基于GPS/BD組合定位方法的車輛軌跡連續(xù)性跟蹤系統(tǒng)

作者/趙昌麗，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

基于GPS/BD組合定位方法的車輛軌跡連續(xù)性跟蹤系統(tǒng)

作者/趙昌麗，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)

為保障專屬車道暢通，針對(duì)車道入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)涉及的車輛軌跡連續(xù)性跟蹤問(wèn)題，釆用了一種基于GPS/BD組合定位的方式以提高定位精度，在接收信號(hào)丟失時(shí)采用INS定位推算下一時(shí)刻位置，進(jìn)行了行人手持及車載低速情況下的測(cè)試工作，綜合定位精度達(dá)到0.6m以內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)的需要，驗(yàn)證了組合定位方法在車輛軌跡連續(xù)性跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性與有效性。

車道入侵；軌跡跟蹤；GPS/BD；INS

引言

針對(duì)車道入侵問(wèn)題的探討[1]，多見(jiàn)于未來(lái)交通管理體系中的自主駕駛無(wú)人車輛的導(dǎo)航控制，以及當(dāng)前交通管理體系中對(duì)結(jié)構(gòu)化路面下車輛的車道歸屬規(guī)范，兩者所涉及的車道違規(guī)甚至非法占用，存在嚴(yán)重安全隱患，解決兩者問(wèn)題的核心在于如何認(rèn)定車道是否存在入侵。

車道入侵于前者主要指車輛本體主動(dòng)式的探測(cè)行為，以期約束車輛按既定軌跡完成規(guī)劃路線，而于后者主要涉及高速公路的應(yīng)急車道管理以及一般性城市結(jié)構(gòu)化路面近路口處的車道管制，為車輛本體外系統(tǒng)對(duì)車道的監(jiān)測(cè)行為。兩者的共性核心問(wèn)題在于對(duì)車輛軌跡的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，通常在該環(huán)節(jié)采用的單點(diǎn)GPS定位精度不高，而差分GPS在成本及面向移動(dòng)作業(yè)時(shí)受到局限[2—4]。本文采用了GPS/BD雙單點(diǎn)定位方式，為解決該問(wèn)題提供一種可行探討。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)模塊利用串口與其他模塊相連,該系統(tǒng)采用獨(dú)立化的模塊設(shè)計(jì)思路，各個(gè)模塊能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立調(diào)試，互不影響，組成如圖1所示。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)良好，GPS/BD模塊負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星定位信息，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)低于閾值時(shí)，由MPU6050模塊來(lái)提供慣導(dǎo)信息，定位信息由串口送至處理器模塊進(jìn)行信息處理后重新編制為符合GPRS協(xié)議的數(shù)據(jù)包，最后通過(guò)GPRS模塊被發(fā)送至監(jiān)控中心從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的定位[5,6]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2. 定位相關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)模塊生產(chǎn)廠家很多，同一廠家型號(hào)也各有不同。例如U—blox公司，其就以生產(chǎn)的定位系統(tǒng)精度高，冷啟動(dòng)速度快，用戶體驗(yàn)好著稱，本系統(tǒng)采用的便是該公司生產(chǎn)的芯片。以定位為目的的芯片型號(hào)就有U—blox 6m、U—blox neo 7M、U—blox m8n等型號(hào)。本系統(tǒng)采用的是該公司最新生產(chǎn)的定位系統(tǒng)U—blox m8n，其兼具GPS和北斗兩種模式?？梢园凑沼脩糇约旱囊笈渲萌我环N模式。該模塊供電電壓為2.8V～6V，符合本系統(tǒng)5V的供電電壓。功耗為50mA，功耗水平低能夠增加本系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。水平定位精度在2m之內(nèi)，輸出頻率為1Hz，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。本系統(tǒng)主要采用GPS/BD數(shù)據(jù)相融合的定位系統(tǒng)，提高了定位精度，彌補(bǔ)了單GPS或者單BD定位誤差大、數(shù)據(jù)易漂移的缺點(diǎn)，模塊如圖2所示。

圖2 定位模塊

系統(tǒng)主控制器采用STM32F系列32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex—M3。片內(nèi)Flash的大小為512K。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。根據(jù)系統(tǒng)功耗低、體積小、電壓一致等的要求，本系統(tǒng)選擇了大唐聯(lián)芯LC5730型號(hào)的無(wú)線通信模塊。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要對(duì)車道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將采回的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，終端上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示車輛位置信息，系統(tǒng)框圖如圖3所示。第一步，主控芯片讀取GPS與BD的經(jīng)緯度坐標(biāo)。第二步，計(jì)算兩者經(jīng)緯度的距離差。第三步，判斷誤差范圍是否小于20cm，如果小于20cm，則對(duì)兩者進(jìn)行差分運(yùn)算，得到較為精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)，作為判斷車輛是否占用應(yīng)急車道的依據(jù)。如果經(jīng)緯度距離差大于20cm，而應(yīng)急車道的寬度為2.5m，通過(guò)計(jì)算得到，誤差比為16%，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的10%，說(shuō)明兩者的經(jīng)緯度坐標(biāo)是不可信的，此時(shí)主控芯片讀取MPU6050的加速度、角度等狀態(tài)信息，以及GPS/BD上一時(shí)刻的經(jīng)緯度信息，推算出這一時(shí)刻車輛所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)。第四步，判斷車輛是否進(jìn)入應(yīng)急車道，如果沒(méi)有進(jìn)入應(yīng)急車道則回到第一步繼續(xù)執(zhí)行，如果進(jìn)入應(yīng)急車道，記錄占用應(yīng)急車道的時(shí)長(zhǎng)，超過(guò)10分鐘后，進(jìn)行聲光報(bào)警，并將占用時(shí)長(zhǎng)、經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息發(fā)送給遠(yuǎn)端上位機(jī)。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證主要通過(guò)手持系統(tǒng)測(cè)試與車載系統(tǒng)測(cè)試兩部分組成，手持狀態(tài)下從定點(diǎn)的誤差分析以及連續(xù)點(diǎn)的誤差分析兩方面測(cè)試主要目的有：

(1)驗(yàn)證車輛連續(xù)性軌跡跟蹤的方案可行性；

(2)驗(yàn)證連續(xù)性軌跡跟蹤的精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為了測(cè)試本系統(tǒng)室外手持連續(xù)軌跡跟蹤方案的可行性，由操作人員攜帶終端設(shè)備以1m/s的速度以“S”型曲線路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，我們?cè)诿扛?m抽取1個(gè)點(diǎn)，按此方式執(zhí)行5次，行進(jìn)軌跡數(shù)據(jù)及對(duì)比如圖4所示。

圖4 手持測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比及誤差

能夠看出，當(dāng)攜帶終端設(shè)備的人員按照基準(zhǔn)線行進(jìn)時(shí)，實(shí)際測(cè)量值是是在基準(zhǔn)線附近波動(dòng)的，在前8m的范圍內(nèi)實(shí)際行走軌跡與設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)軌跡之間的誤差范圍在0.6m之內(nèi)，連續(xù)性軌跡跟蹤能夠達(dá)到系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)的任務(wù)需求。

車載狀態(tài)下的系統(tǒng)測(cè)試，主要是驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際使用的可行性，模擬車輛在結(jié)構(gòu)化公路中的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)試車輛運(yùn)行過(guò)程中車輛軌跡跟蹤系統(tǒng)的方案可行性。

1.2.1 病房環(huán)境要求:干凈、安靜、舒適、安全。在各部門(mén)的檢查中,病房環(huán)境管理常常是不符合規(guī)范化要求。探討其中的原因如下:

車載測(cè)試選擇了1km距離的結(jié)構(gòu)化路段作為測(cè)試場(chǎng)所，由運(yùn)行車輛攜帶終端設(shè)備以16m/s的速度以“S”型曲線路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)端實(shí)時(shí)上傳采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛位置信息。在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，我們?cè)诿扛?00m抽取1個(gè)點(diǎn)，按此方式執(zhí)行4次，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 車載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比誤差

能夠看出，當(dāng)攜帶終端設(shè)備的車輛按照基準(zhǔn)線行駛時(shí)，實(shí)際測(cè)量值是是在基準(zhǔn)線附近波動(dòng)的，在前50m的范圍內(nèi)實(shí)際運(yùn)行軌跡與設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)軌跡之間的誤差范圍在1m之內(nèi)，而在50m～70m之間，有小幅波動(dòng)。

5. 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)車道入侵問(wèn)題，主要涉及車輛連續(xù)性軌跡的跟蹤問(wèn)題開(kāi)展了研究工作，對(duì)GPS/BD雙單點(diǎn)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了信息融合，在兩者定位給值偏差超出約定閾值的情況下，以來(lái)源于慣性測(cè)量組件的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算估計(jì)予以校正，經(jīng)過(guò)行人手持及車載低速實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該組合定位方法的有效性及環(huán)境適用性，所設(shè)計(jì)的車輛軌跡連續(xù)性跟蹤系統(tǒng)整體表現(xiàn)良好。

＊ [1]劉超.城市車輛實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的定位方法及信息傳輸技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(國(guó)家授時(shí)中心),2012.

隨著酒店業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，酒店之間在客戶資源的爭(zhēng)搶上也愈發(fā)激烈，導(dǎo)致酒店的利潤(rùn)空間不斷被壓縮。張瀟瀟（2103）指出必需將更加行之有效的信息化管理運(yùn)用于酒店的管理中，對(duì)酒店的經(jīng)營(yíng)空間進(jìn)行廣泛的開(kāi)拓，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)成本的進(jìn)一步降低。其認(rèn)為酒店管理系統(tǒng)的合理運(yùn)用，不僅可以對(duì)大量的信息進(jìn)行有效的管理，還可以將先進(jìn)的管理觀念引進(jìn)來(lái)，從而不斷地推動(dòng)工作效率及服務(wù)質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)酒店內(nèi)部管理體制的不斷完善，提高酒店決策水平、經(jīng)濟(jì)效益以及關(guān)系效益，最終實(shí)現(xiàn)酒店競(jìng)爭(zhēng)力的提升[9]。

＊ [2]何正斌.GPS/INS組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理算法拓展研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2012.

＊ [3]孟祥先.基于GPS和RFID技術(shù)的列車組合定位方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法研究[D].蘭州交通大學(xué),2014.

＊ [4]劉進(jìn)一,杜岳峰,張碩，等. 基于GNSS/MIMU/DR的農(nóng)業(yè)機(jī)械組合導(dǎo)航定位方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016.

＊ [5]林英杰,李東杰,梁光靜,等. 基于FPGA的快速車道偏離預(yù)警系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2016.

＊ [6]汪亮,李子申,袁洪,周凱.BDS/GPS/GLONASS組合的雙頻單歷元相對(duì)定位性能對(duì)比分析[J]. 科學(xué)通報(bào),2015.