本發(fā)明涉及汽車慣性導(dǎo)航，其具體涉及一種車載九軸陀螺儀。

背景技術(shù)：

1、隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是自動駕駛和自主導(dǎo)航技術(shù)的不斷革新，對車輛的安全性、穩(wěn)定性和導(dǎo)航精度提出了前所未有的高要求。傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴全球定位系統(tǒng)(gps)來實(shí)現(xiàn)車輛的定位與導(dǎo)航，然而，gps信號在隧道、高樓密集區(qū)、地下停車場等特定環(huán)境下容易丟失或變得不穩(wěn)定，這極大地限制了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用范圍。

2、為了滿足汽車行業(yè)對高精度導(dǎo)航和安全性日益增長的需求，車載傳感器技術(shù)得到了顯著的發(fā)展。其中，九軸陀螺儀作為一種集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁儀的高精度傳感器，憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用潛力，逐漸成為現(xiàn)代汽車不可或缺的重要組成部分。

3、九軸陀螺儀能夠?qū)崟r、精確地測量車輛的角速度、姿態(tài)以及加速度等多維度信息。通過先進(jìn)的多傳感器融合算法，如卡爾曼濾波、互補(bǔ)濾波等，它能夠有效地整合這些數(shù)據(jù)信息，實(shí)時監(jiān)控車輛的加速、減速、車速、航向等關(guān)鍵參數(shù)。這種高精度的數(shù)據(jù)融合不僅為車輛的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供了可靠的基礎(chǔ)，還在gps信號缺失或弱化的環(huán)境下，為車輛提供了連續(xù)、穩(wěn)定的導(dǎo)航信息，極大地提升了導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性和適用性。

4、尤為重要的是，九軸陀螺儀的小型化設(shè)計和高集成度使得其能夠輕松嵌入到車輛的各種電子設(shè)備中，而不占用過多空間。同時，其高精度的測量能力使得車輛能夠?qū)崟r計算并更新自身的三軸加速度、三軸角速度、三軸歐拉角、三軸地磁角和四元數(shù)等關(guān)鍵動態(tài)狀態(tài)信息，為車輛的穩(wěn)定控制和安全駕駛提供了強(qiáng)有力的支持。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的九軸陀螺儀仍存在一些問題和缺點(diǎn)，如導(dǎo)航系統(tǒng)信號不穩(wěn)定、路況監(jiān)測精度不足、安全事故預(yù)警不及時以及車身姿態(tài)監(jiān)測精度不夠等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種車載九軸陀螺儀，通過集成三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁儀，九軸陀螺儀能夠提供更加精確的車輛動態(tài)信息，尤其是在傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)信號不穩(wěn)定或丟失的情況下，其核心優(yōu)勢是通過多傳感器融合技術(shù)，實(shí)時跟蹤并推算出車輛的準(zhǔn)確航向、速度、加速度及姿態(tài)，從而保障在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠導(dǎo)航。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

3、一種車載九軸陀螺儀，包括：

4、九軸傳感器單元：用于監(jiān)測車輛的角速度、加速度和方向信息，九軸傳感器單元包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸地磁儀，九軸傳感器單元通過a/d轉(zhuǎn)換器與控制芯片電性連接，用于將監(jiān)測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；其中，三軸加速度計用于測量物體在x、y、z三個軸向的線性加速度，通過檢測傳感器在三個軸向上所受的力，結(jié)合時間積分，推算出物體的即時速度和相對位移；三軸陀螺儀則用于測量物體繞三個軸的角速度，直接反映物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和角加速度，獲取物體在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)信息；三軸地磁儀用于檢測地球磁場在x、y、z三個方向上的磁場分量，通過三維坐標(biāo)系中的向量運(yùn)算計算出磁場相對于傳感器的多個地磁角；

5、控制芯片：用于接收并處理來自九軸傳感器單元的電信號，執(zhí)行慣導(dǎo)算法，分析車輛的相對位置和運(yùn)動狀態(tài)；

6、通信模塊：用于與控制芯片連接，實(shí)現(xiàn)車輛與外界的雙向通信，以及用于接收整車車速、加速度信號，并結(jié)合九軸陀螺儀傳感器對車輛進(jìn)行定位；

7、電源管理單元：用于管理車載九軸陀螺儀的電源供應(yīng)，包括電池和電源管理芯片，電源管理芯片與控制芯片連接，用于管理終端的激活與休眠，同時在充電狀態(tài)時向控制芯片反饋當(dāng)前狀態(tài)，控制芯片再對傳感器和通信模塊進(jìn)行校準(zhǔn)；

8、輸入/輸出單元：包括觸摸屏或具有指示燈的按鍵面板，用于接收用戶輸入的控制命令，并將控制芯片的反饋輸出至用戶。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，在使用車載九軸陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，包括：采集實(shí)時的三軸加速度、三軸角速度以及三軸地磁數(shù)據(jù)，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；應(yīng)用低通濾波器對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)濾除高頻噪聲，使用加權(quán)平均技術(shù)對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)估計。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，應(yīng)用卡爾曼濾波模塊接收數(shù)據(jù)處理后的三軸加速度(ax,ay,az)、三軸角速度(wx,wy,wz)和三軸地磁數(shù)據(jù)(mx,my,mz)作為輸入，通過結(jié)合基于已知運(yùn)動模型的預(yù)測和基于傳感器測量值的觀測，不斷更新并優(yōu)化系統(tǒng)的狀態(tài)估計；將經(jīng)過卡爾曼濾波處理后的加速度、角速度以及地磁數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過九軸融合算法進(jìn)行融合，并采用四元數(shù)表示法，根據(jù)融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算物體的姿態(tài)信息；在得到四元數(shù)表示的姿態(tài)信息后，進(jìn)一步解算出三軸歐拉角，為車輛的姿態(tài)監(jiān)測和智能駕駛系統(tǒng)提供姿態(tài)數(shù)據(jù)。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，卡爾曼濾波處理模塊在進(jìn)行狀態(tài)估計時，具體步驟包括：

12、初始化階段：設(shè)定系統(tǒng)的初始狀態(tài)估計和初始誤差協(xié)方差；

13、預(yù)測階段：根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)模型，使用前一時刻的狀態(tài)估計和已知運(yùn)動模型，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和控制輸入矩陣，預(yù)測當(dāng)前時刻的狀態(tài)和誤差協(xié)方差；

14、測量更新階段：根據(jù)當(dāng)前時刻的傳感器測量值，計算測量殘差，并通過卡爾曼增益矩陣，將測量值融合到預(yù)測狀態(tài)中，從而得到當(dāng)前時刻的最優(yōu)狀態(tài)估計；

15、協(xié)方差更新階段：根據(jù)更新后的狀態(tài)估計和卡爾曼增益矩陣，更新誤差協(xié)方差，以反映更新后的狀態(tài)估計的不確定性；

16、迭代處理：重復(fù)預(yù)測階段至協(xié)方差更新階段，直至達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)或滿足收斂條件，從而得到最終的狀態(tài)估計。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，將經(jīng)過卡爾曼濾波處理后的加速度、角速度以及地磁數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過九軸融合算法進(jìn)行融合，包括：

18、對接收到的三軸加速度數(shù)據(jù)(ax,ay,az)、三軸角速度數(shù)據(jù)(wx,wy,wz)和三軸地磁數(shù)據(jù)(mx,my,mz)分別進(jìn)行卡爾曼濾波處理，以去除噪聲和誤差，得到濾波后的加速度數(shù)據(jù)(ax_f,ay_f,az_f)、角速度數(shù)據(jù)(wx_f,wy_f,wz_f)和地磁數(shù)據(jù)(mx_f,my_f,mz_f)；

19、定義狀態(tài)向量，該向量包含表示物體姿態(tài)的四元數(shù)(q0,q1,q2,q3)，使用陀螺儀濾波后的角速度數(shù)據(jù)(wx_f,wy_f,wz_f)作為控制輸入，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程預(yù)測下一時刻的狀態(tài)向量；

20、構(gòu)建觀測模型，該模型將加速度計濾波后的數(shù)據(jù)(ax_f,ay_f,az_f)和磁力計濾波后的數(shù)據(jù)(mx_f,my_f,mz_f)與狀態(tài)向量相關(guān)聯(lián)；

21、使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，將預(yù)測的狀態(tài)向量與通過觀測模型得到的觀測值進(jìn)行融合；在融合過程中，利用加速度計和磁力計的數(shù)據(jù)來校正由陀螺儀積分得到的姿態(tài)估計；

22、從融合后的狀態(tài)向量中提取四元數(shù)(q0,q1,q2,q3)，并通過四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換公式，計算出物體的三軸歐拉角，包括航向角、俯仰角、橫滾角；

23、輸出融合后的姿態(tài)信息，包括三軸歐拉角和/或四元數(shù)表示的姿態(tài)。

24、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，九軸傳感器單元還包括用于監(jiān)測終端與整車局部位置碰撞產(chǎn)生的反向加速度的傳感器，當(dāng)監(jiān)測到碰撞產(chǎn)生的反向加速度時，激活終端，并持續(xù)進(jìn)行慣導(dǎo)算法，分析終端的相對位置；其中，終端是接收并處理車載九軸陀螺儀數(shù)據(jù)的設(shè)備或系統(tǒng)。

25、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，控制芯片還包括定位觸發(fā)源，當(dāng)監(jiān)測到傳感器發(fā)生位移時，激活藍(lán)牙收發(fā)器接收產(chǎn)生位移的藍(lán)牙信號，測出整車中發(fā)生位移位置的藍(lán)牙信標(biāo)的接收的信號強(qiáng)度指示rssi值，利用傳感器的陀螺儀慣導(dǎo)定位終端在整車內(nèi)的位置。

26、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，實(shí)時監(jiān)測終端的三軸加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測到碰撞產(chǎn)生的反向加速度時，在碰撞檢測到的瞬間，記錄當(dāng)前的加速度、角速度以及地磁數(shù)據(jù)作為慣性導(dǎo)航算法的初始狀態(tài)，激活終端內(nèi)置的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，即車載九軸陀螺儀，以碰撞檢測時的初始狀態(tài)為起點(diǎn)，開始連續(xù)采集加速度和角速度數(shù)據(jù)，并應(yīng)用慣性導(dǎo)航算法進(jìn)行姿態(tài)估計和位置更新；基于慣性導(dǎo)航算法輸出的連續(xù)姿態(tài)和速度信息，通過積分計算終端相對于碰撞發(fā)生點(diǎn)的三維相對位置，輸出終端的相對位置信息，如果終端的相對位置或運(yùn)動狀態(tài)超出預(yù)設(shè)的安全范圍或閾值，則觸發(fā)報警機(jī)制。

27、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，選擇低通濾波器作為信號處理工具，根據(jù)imu數(shù)據(jù)特性確定低通濾波器的類型；

28、設(shè)定濾波器的截止頻率，該截止頻率應(yīng)低于有效信號的最高頻率，且高于預(yù)期噪聲的最低頻率；

29、根據(jù)所選濾波器類型和截止頻率，計算并確定濾波器的具體參數(shù)，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入至配置好的低通濾波器中，進(jìn)行濾波處理，濾除高于截止頻率的高頻噪聲成分，輸出平滑且包含低頻有效動態(tài)信息的信號；

30、對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比濾波前后數(shù)據(jù)的頻譜特性、信噪比等指標(biāo)，評估濾波效果是否滿足預(yù)期要求。

31、根據(jù)本發(fā)明提供的一種車載九軸陀螺儀，使用加權(quán)平均技術(shù)對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：

32、在低通濾波處理后，獲取一系列經(jīng)過濾波的角速度和加速度數(shù)據(jù)；

33、設(shè)定一個加權(quán)平均的時間窗口，該窗口包含一定數(shù)量的最新數(shù)據(jù)點(diǎn)；

34、為時間窗口內(nèi)的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)分配一個權(quán)重值，該權(quán)重值根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集時間來確定，最新采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)被賦予最大的權(quán)重，而較早采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)則逐漸被賦予較小的權(quán)重；

35、計算加權(quán)平均值，即將時間窗口內(nèi)的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)乘以其對應(yīng)的權(quán)重值，然后將所有乘積相加，再除以權(quán)重值的總和，得到加權(quán)平均后的數(shù)據(jù)；

36、將加權(quán)平均處理后的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前時刻的角速度和加速度值，用于后續(xù)的姿態(tài)估計；

37、隨著新數(shù)據(jù)的不斷采集，更新時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)和對應(yīng)的權(quán)重值，重復(fù)執(zhí)行計算加權(quán)平均值的步驟，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的加權(quán)平均處理。

38、由此可見，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下顯著的有益效果：

39、1、本發(fā)明車載九軸陀螺儀集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁儀，能夠?qū)崟r、精確地測量車輛的角速度、姿態(tài)以及加速度等多維度信息。這種高精度的測量能力為車輛的導(dǎo)航、控制和安全性能提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

40、2、本發(fā)明車載九軸陀螺儀將多個傳感器集成在一個緊湊的單元中，實(shí)現(xiàn)了傳感器的小型化和輕量化。這種高集成度設(shè)計不僅減少了車輛電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

41、3、本發(fā)明車載九軸陀螺儀采用先進(jìn)的多傳感器融合算法，如卡爾曼濾波、互補(bǔ)濾波等，能夠有效地整合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的整體性能和精度。這種融合技術(shù)使得車輛在各種行駛條件下都能保持穩(wěn)定的導(dǎo)航和姿態(tài)控制。。

42、4、在gps信號丟失或弱化的環(huán)境下，本發(fā)明車載九軸陀螺儀能夠提供連續(xù)、穩(wěn)定的導(dǎo)航信息，通過結(jié)合加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r更新車輛的位置和姿態(tài)，確保導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。

43、5、本發(fā)明車載九軸陀螺儀能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛的姿態(tài)變化，及時預(yù)警駕駛員可能存在的翻車風(fēng)險。此外，在自動駕駛系統(tǒng)中，陀螺儀的精確監(jiān)測能力有助于提升駕駛系統(tǒng)的響應(yīng)速度和決策準(zhǔn)確性，確保駕駛過程中的安全性。

44、6、本發(fā)明通過精確監(jiān)測車輛的姿態(tài)和加速度變化，車載九軸陀螺儀能夠?yàn)轳{駛員提供更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的駕駛反饋。這種提升有助于駕駛員更好地掌握車輛動態(tài)，提高駕駛的舒適性和穩(wěn)定性。

45、下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。