基于北斗的高精度定位車載導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董亞波　車凱　張濤　董章

【摘 要】隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)的裝配量越來(lái)越大，用戶和市場(chǎng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度要求越來(lái)越高。本文設(shè)計(jì)了基于北斗高精度定位車載導(dǎo)航系統(tǒng)，裝配了具有強(qiáng)大處理能力的處理器和適合航位推算的傳感器模塊。不僅采用高精度定位模塊提高了定位精確度，而且從軟件方面也可以提高定位精確度，例如采用提高定位精確度的成熟算法，例如卡爾曼濾波、航位推算及地圖匹配等。可以達(dá)到車道級(jí)定位精確度。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)航系統(tǒng)；高精度定位；車道級(jí)定位

Design of High-Precision Location Vehicular navigation System Based on Beidou

DONG Ya-bo1 CHEN Kai2 DONG Zhang2 ZHANG Tao2

（1.College of Computer Science and Technology， Zhejiang University， Hangzhou 310027，China；

2.School of Electrical and Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002，China）

【Abstract】With the development of navigation system， the loading capacity of vehicle navigation system is getting bigger and bigger， and the positioning accuracy of navigation system is getting higher and higher for users and market. This paper designed a vehicle navigation system based on the high-precision positioning module of the BDS. It assembles a processor with strong processing capability and a sensor module suitable for the dead reckoning. Not only the use of high-precision positioning module to improve the positioning accuracy， but also from the software can also improve the positioning accuracy， such as the use of improved positioning accuracy of the mature algorithm， such as Kalman filter， dead reckoning and map matching.It can achieves lane-level positioning accuracy.

【Key words】Navigation system； High precision positioning； Lane level positioning

0 引言

目前國(guó)內(nèi)車載導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展火熱，幾乎成為轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置，但是大多數(shù)采用GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)，但隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）完成對(duì)亞太地區(qū)的完全覆蓋，在定位、導(dǎo)航、授時(shí)、通信等各個(gè)方面都已形成一定的市場(chǎng)規(guī)模[1]。文獻(xiàn)[2][3][4]設(shè)計(jì)的車載終端或?qū)Ш较到y(tǒng)均采用普通10米左右定位精確度的BDS或全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊。但是用戶和市場(chǎng)的需求對(duì)定位精確度的要求也越來(lái)越高，一般10米左右的平面定位精度不能滿足要求，于是各類提高定位精確度的研究發(fā)展起來(lái)。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于聯(lián)合卡爾曼濾波算法和地圖匹配技術(shù)的提高精度定位方法。文獻(xiàn)[6]提出了在航位推算等導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究并實(shí)現(xiàn)了地圖匹配算法，克服了GPS信號(hào)受阻時(shí)定位間斷或失效的缺點(diǎn)，避免了航位推算定位誤差隨時(shí)間的積累。文獻(xiàn)[7]采用BDS的短報(bào)文功能進(jìn)行精密單點(diǎn)定位誤差改正數(shù)的播發(fā)，向觀測(cè)用北斗衛(wèi)星終端發(fā)送精度較高的衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差改正值，大大提高了北斗系統(tǒng)定位精度。基于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗高精度定位模塊的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，從硬件和軟件兩個(gè)方面提高了定位精確度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于北斗高精度車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)包括處理器、高精度北斗定位模塊、傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、LCD顯示器、攝像頭、存儲(chǔ)器模塊和USB接口等，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

處理器采用Cortex-A7架構(gòu)8核處理器A83T，能提供卓越的處理性能，但功耗卻比一般四核處理器更低。主要用來(lái)采集、處理、傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

高精度北斗定位模塊主要用來(lái)采集定位信息，水平定位精度可達(dá)2.0米，車輛行駛過(guò)程中能夠獲取車道級(jí)的定位信息。除此之外可以在軟件方面配合矢量地圖進(jìn)行地圖匹配，進(jìn)一步提高定位精確度。

傳感器模塊能夠采集車輛行駛的加速度、角速度以及定向等信息，有助于了解車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，提升車輛運(yùn)行的安全性。除此之外可以在軟件方面配合高精度北斗定位模塊采集的定位信息進(jìn)行航位推算，進(jìn)一步提高定位的精確度，特別是在車輛行駛在隧道等定位信號(hào)微弱或無(wú)定位信號(hào)的情況下。

LCD顯示器主要用來(lái)顯示車輛的行駛狀態(tài)等信息。

攝像頭主要用來(lái)采集車輛行駛過(guò)程中的車內(nèi)或車外的視頻信息。endprint

無(wú)線通信模塊包括WiFi和藍(lán)牙兩部分，主要用來(lái)與其它相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行通信。

USB接口主要用來(lái)導(dǎo)出車輛行駛等信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 高精度北斗定位模塊電路設(shè)計(jì)

高精度北斗定位模塊采用BD-126模塊，是一款支持北斗二代和GPS的高性能集成模塊，該模塊是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具備完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具備全方位功能。可采用5V或3V電源供電，采用UART異步串行接口與A83T通信，高精度北斗定位模塊與處理器的接口如圖2所示。

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器模塊采用的核心芯片為MPU9250，是一個(gè)由兩部分組成的九軸運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器，其中一部分是3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀，另一部分是AKM公司的AK8963三周磁力計(jì)。采用24引腳QFN封裝，擁有I2C接口，直接輸出9軸全部數(shù)據(jù)，并擁有輔助I2C接口用以兼容其他傳感器如壓力傳感器等。

芯片正常工作電壓VDD電壓范圍為2.4V-3.6V，VDDIO為輔助I2C參考電壓，其電壓范圍為1.71V-VDD，采用SPI同步串行總線方式與A83T通信，因此片選信號(hào)nCS、串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)SDI、串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)SDO、串行時(shí)鐘信號(hào)SCL分別接到A83T對(duì)應(yīng)引腳，INT、FYNC分別為中斷輸出引腳和數(shù)字幀同步輸入引腳，接到A83T GPIO口PC4和PC7上，由于沒(méi)有用到第三方傳感器，故AUX引腳懸空。傳感器模塊與處理器的接口如圖3所示。

2.3 無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊采用AP6212模塊。該模塊集成WiFi、藍(lán)牙、FM功能，采用44引腳QFN封裝，具有低成本、低功耗、高集成度的特點(diǎn)，符合IEEE 802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)，。可以通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)頁(yè)瀏覽，藍(lán)牙耳機(jī)、FM收音機(jī)等應(yīng)用。模塊為WiFi提供SDIO接口，為藍(lán)牙和FM提供UART、I2S、PCM接口。AP6212模塊電路如圖4所示。

AP6212模塊正常工作時(shí)需要兩路電壓VDDIO與VBAT分別接到PIN22和PIN9，VDDIO的工作電壓范圍為1.7V-3.6V，VBAT的工作電壓范圍為3.0V-4.8V，其中VBAT需經(jīng)過(guò)10uF濾波電容然后接到PIN9。模塊采用26MHz無(wú)源晶振從PIN10、11輸入時(shí)鐘信號(hào)，PIN29腳懸空，若26M時(shí)鐘沒(méi)有從PIN10、11輸入到模塊中，可在將時(shí)鐘從PIN10腳輸入的同時(shí)，將PIN29腳上拉。PIN2為天線引腳，連接板載陶瓷天線和外接天線IPEX接口。PIN21與PIN23連接芯片內(nèi)部Buck電路，需要外接4.7uH的功率電感。PIN24接入32.768系統(tǒng)參考時(shí)鐘，是AXP813提供的外部時(shí)鐘輸入。PIN14-PIN19連接處理器A83T，為WIFI控制信號(hào)，PIN25-PIN28連接AXP813，為藍(lán)牙控制信號(hào)。PIN12和PIN34為主機(jī)喚醒引腳，連接A83T，實(shí)現(xiàn)通過(guò)CPU的控制信號(hào)來(lái)啟用或禁用WIFI或藍(lán)牙的功能，其中PIN12為WIFI使能控制引腳，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，調(diào)節(jié)器被使能，WIFI功能啟用，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，WiFi功能禁用。PIN34為藍(lán)牙使能控制引腳，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)藍(lán)牙功能啟用，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，藍(lán)牙功能禁用。

2.4 存儲(chǔ)器模塊電路設(shè)計(jì)

2.4.1 LPDDR3存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的LPDDR3型號(hào)為H9CCNNNBJTML，是一個(gè)2GB 低功耗DDR3 SDRAM，采用178引腳BGA封裝，具有32位數(shù)據(jù)總線以及10位地址總線，是一種高速CMOS器件，內(nèi)部配置8 個(gè)bank，采用雙數(shù)據(jù)速率架構(gòu)，大大減少了系統(tǒng)輸入引腳數(shù)。

DQ0-DQ31、SA0-SA9、DM0-3分別為32位雙向數(shù)據(jù)總線、10位地址總線、與4位數(shù)據(jù)掩碼總線，分別連接到A83T的數(shù)據(jù)總線上、地址總線與數(shù)據(jù)掩碼總線上，DQS0-3連接到A83T，為4組雙向數(shù)據(jù)選通信號(hào)，SCK與SCKB連接到A83T的J1、J2引腳，為系統(tǒng)的差分時(shí)鐘輸入信號(hào)。J11與H14為芯片參考電壓輸入，連接A83T的K1引腳，該參考輸入電壓需經(jīng)過(guò)0.1uF電容濾波。J8 ODT為片上終止信號(hào)，連接A83T E3 SODT引腳，起到DRAM啟用/禁用功能，通過(guò)ODT控制每個(gè)DQ、DQS以及DM信號(hào)的打開/關(guān)閉。LPDDR3存儲(chǔ)器與處理器的接口如圖5所示。

2.4.2 eMMC存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的eMMC型號(hào)為KLM8G1B031，是一款8GB eMMC，采用169引腳BGA封裝，使用MMC協(xié)議V4.41行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，由NAND flash和MMC控制器組成，NAND flash需要VDDF 3V電源供電，MMC控制器需要VDDF3V和VDD 3V 兩路電源同時(shí)供電，最大MMC接口頻率為52MHz。DAT0-7位8位數(shù)據(jù)總線， CMD與CLK為系統(tǒng)差分時(shí)鐘輸入，RESET為系統(tǒng)復(fù)位引腳，分別連接到A83T對(duì)應(yīng)引腳上，VCC1-4和VCCQ1-4為3V電源，給NAND flash和MMC供電。eMMC模塊電路如圖6所示。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于北斗高精度定位車載導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了高精度的定位模塊，從硬件上提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精確度；采用了具有強(qiáng)大處理能力的處理器，可以采用提高定位精確度的成熟算法。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，基本上達(dá)到了車道級(jí)別的定位效果。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint