y平面获 得的倾斜角度的符号(sign)和沿着z轴方向的高度信息被改变，或是倾斜角 度超过阈值的点。例如，假设x-y平面为地平面(earth’s surface)。随后，所 述z轴代表高度。因此，轮廓点是上坡路面(ascending road)开始下降，反 之亦然，或道路倾斜剧烈变化的点。所述轮廓点通常从三维空间照片数据 (three-dimensional aerial photograph data)得出。
图8描述了根据本发明的实施例利用轮廓点计算路面倾斜角度的原理。 如图6所示，所述轮廓点包含在RGI数据中。在图7中所描述的轮廓点在图 8中以三维方式示出。
用P2表示交通工具运动方向中的一个坐标为(x2，y2，z2)的轮廓点(第 二轮廓点)，并且用P1表示坐标为(x1，y1，z1)的在前轮廓点(第一轮廓点)。 那么根据公式2计算d(x，y)：
$d(x,y)=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}·········\left(2\right)$
并且根据公式3计算dz：
dz＝z2-z1………(3)
因此，根据公式(4)确定路面倾斜角度θ：
$\tan \theta =\frac{\mathrm{dz}}{d(x,y)}$
$=\frac{(z_2-z_1)}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}$
$\theta =\arctan \left(\frac{(z_2-z_1)}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}\right)·········\left(4\right)$
公式(4)用于在z2≥z1时计算θ。如果z2＜z1时，根据公式5得θ为
$\theta =-\arctan \left(\frac{(z_2-z_1)}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}\right)·········\left(5\right)$
图9示出了根据本发明的实施例测量交通工具速度的方法流程图。根据 速度测量方法，计算交通工具行驶的道路的倾斜角度，利用路面倾斜角度补 偿从加速器中得到测量数据的重力加速度分量，并且利用补偿的测量数据测 量交通工具的速度。
参考图9，在步骤S105中，本发明的交通工具速度测量设备存储从加速 器接收的测量数据。典型的加速器的测量数据根据公式(6)表述如下：
f＝A+G+B＝acosα+gsin(α+θ)+B    ………(6)
其中，f是来自加速器的测量数据时，a为交通工具的实际加速度，g为 重力加速度，并且B为加速器为静止状态(stationary state)时的不规则常数。 所述不规则常数被定义为每次系统电源电压被施加时变化的常数。该常数对 于每个传感器都不同。一旦设置了不规则常数，则其保持不变直到下一个电 源电压的施加时。在本发明中，根据经验(empirically)或根据计算而获得不 规则常数。获得B的过程在这不再描述。
在步骤S110中，所述速度测量设备通过将来自加速器的在前测量数据 fpre和当前测量数据fc进行比较来确定交通工具是否处于静止状态。如果fc等 于fpre，则速度测量设备认为交通工具处于静止状态。
然而，可能会出现由于加速器中的传感器错误或环境因素，使得虽然交 通工具在运动，但是fc和fpre瞬间相等的情况。在交通工具匀速运动时，他们 也相等。
为了避免上述错误的确定交通工具在静止状态，更好的执行步骤S115 和S120以确定交通工具实际上是否处于静止状态。在步骤S110中，如果fc 等于fpre，则在步骤S115中速度测量设备计数fc等于fpre连续发生的次数Sk， 并且在步骤S120中比较Sk与预定阈值Sth。仅当Sk大于Sth时，速度测量设 备才认为交通工具实际上处于静止状态。如果Sk小于或等于Sth时，所述速 度测量设备认为交通工具实际上不处于静止状态。特别地，当交通工具以匀 速运动时，由于道路表面的状态、周围温度的变化以及路面倾斜角度的变化， Sk不能达到Sth。因此，步骤S115和S120避免了交通工具的匀速运动被误认 为交通工具处于静止状态。
如果在步骤S110至S120中证实了交通工具实际上处于静止状态，则在 步骤S125中所述速度测量设备将Sk设置为初始值“0”并且在步骤S130中确 定交通工具的速度为“0”。
如果在步骤S110中确定交通工具未处于静止状态，即交通工具在运动， 则在步骤S135中速度测量设备将Sk设置为初始值“0”，并且在步骤S140中 根据从导航系统中的服务器接收的RGI数据来确定交通工具的当前位置。即， 速度测量设备通过将交通工具的当前位置投入(project)到RGI数据中确定 RGI数据上的交通工具当前位置。在步骤S145中，所述速度测量设备确定 RGI数据上的交通工具的当前位置P(t)是否与包含在RGI数据中的轮廓点S(t) 相匹配。
如果P(t)与S(t)相匹配，则在步骤S150中，利用轮廓点S(t)和前一轮廓 点S(t-1)的(x，y，z)坐标来计算路面倾斜角度。即，计算在S(t)和S(t-1)之间的 路面倾斜角度。换言之，如果P(t)不与任何轮廓点匹配，则在步骤S155中， 利用当前位置P(t)的左侧和右侧轮廓点Sleft和Sright的(x，y，z)坐标来计算路面 倾斜角度。即，在P(t)的左侧轮廓点Sleft和右侧轮廓点Sright之间的路面倾斜 角度。在前已经参考图8描述过了在轮廓点之间的路面倾斜角度是怎么样的。 即，轮廓点之间的路面倾斜角度θ通过将其坐标代入公式(4)或公式(5)而计算 得出。
为了计算路面倾斜角度，速度测量设备必须从导航系统中的服务器接收 RGI数据，尽管未示出RGI接收步骤。
在步骤S150或S155之后，在步骤S160中，速度测量设备利用路面倾 斜角度和根据经验或计算获得的加速器的不规则常数B而补偿加速器测量数 据f中的重力加速度分量。
为了补偿重力加速度分量，首先从f中减去B，结果为差因此，从 公式(6)，根据公式(7)，表示如下：
$f-B=\hat{f}=a\cos \alpha +g\sin (\alpha +\theta )·········\left(7\right)$
在步骤S150或S155中计算路面倾斜角度θ，并且已知加速器安装的角 度α。因此，通过将α和θ代入公式(7)和进行cosα变换，补偿来自加速器 的测量数据中的重力加速度分量。根据公式(8)给出了补偿测量数据中的重力 加速度分量的公式：
$a\cos \alpha =\hat{f}-g\sin (\alpha +\theta )·········\left(8\right)$
在步骤S165中，根据从公式(8)得出的公式(9)计算交通工具的实际加速 度a。
$a=\frac{\hat{f}-g\sin (\alpha +\theta )}{\cos \alpha }·········\left(9\right)$
在步骤S170中，根据公式(10)通过将加速度a积分而计算交通工具的速 度V。
V＝∫adt  ………(10)
图10示出根据本发明的实施例的速度测量设备的方框图。参考图10， 速度测量设备100包括：加速器测量器110、加速器存储器120、重力加速度 补偿器130、以及速度计算器140。加速度测量器110通过安装于交通工具的 加速器测量交通工具的当前加速度。加速度存储器120存储从速度测量器110 中接收到的测量数据。
所述重力加速度补偿器130补偿测量数据中的重力加速度。即，重力加 速度补偿器130利用从导航系统中的服务器接收到的RGI数据计算交通工具 行驶的道路的倾斜角度θ；利用路面倾斜角度θ计算包含在测量数据中的重力 加速度分量；并且补偿测量数据中的重力加速度分量。换言之，重力加速度 分量被从测量数据中去除。
所述速度计算器140利用从重力加速度补偿器130接收到的交通工具的 实际加速度值来计算交通工具的速度。所述重力加速度补偿器130和速度计 算器140如图9中所示工作。特别地，在公式(10)中描述了利用其加速度计算 交通工具的速度的方法。
图11是施加了速度测量设备100(在此，相当于速度测量器)的交通工具 导航系统的本位置测量器的方框图。参考图11，交通工具导航系统包括：速 度测量器100、航向测量器200、和位置测量器300。位置测量器300从速度 测量器100接收有关交通工具速度的信息以及从航向测量器200接收有关交 通工具方向的信息。基于接收的信息，位置测量器300准确地计算交通工具 的当前位置。
根据如上所述的本发明，利用包含在RGI数据中的三维空间的两个轮廓 点计算交通工具运动的道路的倾斜角度，并且利用导航系统中的路面倾斜角 度补偿来自加速器的测量数据中的重力加速度分量。因此，可以利用减少数 量的陀螺仪实现交通工具速度测量设备并且因此减少费用。
尽管本发明是参照其特定的优选实施例来描述的，但本领域的技术人员 应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下， 可以对其进行形式和细节的各种修改。