GPS/DR/MM車輛組合導航定位系統(tǒng)研究

雷達定，李學等，李端元，文方青

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰442002）

0 引言

隨著國民經濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，我國機動車擁有量及道路交通量急劇增加，尤其是大中城市，交通擁擠阻塞以及由此導致的交通事故的增加是我國城市面臨的極其嚴重的“城市病”之一［1］。以湖北省十堰市為例，全市2010年年末機動車擁有輛40.2萬輛；而在2000年年末，該市城區(qū)機動車總量還不足4萬輛。加之山區(qū)城市道路拓寬空間受限，疏通城區(qū)道路顯得更加艱難。機動車快速增長與相對滯后的道路規(guī)劃建設之間的矛盾日益突顯。

智能交通系統(tǒng) （Intelligent Transportation Sys-tem，ITS）是新型汽車信息電子產品的典型代表［2］，它是將導航定位技術、信息技術、數(shù)據(jù)通信技術等先進技術有效地綜合運用于城市交通，從而建立一種全方位的，實時、準確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)［3］。

本文提出的基于嵌入式系統(tǒng)的GPS （GlobalPositionSystem）/DR（DeadReckoning）/MM（MapMatching）車輛組合導航定位系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，而對于整個組合導航定位系統(tǒng)而言，車輛的導航與定位又是其最重要的部分。因此，本文主要針對車輛的導航定位展開了研究。最后通過跑車試驗表明，本文設計的組合導航定位系統(tǒng)定位置信度較高，定位精度誤差不超過5 m，并且實現(xiàn)了在上位機的導航地圖上實時顯示車輛當前位置及其他狀態(tài)信息功能，在智能交通系統(tǒng)（ITS）領域的應用上具有較高的參考價值。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 各種車輛組合導航定位系統(tǒng)方案分析

車輛導航定位系統(tǒng)主要為用戶終端 （車輛）提供實時位置、速度以及與行駛狀態(tài)有關的信息。綜合多方面文獻報導［2－4］可以看出，目前車輛組合導航定位系統(tǒng)主要有如下幾種方案：1）GPS/MM；2）GPS/DR；3）GPS/DR/MM組合。第1種方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，只需GPS接收機和電子地圖，且成本較低，但存在當GPS信號丟失時系統(tǒng)無法工作的致命弱點，系統(tǒng)的可靠性較低；對于GPS/DR組合方案，當衛(wèi)星信號丟失GPS無法定位時，航位推算系統(tǒng)可繼續(xù)工作，系統(tǒng)的可靠性得到提高，但是當車輛行駛在道路密集的交通網時，無法利用電子地圖匹配技術對GPS定位信息和航位推算系統(tǒng)的定位信息作進一步校正；第3種方案克服了上述2種方案的缺點，是最理想的組合方案。

1.2 GPS/DR/MM車輛組合導航定位系統(tǒng)設計

本文設計的基于嵌入式系統(tǒng)的GPS/DR/MM車輛組合導航定位系統(tǒng)是利用GPS定位、航位推算（DR）定位及地圖匹配（MM）三者之間的信息綜合和相互校正來提高車輛定位置信度和定位精確度。它主要由車載終端系統(tǒng)、道路監(jiān)控系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)構成。應用Microsoft Office Visio 2007軟件繪制系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

車載終端系統(tǒng)將車載陀螺儀、里程計等采集的數(shù)據(jù)通過航位推算得到DR定位數(shù)據(jù)，然后通過擴展Kalman濾波算法對其和車載GPS接收機接收到的GPS定位數(shù)據(jù)進行融合處理，應用地圖匹配技術，并結合路標定位信息，為車輛提供可靠、準確的位置信息。最后，將這些位置信息通過GPRS網絡傳送到道路監(jiān)控系統(tǒng)的道路監(jiān)控中心，再通過GPRS網絡傳輸控制指令，實現(xiàn)對遠程車輛的監(jiān)控，同時在上位機的導航地圖上實時顯示出車輛的狀態(tài)信息。

2 車輛導航定位技術研究

GPS導航定位系統(tǒng)是一種全天候、以無線電通信為基礎的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其基本原理是延時測距［2］。目前，GPS民用動態(tài)定位精度可達到15 m左右，這一定位精度已經能滿足一般用戶的定位要求。但是在城市高樓區(qū)、林蔭道、立交橋、隧道等特殊地段，GPS信號常常被遮擋而無法被用戶接收機接收到，使得定位精度大大降低［3］。為滿足車輛對導航定位系統(tǒng)可靠性和精確度的要求，可以通過GPS/DR/MM組合的方法來補償GPS定位的缺陷。

2.1 GPS/DR多傳感器信息融合技術

在組合導航定位系統(tǒng)中采用多傳感器信息融合技術可以擴展整個系統(tǒng)的時間和空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的信息利用率，提高融合數(shù)據(jù)的置信度和精確度，增強系統(tǒng)的可靠性和容錯性。本文采用了適于非線性系統(tǒng)的擴展Kalman濾波算法對來自GPS和DR的定位數(shù)據(jù)進行融合處理。Kalman濾波器的結構圖如圖2所示。

根據(jù)GPS/DR組合導航定位系統(tǒng)的Kalman濾波方程組［5］，可以得到組合系統(tǒng)的擴展Kalman濾波算法流程圖如圖3所示。

2.2 地圖匹配技術

當車輛行駛在道路密集的交通網時，可利用電子地圖匹配（MM）技術對GPS定位信息和航位推算系統(tǒng)的定位信息作進一步校正。地圖匹配［3］的基本方法是通過將車輛的行駛軌跡與導航地圖上矢量化道路的相關特征信息進行匹配，以尋找當前行駛的道路，并將車輛當前的位置投影到相應的道路上。利用陀螺儀敏感的航向變化與導航地圖中一定區(qū)域內道路特征進行相關性比較，當測量出的車輛航向的顯著變化與導航地圖的矢量路線變化相關，那么就可以確定車輛在地圖中的行駛道路。具體算法實現(xiàn)過程的主程序流程圖如圖4所示。

為了能直觀地顯示車輛的相關信息，通過地圖匹配相關算法，應用MapX控件［6］設計了道路監(jiān)控子系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，能精確地在上位機的導航地圖上實時顯示出車輛當前的各種狀態(tài)信息，并實現(xiàn)道路監(jiān)控功能。

3 嵌入式組合導航定位系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

嵌入式組合導航定位系統(tǒng)硬件部分是以ARM7TDMI－S內核的32位微控制器LPC2368為核心，加上 u－blox公司（瑞士）LEA－5的 GPS模塊、飛思卡爾公司MMA7260的加速度傳感器、InvenSense公司的陀螺儀和MC33886驅動與控制電路等組成。其硬件組成框圖如圖5所示。

3.2 軟件設計

嵌入式組合導航定位系統(tǒng)軟件部分的各模塊任務通過 μC/OS－II嵌入式操作系統(tǒng)［7－8］統(tǒng)一調用，使各個模塊協(xié)調工作。根據(jù)前面介紹的的GPS/DR多傳感器信息融合算法、地圖匹配相關算法和系統(tǒng)方案總體設計思想，軟件分為數(shù)據(jù)采集與讀取、數(shù)據(jù)決策與融合、地圖更新與顯示、GPRS無線通信、車輛行駛控制等模塊。其軟件結構框圖見圖6。

具體實現(xiàn)過程：首先，GPS接收機采集到的定位信息通過串口1送入微處理器，GPS串口中斷接收到正確的GPS數(shù)據(jù)后，通過郵箱觸發(fā)GPS數(shù)據(jù)讀取任務，GPS數(shù)據(jù)讀取任務對數(shù)據(jù)解包并放入緩存，然后寫事件標志組。在1s定時中斷后，觸發(fā)里程計、陀螺儀等DR定位數(shù)據(jù)采集任務，采集車輛當前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，存入緩存，然后分別寫事件標志組。數(shù)據(jù)決策對GPS定位進行判斷，當GPS定位衛(wèi)星多于4顆時，微處理器通過2.1節(jié)中所述的擴展Kalman濾波算法對GPS和DR定位數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，確定車輛當前位置；當GPS進入信號盲區(qū)時，微處理器將GPS失效前一時刻的位置作為初始參數(shù)，通過航位推算來維持正常的導航定位。當檢測到車輛行駛在道路密集交通網時，微處理器通過地圖匹配相關算法并結合路標定位信息，完成對地圖數(shù)據(jù)庫的實時更新和車輛位置的實時顯示。無線通信模塊將得到的定位信息通過GPRS定時發(fā)送給道路監(jiān)控系統(tǒng)。道路監(jiān)控中心定時接收GPRS網絡發(fā)送過來的控制信號，觸發(fā)車輛行駛控制任務，控制車輛的動力電機和轉向電機做出響應，實現(xiàn)對運程車輛行駛的實時控制。

4 實驗測試及結果分析

車輛的導航定位能力是衡量一種車輛導航定位系統(tǒng)優(yōu)劣的核心指標。為了測試系統(tǒng)的定位置信度和定位精確度，在以湖北汽車工業(yè)學院為中心的各類交通網（包括高樓區(qū)、林蔭道等特殊地段）進行了跑車實驗。實驗跑車及上位機道路監(jiān)控系統(tǒng)操作界面如圖7所示。

4.1 系統(tǒng)定位置信度測試數(shù)據(jù)與結果分析

國家某控制點公布的十堰市某定點經緯度值：E110.739915；N32.650381。為測試系統(tǒng)定位置信度，以控制點經緯度為參考，經系統(tǒng)實測該定點所得經緯度值（這里任意選取了5組測試數(shù)據(jù)）以及通過Microsoft Excel軟件計算其方差值如表1所列。

表1 定點測量經緯度值及其方差值 （°）

分析數(shù)據(jù)表1可以看出，實測數(shù)據(jù)同公布數(shù)據(jù)很接近，而且測試數(shù)據(jù)方差值較小，說明測試數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，系統(tǒng)置信度和可靠性較高。

4.2 系統(tǒng)定位精確度測試數(shù)據(jù)與結果分析

圖8～10是應用Microsoft Excel軟件繪制的曲線圖，是系統(tǒng)計算控制點與GPS接收機接收到的經緯度值點之間的距離同實測距離之間的誤差圖組。其中的距離誤差是根據(jù)MapX控件［6］map對象的distance方法計算得到，其公式為

式中：x1，y1—第 1 個點的經緯度值；x2，y2—第 2 個點的經緯度值。

分析圖8～9可以看到，系統(tǒng)計算控制點與GPS接收機接收到的經緯度值點之間的距離同實測距離之間的誤差不超過5 m，定位數(shù)據(jù)誤差小，系統(tǒng)定位精度較高。

5 結束語

基于嵌入式系統(tǒng)的GPS/DR/MM車輛組合導航定位系統(tǒng)，采用了較為先進的GPS、DR、MM技術，應用擴展Kalman濾波算法對來自GPS和DR的定位數(shù)據(jù)進行融合處理，對多傳感器信息進行最優(yōu)估計，實現(xiàn)對車輛的準確、可靠定位，并且當車輛行駛在道路密集的交通網時，仍可利用電子地圖匹配（MM）技術對GPS定位信息和航位推算系統(tǒng)的定位信息作進一步校正，有效地解決了衛(wèi)星信號盲區(qū)GPS定位間斷或失效以及航位推算（DR）定位誤差隨時間積累等問題。理論研究及實驗證明，基于本文所述結構體系建立的車輛組合導航定位系統(tǒng)，其車載終端子系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，定位誤差不超過5 m；道路監(jiān)控子系統(tǒng)界面友好，操作簡易，方便用戶使用。結合信息技術、數(shù)據(jù)通信技術等其他先進技術，并進一步深入研究該組合導航定位技術，再將其應用于我國的智能交通系統(tǒng)，可以提高運輸效率，在一定程度上改善我國的交通狀況，為社會節(jié)約資金和人力，具有積極的社會經濟意義。

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