汽车智能传感器技术与应用 教案 项目六 认识与应用组合导航

任务6.1卫星导航系统及定位技术-教师手册智能网联汽车传感器应用技术、一体化教学设计授课教师：授课班级：学时数：授课日期：一体化教学场所：教学目标能力目标知识目标素质目标1.具备识别四种定位系统的能力；2.具备导航和定位系统在智能网联汽车中的作用能力。1.通过课程讲解了解不同卫星导航系统的特点；2.通过课程讲解了解卫星定位及导航的概念；3.通过课程讲解了解融合定位技术。1.培养独立思考和自主精神；2.培养精益求精的品质。教学重点1.导航发展历程；2.四种定位系统的组成；3.不同卫星导航系统的特点；4.导航和定位系统在智能网联汽车中的作用；5.GPS定位的工作原理。教学准备1.卫星导航系统及定位技术课件；2.卫星导航系统及定位技术学生手册；3.卫星导航系统及定位技术学生工作页。教学活动1.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解导航发展历程；2.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解四种定位系统的组成；3.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们知道不同卫星导航系统的特点；4.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解融合定位技术；5.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解GPS定位的工作原理；6.通过完成工作页方式，让学生们加深对定位系统的了解。课后作业教学体会2、一体化教学实施教学流程教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配（min）教学引入提问：大家知道卫星定位系统有哪些类型吗？各个定位系统又有什么特点？课前提问多媒体课件分组讨论2教学告知1.了解导航发展历程；2.了解四种定位系统的组成；3.了解不同卫星导航系统的特点；4.了解导航和定位系统在智能网联汽车中的作用；5.了解融合定位技术；6.了解GPS定位的工作原理。讲授多媒体课件示范教学课前预习3教学准备卫星导航系统及定位技术课件。讲授多媒体课件讲解课前预习5教学实施1.导航发展历程；2.四种定位系统的组成；3.不同卫星导航系统的特点；4.导航和定位系统在智能网联汽车中的作用；5.融合定位技术；6.GPS定位的工作原理。讲授多媒体课件讲解课前预习分组讨论75教学总结导航的发展，导航系统的分类，组成及应用。提问启发引导多媒体课件讲解回答问题完成个别理论工作页。5任务考核及答案一、判断题1.智能网联汽车的定位技术精准到厘米级别。（✔️）2.GPS卫星定位系统由控制部分和用户部分组成。（❌）3.在古代人们利用夜空中的北极星恒定在北方方位的特性来判知东西南北。（✔️）4.雷达导航是是用无线电来测定目标方位和距离的。（✔️）5.常见的全球卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、和日本的QZSS四大卫星导航系统。（❌）6.区域卫星导航系统有中国的BeiDou和印度的IRNSS。（❌）7.北斗卫星导航的特性能在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。（❌）8.融合定位技术融合了目前市面上的所有定位方式。（√）二、不定项选择题1.下列属于区域卫星导航系统的是（AD）。A.日本QZSS导航系统B.欧盟GALILEO导航系统C.美国GPS导航系统D.印度IRNSS导航系统2.GPS全球定位系统有（B）颗卫星组成。A.26B.28C.30D.323.根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为（ABC）。A.相位差分B.位置差分C.伪距差分D.经纬差分4.下列属于自主式导航的是（ABD）。A.惯性导航B.多普勒导航C.卫星导航D.天文导航5.位置差分定位是利用（A）GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置。A.2B.4C.8D.106.对车辆进行绝对定位，需要求岀车辆在地球上的经度、纬度和高度，利用GNSS对车辆进行定位，需要车辆在同一时间里最少能观测到（B）颗卫星。A.2B.4C.6D.8三、问答题1.简述导航和定位系统在智能网联汽车中的作用。答：智能网联汽车的定位，是一种比通常的导航定位系统精度更高的定位，它不再是精准到米，而是精准到厘米。车辆通过全球导航卫星系统GNSS（全球定位系统GPS、北斗卫星定位系统BDS）、惯性导航系统INS和激光雷达等，获取自身的位置和航向信息，为智能网联汽车的路径规划和决策控制提供依据。简述融合定位技术的特点。答：融合定位技术融合了目前市面上的所有定位方式，包括GPS、基站定位、Wifi定位、蓝牙定位以及传感器定位，可谓定位技术集大成者。在国内，这种融合定位技术的实现，主要是通过第三方的位置服务厂商（例如：高德）与手机芯片厂商进行合作，从而在手机硬件和系统层次集成融合定位技术。简述全球导航卫星系统GNSS(GPS、DGPS、BDS)定位技术的基本原理。答：要对车辆进行绝对定位，需要求岀车辆在地球上的经度、纬度和高度，利用GNSS对车辆进行定位，需要车辆在同一时间里最少能观测到4颗卫星，以获得卫星与车辆的时钟差，进而求出车辆经度、纬度、高度。卫星信号发射到地面，会通过车辆上的卫星信号接收器来接收，而卫星信号发射的时候，会带上时间差，即发射时间，接收器接收时也知道接收时间，这样就可以知道卫星信号从卫星到车辆所需要的的传输时间，而卫星信号的传输速度与光速相同，所以就可以求出卫星到车辆的距离，并且确定车辆一定在具有相同距离的圆的某一个点上。通过相同的方法，从车辆观测到的另一颗卫星来确定另一个圆，再通过第三颗卫星确定第三个圆，这三个圆的交点即车辆所在位置。4.简述我国北斗导航系统的特点。答：我国的北斗导航系统，其原理与美国GPS系统相比略有不同，在相关功能上有所创新，从应用的角度来说，相比GPS，北斗导航系统有着不少独特的优势。北斗导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。空间段，北斗导航系统计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。地面段由主控站、注入站、监测站组成。主控站用于系统运行管理与控制，注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理。用户段即用户的终端，接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算。第一代北斗导航系统的定位原理属于有源定位，需要用户终端主动发送信号，可靠性较差，最新的第二代北斗导航系统已采用了类似GPS的无源定位技术。即用户至少接收4颗卫星信号来定位。由于卫星数量多余美国GPS定位系统，因此北斗定位系统的定位信号更强，精度也更高。而且北斗定位系统拥有独一无二的短报文传讯功能，可用于军事、救援、科研等许多方面。1、一体化教学设计授课教师：授课班级：学时数：授课日期：一体化教学场所：教学目标技能目标知识目标素质目标1.具备识别不同的组合导航系统的能力。1.通过课程讲解了解GPS/DR组合导航定位系统；2.通过课程讲解了解惯性导航系统的分类；3.通过课程讲解了解惯性导航系统的作用；4.通过课程讲解了解组合导航在智能网联汽车上的应用。1.培养独立思考和自主精神；2.培养精益求精的品质。教学重点1.组合导航系统的分类；2.组合导航系统的特点及功能；3.组合导航系统与其它导航系统的对比；4.惯性导航系统的组成及应用；5.惯性导航系统的基本原理及特点。教学准备1.IMU/GNSS组合导航课件；2.IMU/GNSS组合导航学生手册；3.IMU/GNSS组合导航学生工作页。教学活动1.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解组合导航系统的分类；2.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解组合导航系统的特点及功能；3.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们知道组合导航系统与其它导航系统的对比；4.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们知道惯性导航系统的组成、分类及应用；5.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解惯性导航系统的基本原理及特点；6.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解组合导航在智能网联汽车的应用；7.通过完成工作页方式，让学生们加深对定位系统的了解。课后作业教学体会一体化教学实施教学流程教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配（min）教学引入提问：大家都知道导航是通过卫星定位的，那当汽车进入隧道时，车辆又靠什么东西来维持定位的准确性呢？课前提问多媒体课件分组讨论2教学告知1.了解组合导航系统的分类；2.了解组合导航系统的特点及功能；3.了解惯性导航系统的组成、分类及应用；4.了解惯性导航系统的基本原理及特点。讲授多媒体课件示范教学课前预习3教学准备认识视觉传感器课件。讲授多媒体课件讲解课前预习5教学实施1.了解组合导航系统的分类；2.了解组合导航系统的特点及功能；3.了解惯性导航系统的组成、分类及应用；4.了解惯性导航系统的基本原理及特点。讲授多媒体课件讲解课前预习分组讨论75教学总结1.导航的发展从以前的观星到、司南、指南针再到四大卫星导航系统。2.导航系统的分类，组成及应用。提问启发引导多媒体课件讲解回答问题完成个别理论工作页。5任务考核及答案3.1判断题1.惯性导航系统可以看成是IMU与软件的结合。（✔️）2.组合导航系统是利用多种信息源，互相补充，构成一种有多维度和导航准确度更高的多功能系统。（✔️）3.常见的组合导航有4种。（❌）4.组合导航系统有协合超越和互补两种功能。（❌）5.惯性导航系统（INS）是一种利用惯性传感器测量载体的角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。（✔️）6.惯性导航系统一般采用加速度传感器和陀螺仪传感器来测量载体参数。（✔️）7.惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。（✔️）8.捷联式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载体固定联接的惯性导航系统。（❌）3.2不定项选择题1.GPS/DR组合导航定位系统由（ABCD）组成。A.GPSB.电子罗盘C.里程计D.导航计算机2.惯性导航系统主要由（ABC）等组成。A.惯性测量装置B.计算机C.控制显示器D.IMU3.在无人驾驶系统中，GPS的更新频率一般为（B）。A.5HzB.10HzC.20HzD.100Hz4.下列属于惯性导航系统的优点的是（ABD）。故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰影响可全天候在全球任何地点工作能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低D.数据更新率高，短期精度和稳定性好5.下列（ABD）情境下车辆会出现GPS信号丢失、导航失灵的现象。A.经过隧道B.密林小路C.沿海公路D.高楼林立的窄道6.惯性导航系统可以看成是（B）与软件的结合。A.加速度传感器B.IMUC.陀螺仪D.GPS三、问答题1.简述组合导航系统的分类。答：1、GPS与惯性导航系统组合；2、北斗与惯性导航系统组合；3、双差分GPS与惯性导航系统组合。简述惯性导航系统的基本原理。答：惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度、角加速度，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，之后进行二次积分求得运动载体的位置信息，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。INS原理是一种推算定位方式，基于车辆当前位置，并通过惯性导航测量单元（IMU），测得车辆当前的运动方向和速度，推算出下一时刻自身所处的位置。简述平台式惯性导航系统的特点。答：平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载体固定联接的惯性导航系统。根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。1、空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。2、本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离运动载体的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正仪表的输出，但结构复杂，尺寸大。4.简述捷联式惯性导航系统的优点。答：捷联惯性导航系统具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点。1、一体化教学设计授课教师：授课班级：学时数：授课日期：一体化教学场所：教学目标技能目标知识目标素质目标1.具备识别GPS、北斗及FLP技术的原理能力；2.具备识别GPS、北斗及FLP技术的应用能力；3.具备识别握高精地图与传统地图的关系、对比分析能力。1.通过课程讲解了解高精地图图层划分比；2.通过课程讲解了解国内高精地图图商发展；3.通过课程讲解了解高精地图与传统地图的区别；4.通过课程讲解了解VSLAM技术；5.通过课程讲解了解高精地图在自动驾驶系统中的应用；6.高精地图的数据采集和创建流程。1.培养独立思考和自主精神；2.培养精益求精的品质。教学重点1.高精地图可以基本含义；2.高精地图与传统地图的区别；3.高精地图的构建流程；4.高精地图在自动驾驶系统中的应用；5.自定位技术概述。教学准备认识高精地图与自定位技术课件；2.认识高精地图与自定位技术学生手册；3.认识高精地图与自定位技术学生工作页。教学活动1.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解高精地图可以基本含义；2.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解高精地图图层划分；3.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们知道高精地图与传统地图的区别；4.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们知道高精地图的构建流程；5.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解高精地图在自动驾驶系统中的应用；6.通过多媒体课件中图片和课程讲解让学生们了解自定位技术概述；7.通过完成工作页方式，让学生们加深对定位系统的了解。课后作业教学体会一体化教学实施教学流程教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配（min）教学引入提问：大家都知道自动驾驶需要用到地图，那么普通导航地图跟自动驾驶的地图是一样的吗？课前提问多媒体课件分组讨论2教学告知1.了解高精地图的原理；2.了解高精地图的应用；3.了解高精地图与传统地图的区别；4.了解高精地图在自动驾驶系统中的应用。讲授多媒体课件示范教学课前预习3教学准备认识视觉传感器课件。讲授多媒体课件讲解课前预习5教学实施1.了解高精地图的原理；2.了解高精地图的应用；3.了解高精地图与传统地图的区别；4.了解高精地图在自动驾驶系统中的应用。讲授多媒体课件讲解课前预习分组讨论75教学总结1.高精地图的原理、应用及图商发展。2.高精地图与传统地图区别；3.高精地图在自动驾驶系统中的应用；4.高精地图的数据采集和创建流程。提问启发引导多媒体课件讲解回答问题完成个别理论工作页。5任务考核及答案一、判断题1.高精地图的数据具有实时性。（✔️）2.矢量地图文件较小，普适性较好；能完成点到点的规划。（✔️）3.高精地图的图层按自动驾驶中所起的作用大致可以分为四层。（❌）4.矢量地图对道路特征信息的提取；特征地图文件较大，地图内容丰富度强；能够很好完成地图道路匹配。（❌）5.高精地图是给机器阅读的，是L3-L5级智能驾驶的重要基础设施。（✔️）6.传统地图丰富程度没有高精地图大。（❌）7.惯自动驾驶车辆能通过摄像头实现感知处理和实时建图定位。（✔️）8.北斗卫星导航系统是俄罗斯正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。（❌）二、不定项选择题1.高精地图与传统地图的区别有（ABC）。A.定位精度B.地图内容C.信息描述D.以上都不对2.高精地图的图层按自动驾驶中所起的作用大致可以分为（ABD）。A.车道级路网图层B.定位图层C.驾驶环境图层D.动态图层3.对于智能驾驶汽车来说，对（ACD）都有很高的要求。A.精度B.地图C.鲁棒性D.驾驶场景4.VSLAM技术优势有（ABD）。成本低，方便定位导航应用场景丰富，在室内外环境下均可开展工作地图精度高，地图构建精度约3cmD.易用性高，通过提取、匹配特征点，利用三角测距的方法测算出障碍物的距离5.FLP定位技术，包括（ABC）。A.GPS定位技术B.基站定位C.传感器定位D.北斗定位技术6.GPS定位技术的特点有（ABCD）。A.定位精度高B.功能多C.全天候工作D.应用广7.影响GPS测量的误差因素有（ABCD）。A.大气层的影响B.多路径效应C.卫星轨道误差D.卫星钟差8.车载多传感器融合定位方案包含了（ABCD）。A.GPS

+IMUB.毫米波雷达C.激光雷达D.摄像头三、问答题1.简述高精地图的构建流程。答：1、采集通过摄像头、IMU、GNSS、激光雷达和毫米波雷达等传感器系统采集数据（路况）信息。2、将深度学习与SLAM技术结合，加入图像语义分割、语义地图构建等语义信息。3、通过视觉SLAM技术，建立3D高精地图。4、将建图片段融合优化，提升地图完整和准确性。5、通过车体定位与建图结果匹配，完成车辆高精度定位。6、将建图与定位的数据结果加密后传送到云端数据库，解码后与全局地图匹配融合。简述高精地图在自动驾驶系统中的应用。答：1、环境感知辅助2、路径规划与决策3、高精度定位辅助简述自定位技术。答：自定位技术能帮助智能驾驶系统更好地使用高精地图提供的信息；为智能驾驶的路径提供规划，更好地提供准确的车辆位置和信息；辅助感知系统，提供准确的检测和跟踪结果。4.简述车载多传感器融合定位方案。答：以GPS+IMU的多传感器融合方案越来越受到重视，因为“无源定位”的IMU恰好可以弥补GPS的短板。此外，车机还可以搭载里程计、视觉设备形成更丰富的多传感器融合方案。

使用GPS、IMU、里程计等传感器，结合高德地图的地图优势，提出了一种结合地图匹配（Map

Matching）的多传感器融合算法——GPS/IMU/MM融合（软件+硬件的解决方案）。此方案是为了向用户提供好的导航定位服务。为了解决用户反馈的三大痛点问题：偏航重算、无法定位和抓路错误，结合算法和数据，提出了一套软件+硬件的解决方案。5.简述GPS存在的问题。答：GPS在智能驾驶环境中信号较差的地方影响精度，传统的GPS定位精度只有3~7m；更新频率低（每秒更新10次），例如一辆以60km/h的速度运行的汽车，在0.1s内造成的误差接近2m。1.一体化教学设计授课教师：授课班级：学时数：8授课日期：一体化教学场所：教学目标能力目标知识目标素质目标1.具备组合导航的故障诊断与处理的能力。1.通过课程讲解了解智能网联汽车传感与感知实训系统应用实训台接口；2.通过课程讲解了解组合导航系统电路原理图和测试孔；3.通过课程讲解了解组合导航系统常见的故障现象及故障原因；4.通过课程讲解掌握组合导航系统故障诊断流程和方法。1.培养独立思考和自主精神；2.培养精益求精的品质。教学重点1.组合导航系统的电路原理；2.组合导航的故障分析；3.组合导航的故障诊断。教学准备1.组合导航的故障诊断与处理课件；2.设备准备：智能网联汽车传感与感知实训系统应用实训台（下文简称应用实训台）、应用实训台上的示波器、智能网联汽车传感与感知实训系统故障诊断台（下文简称故障诊断台）和应用实训台电源线等；3.工具及防护准备：数字万用表、无纺布、安全帽、绝缘垫、和工作手套等教学活动1.通过多媒体课件讲解，让学生们理解组合导航系统电路原理；2.通过多媒体课件讲解，让学生们理解组合导航的故障分析；3.通过多媒体课件讲解，让学生们掌握组合导航的故障诊断与处理的基本流程；4.通过视频教学讲解、实操演示和学生动手实操，让学生们掌握组合导航故障诊断的步骤及方法；课后作业教学体会2.一体化教学实施教学流程教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配（min）教学引入提问：讲课前，先问问大家，当智能网联汽车上的组合导航出现故障时，我们该如何去对组合导航进行故障的诊断以及处理呢？课前提问多媒体课件分组讨论10教学告知1.组合导航系统的电路原理；2.组合导航的故障分析；3.组合导航的故障诊断与处理的基本流程。讲授多媒体课件示范教学课前预习15教学准备1.IMU/GNSS组合导航的故障诊断与处理课件；2.工具设备准备。讲授多媒体课件讲解课前预习10教学实施1.组合导航系统的电路原理；2.组合导航的故障分析；3.组合导航的故障诊断与处理的基本流程。讲授演示练习多媒体课件讲解实操演示课前预习分组讨论动手实操295教学总结组合导航的故障诊断与处理的操作步骤和技巧。提问启发引导多媒体课件讲解1.回答问题2.完成学生工作页303.任务考核及答案一、电路图认识的活动实施工单组合导航电路图测试孔说明针脚功能1正极输出端2正极输入端3负极输出端4负极输入端5TX输出端6TX输入端7RX输出端8RX输入端二、准备工作活动实施工单准备工作（根据实际使用的工具作答）根据实际情况在“□”位置上打“√”或根据实际情况在“”上填上正确答案数字万用表检查应用实训台电源开关是否断开是R否£万用表电量是否足够是R否£检查万用表是否正常是R否£示波器检查将探头接到示波器的测试信号输出端，观察波形是否为1V/1KHZ的方波信号是R否£按自动测试按钮，波形是否为稳定、则的方波信号是R否£线束检查及线束链接线束外观结构是否完整是R否£线束表面有无破损、裂痕有£无R线束表面有无变形有£无R连接应用实训台和故障诊断台引出的OBD接口。连接应用实训台和故障诊断台引出的航空接口。连接应用实训台电源线。三、组合导航的故障诊断活动实施工单1.读取故障码并确认故障现象读取故障码并确认故障现象根据实际情况在“□”位置上打“√”或根据实际情况在“”上填上正确答案是否打开应用实训台是R否£是否打开智能网联汽车三维数字化仿真教学软件”是R否£读取故障码：B1501（根据实际情况填写）确认故障现象：（1）组合导航的电源指示灯不亮。（2）打开CGI310上位机，选择对应串口，配置串口参数后，没有出现正常的可视化数据。（根据实际情况填写）2.在测试装调台架上进行故障检诊（1）电源检测使用数字万用表检测激光雷达电源根据实际情况在“□”位置上打“√”或根据实际情况在“”上填上正确答案万用表应调节为蜂鸣档。红表笔插到正极输入端，黑表笔插到正极输出端，是否导通（情况1）是£否R红表笔插到负极输出端，黑表笔插