基于LabVIEW平臺利用GPS技術的汽車實時航向角測試系統(tǒng)開發(fā)

夏澤斌，吳龍，王星星，周輔坤

（1.三明學院機電工程學院，福建三明365004；2.三明機械CAD工程研究中心，福建三明365004）

基于LabVIEW平臺利用GPS技術的汽車實時航向角測試系統(tǒng)開發(fā)

夏澤斌1,2，吳龍1,2，王星星1，周輔坤1

（1.三明學院機電工程學院，福建三明365004；2.三明機械CAD工程研究中心，福建三明365004）

利用單天線的GPS實時位置信息計算得到汽車運行過程中的實時航向角，并基于LabVIEW平臺開發(fā)汽車實時航向角測試系統(tǒng)，通過實車試驗得到測量結(jié)果，對測量結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明，測量結(jié)果精確度滿足國家汽車道路試驗標準要求，測試系統(tǒng)在測試過程中穩(wěn)定可靠。

LabVIEW；航向角；GPS；測試系統(tǒng)；車聯(lián)網(wǎng)

車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在車分別與車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等之間，進行無線通訊和信息交換的大系統(tǒng)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能交通管理、智能動態(tài)信息服務和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡。汽車的位置信息和航向信息是車聯(lián)網(wǎng)中車際網(wǎng)的重要參數(shù)，汽車要作為一個智能載體，必須具備感應周邊環(huán)境的能力，通過車際網(wǎng)把周圍車輛的位置、速度和航向信息共享，就能讓車“聰明”起來，知道自己身處何種境地。

全球定位系統(tǒng)(GPS)不僅可用于高精度的導航定位,也可實現(xiàn)對載體姿態(tài)的測量,利用GPS測姿具有成本低、無誤差累計、實時性好等優(yōu)點[1-3]。LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的1程序模塊。本文利用單天線的GPS實時位置信息計算得到汽車運行過程中的實時航向角，并基于LavVIEW平臺開發(fā)汽車實時航向角測試系統(tǒng)，通過實車試驗得到測量結(jié)果，并對測量結(jié)果進行對比分析，驗證測量結(jié)果的精確度和測試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

1　GPS技術原理及汽車實時航向角計算方法

1.1坐標系轉(zhuǎn)換

（1）WGS-84與空間大地坐標系之間的變換

對于GPS接收機測得的地球上任一待測點的基于WGS-84坐標系的點坐標（X，Y，Z），可通過以下方程式轉(zhuǎn)換為大地坐標系的經(jīng)緯度和海拔高度（B，L，H）[4]：

首先假定N=a，進行迭代計算，即可求出B，再確定H。

（2）大地坐標系到高斯平面坐標系的轉(zhuǎn)換

由空間大地坐標系轉(zhuǎn)換到高斯平面坐標系，需進行高斯—克呂格投影變換[5]，由于高斯—克呂格投影有長度變化，因此為了控制長度變形將地球橢球面按精度差劃分成若干投影帶，通常按照經(jīng)差6°或3°進行分帶。我國一般使用6°分帶法，將全球分為60個帶。高斯投影分正算和反算，由WGS-84坐標系的經(jīng)緯度(B，L)計算高斯-克呂格平面坐標(x，y)，稱為正算。而由平面坐標（x，y）求經(jīng)緯度（B，L）則稱為反算。在GPS定位導航中主要用到高斯投影正算，其計算公式為：

其中各參數(shù)含義及計算如下：k0為高斯投影比例因子，k0=1；N為通過待測點的卯酉圈曲率半徑；m0= （L-L0)cos B=ΔL cos B；ΔL為待測點經(jīng)度（L）與中央子午帶經(jīng)度L0之差；t=tan B；B為待測點緯度；η2= [(a/b）2-1]cos2B；FE為緯度偏移值，單位為m，F(xiàn)E=500000+帶號*1000000；X0為當ΔL=0時，從赤道起算的子午線弧長。

其中系數(shù)C0、C1、C2、C3、C4僅與橢球體本身相關。分別為:

舍去式（3）和（4）中7次以上的高次項，同時可將式（5）中C0、C1、C2、C3、C4的8次以上的項省去，化簡得到正算公式分別為下式（6）和（7）：

1.2汽車運行過程中的航向角計算方法

航向角描述的是汽車質(zhì)心的運動方向，以大地坐標為參考系的話，航向角就是汽車質(zhì)心相對于真北的運動方向[6-7]，汽車運動過程的航向角與GPS布置點之間的關系見圖1。

圖1汽車運動過程的航向角與GPS布置點之間的關系

式中Yi+1為第i+1個數(shù)據(jù)點時刻汽車車廂上GPS布置點處的Y坐標值，Yi為第i個數(shù)據(jù)點時刻汽車車廂上GPS布置點處的Y坐標值，Xi+1為第i+1個數(shù)據(jù)點時刻汽車車廂上GPS布置點處的X坐標值，Xi為第i個數(shù)據(jù)點時刻汽車車廂上GPS布置點處的X坐標值。根據(jù)前后時刻兩點坐標的連線與正東方向的夾角即為汽車在此時刻的航向角[8-9]。

GPS測量的位置精度是0.1m，在汽車行駛速度為4m/s且GPS數(shù)據(jù)更新率為10 Hz的時候，換算到航向角的最大誤差是arctan（0.2/0.4）=0.5°，滿足國家汽車試驗測量標準的0.5°，并且汽車行駛速度越快，測量精度越高。在汽車行駛速度低于4 m/s的時候，可以降低GPS數(shù)據(jù)更新率來提高測量精度以減少誤差。

2　測試系統(tǒng)開發(fā)

主程序設計流程圖如圖2所示。運行程序，首先進行參數(shù)設置，如：串口號、發(fā)送命令格式和GPS布置參數(shù)等；然后開動汽車，汽車先做直線運動，此時即可開始進行試驗，試驗過程中程序自動判斷GPS是否定位，如果定位成功，則讀取GPS的數(shù)據(jù)并進行坐標轉(zhuǎn)換和航向角計算得到汽車的軌跡、速度和航向角，并對需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行實時顯示；如果定位不成功，則等待GPS定位成功之后再開始下一步操作；當試驗停止時，提示試驗人員是否保存數(shù)據(jù)，并關閉通訊端口。

圖2測試系統(tǒng)流程圖

測試程序主界面如圖3所示，圖中有4個按鈕，分別是設置、開始、停止和退出。按下設置按鈕，會彈出設置面板，對相應的串口號等基本參數(shù)進行設置，設置完之后在按設置按鈕，會隱藏設置面板。參數(shù)設置好后，就可以開始進行試驗了，按下開始按鈕，程序開始運行，并實時顯示軌跡和計算得到速度與航向角；試驗要結(jié)束時，按下停止按鈕，試驗停止，之后彈出是否要保存數(shù)據(jù)，選擇保存數(shù)據(jù)選項，自動把測量的矯正前數(shù)據(jù)保存到軟件上一級根目錄下的數(shù)據(jù)文件夾內(nèi)，并在數(shù)據(jù)文件夾內(nèi)以試驗名稱自動創(chuàng)建一個文件夾，再把數(shù)據(jù)以excel格式的文件和以當前的日期和時間保存數(shù)據(jù)。

3　實車驗證及結(jié)果分析

進行實車試驗驗證測試系統(tǒng)是否能對GPS進行有效的數(shù)據(jù)采集，對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，驗證測試系統(tǒng)的準確性和精度。并且通過試驗，驗證測試系統(tǒng)是否方便可靠，操作是否方便簡單。操縱穩(wěn)定性試驗是汽車整車性能道路試驗中的一部分，其包括的試驗項目主要有穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、蛇形試驗和輕便型試驗等[11]。這些試驗項目能充分發(fā)揮出汽車在運動過程中的動態(tài)參數(shù)變化。本測試系統(tǒng)使用是諾瓦泰提供的OEM4產(chǎn)品。該產(chǎn)品作為GPS接收機的核心處理單元最多可以同時接收和跟蹤12顆衛(wèi)星，并且數(shù)據(jù)更新率可以達到20 Hz，滿足汽車性能測試的要求?？焖俨东@和快速重捕GPS衛(wèi)星信號的優(yōu)點能較好地應用于高速運動和信號頻繁中斷的環(huán)境下。該GPS系統(tǒng)，主要由基站和移動站兩部分組成，本文不涉及差分技術，只用其移動站部分。移動站主要用于對物體的位置信息進行直接測量，顧名思義，其測量的位置信息是變動的，主要用于測量移動的物體。試驗在學校汽車試驗場地進行。

圖4試驗場地

如圖4所示，把GPS布置在汽車車廂頂部，這樣能更好的接收信號。汽車在試驗場上按規(guī)定的行駛，試驗場地畫有穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗半徑為15 m的圓、雙絞線的8字形軌跡和間隔30 m的5個樁點（均按照GB 6323.1-1986汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法進行）。

試驗過程順利進行，GPS信號良好，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷情況，程序運行流暢，操縱簡單可靠，在進行了3組試驗后得出了以下試驗結(jié)果，見圖5～6。

圖5穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)軌跡

圖6穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)航向角

圖5為汽車以速度10km/h沿著穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)圓軌跡繞了2圈半的運行軌跡，從軌跡曲線上可以看到，汽車從坐標原點先以直線運動一段距離再切入圓，繼而方向盤不動，繼續(xù)運行2圈多，得到完整的兩個圓軌跡。圖6為航向角曲線，從圖中可以看到，前6 s汽車航向角穩(wěn)定在102°，對應到汽車起始的直線運動，從圖5中汽車直線運動階段明顯可以看到其軌跡與正東方向的夾角與航向角102度大致吻合；在6到13 s之間，汽車由直線運動切入圓，正好在13 s的時候汽車航向角為0°，也就是汽車朝著正東方向運動，下一刻汽車沿著軌跡順時針運動，航向角由第一象限轉(zhuǎn)到第四象限，從360°逐漸減為0°，這為一個完整的圓，繼而又從360°減為0°，這為第二個完整的圓，然后汽車停止。航向角曲線變化趨勢能很好的和汽車行駛軌跡相吻合，且航向角起始階段數(shù)值能與汽車起始階段軌跡吻合，所以可以得到該航向角是正確的航向角曲線。

圖7為汽車以速度30 km/h繞著蛇形試驗樁點的運行軌跡，從軌跡曲線上可以看到，汽車從坐標原點先以直線運動一段距離再開始繞樁，繼而轉(zhuǎn)動方向盤使汽車完全繞過5個樁，得到完整的蛇形軌跡。圖8為航向角曲線，從圖中可以看到，前2 s汽車航向角穩(wěn)定在315°左右，對應到汽車起始的直線運動，從圖7中汽車直線運動階段明顯可以看到其軌跡與正東方向的夾角與航向角315°大致吻合；在2到16 s之間，汽車陸續(xù)繞過5個樁后慢慢停止運動，最終汽車車頭朝著第三象限，與圖8中22 s時候?qū)?92°吻合；繞樁過程中，汽車的蛇形運行軌跡和汽車航向角的蛇形變化趨勢一致。綜合以上兩點可以得到該航向角是正確的航向角曲線。

圖7蛇形繞樁軌跡

圖8蛇形繞樁航向角

圖9為汽車以速度30 km/h繞著雙絞線軌跡的運行軌跡，從軌跡曲線上可以看到，汽車從坐標原點先以直線運動一段距離再開始切入雙絞線，繼而轉(zhuǎn)動方向盤使汽車完全走過1個8字，得到完整的雙絞線軌跡。圖10為航向角曲線，從圖中可以看到，前3 s汽車航向角穩(wěn)定在318°左右，對應到汽車起始的直線運動，從圖10中汽車直線運動階段明顯可以看到其軌跡與正東方向的夾角與航向角318°大致吻合；在3到40 s之間，汽車繞著雙絞線行駛，完成一個完整8字后慢慢停止運動，最終汽車車頭朝著第一象限，與圖10中40 s時候?qū)?5°吻合；繞樁過程中，汽車的蛇形運行軌跡和汽車航向角的蛇形變化趨勢一致。綜合以上兩點可以得到該航向角是正確的航向角曲線。

圖9 8字繞樁軌跡

圖10 8字繞樁航向角

4　結(jié)論

利用LabVIEW開發(fā)工具開發(fā)了一套基于GPS的汽車航向角測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)能對GPS的串口數(shù)據(jù)進行20Hz速率讀取和實時處理與顯示、保存。通過實車試驗驗證了該套測試系統(tǒng)的可靠性，并通過對比分析得到測量數(shù)據(jù)的準確性滿足要求。整個試驗進展順利，該測試系統(tǒng)界面布置合理，簡單易用；GPS接收信號質(zhì)量良好，精度高。GPS在汽車測試上的應用是方便可行的。

［1］余卓平，高曉杰．車輛行駛過程中的狀態(tài)估計問題綜述［J］．機械工程學報，2009（5）：20－32．

［2］ZANTEN V．Evolution of electronic control system for improving the vehicle dynam ic behavior［C］//Hiroshima：H ne 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control，2002，2002：7－15．

［3］沈?qū)W標，吳向陽．GPS定位技術［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

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(責任編輯：朱聯(lián)九）

The Development of Vehicle Real-Time Heading Angle Measurement System Using the Technology of GPS Based on Labview Platform

XIA Ze-bin1,2，WU Long1,2，WANG Xing-xing1，ZHOU Fu-kun1

(1.School of Mechanical&Electronic Eng.,Sanming Univ.,Sanming 365004,China; 2.Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD,Sanming 365000,China)

The use of GPS real-time location information of single antenna is calculated in real time course in automobile operating angle,and based on the LabVIEW platform vehicle real-time heading angle measurement system,measurement results through the real vehicle test,carries on the contrast analysis,themeasurement results,the accuracy of themeasurement resultsmeet the requirements of the national standard of automobile road test,the test system is stable and reliable in the process of testing.

LabVIEW;heading angle;GPS;testsystem;car networking

U 467.4

A

1673-4343（2015）06-0046-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．010

2015-04-23

福建省教育廳科技項目（JK2014047）；三明學院科研基金項目（B201307/Q）

夏澤斌，男，福建三明人，助教。主要研究方向：機械控制。通訊作者：吳龍，男，寧夏銀川人。主要研究方向：機械動力學與控制。