基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

張浩，張紅衛(wèi) ，鄭雪蓮

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；3.吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

張浩*1，2，張紅衛(wèi)1，2，鄭雪蓮3

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；3.吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

為降低車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)成本、提高檢測(cè)便捷性，文章在分析傳統(tǒng)車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)利用GPS定位、測(cè)速功能和慣性傳感器測(cè)姿功能以實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合移動(dòng)端內(nèi)置傳感器的種類和功能，探究了基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的可行性，并依據(jù)GPS/INS組合導(dǎo)航方法設(shè)計(jì)了GPS重調(diào)慣導(dǎo)、位置和速度信息組合模式兩種檢測(cè)方案。研究結(jié)果可為移動(dòng)端測(cè)試技術(shù)在車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

汽車運(yùn)用；車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)；GPS/INS組合導(dǎo)航；移動(dòng)端；傳感器標(biāo)定

引言

車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)是利用專門的儀器設(shè)備獲得車輛位置、速度、姿態(tài)等。通過(guò)檢測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，可以對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，有助于了解車輛的動(dòng)力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)價(jià)格昂貴、使用復(fù)雜，限制了車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的推廣，也使得普通駕駛?cè)穗y以準(zhǔn)確了解和掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)。

隨著移動(dòng)端的廣泛使用，加之移動(dòng)端內(nèi)置的GPS及慣性傳感器模塊，應(yīng)用智能移動(dòng)端進(jìn)行導(dǎo)航、測(cè)速、狀態(tài)監(jiān)控等得到了學(xué)者們的關(guān)注。因此，本文旨在分析傳統(tǒng)車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，探究利用移動(dòng)端內(nèi)置傳感器進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的可行性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 汽車運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

汽車運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)源于20世紀(jì)50年代。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與試驗(yàn)儀器、測(cè)試設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。截止到目前，車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可大致分為兩種：

（1）基于光電傳感器的檢測(cè)技術(shù)。它以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)和控制中得到廣泛應(yīng)用。日本小野測(cè)器株式會(huì)社研發(fā)的小野 DL3000測(cè)試系統(tǒng)和德國(guó)Corrys-Datron Sensor System Inc開發(fā)的Datron測(cè)試系統(tǒng)是典型的光電傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。

（2）基于GPS/INS的檢測(cè)技術(shù)。它借助GPS定位技術(shù)和慣性測(cè)量技術(shù)進(jìn)行物體運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，在飛行器、輪船以及地面車輛的定位和導(dǎo)航中得到了廣泛應(yīng)用。英國(guó)Racelogic基于GPS定位原理研發(fā)的VBOX測(cè)試系統(tǒng)以及利用慣性傳感器開發(fā)的三軸加速度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在車輛操縱穩(wěn)定性檢測(cè)等領(lǐng)域。

2 GPS/INS車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)原理分析

對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確描述，需要涉及車輛的運(yùn)行軌跡、方向、速度、加速度、車身轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角位移等信息。在車輛運(yùn)行狀態(tài)的表征參數(shù)中，行駛軌跡和運(yùn)行方向用于描述車輛在空間的位置和前進(jìn)方向隨時(shí)間的變化；速度、加速度描述車輛位移快慢隨時(shí)間的變化；車身轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角位移描述車身姿態(tài)隨時(shí)間的變化。因此，GPS/INS系統(tǒng)需獲得車輛位置參數(shù)、速度參數(shù)、加速度參數(shù)、角度參數(shù)和角速度參數(shù)。

2.1 GPS定位、測(cè)速、測(cè)姿原理

利用空間距離交會(huì)原理，GPS可以獲得運(yùn)載體的經(jīng)緯度和海拔（圖 1）。當(dāng)選定地面上的某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)之后，利用北東天站心坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，可以將經(jīng)緯度和高程表示的車輛位置換算成以北東方位表示的相對(duì)于參考點(diǎn)的位置。借助偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量（圖2）等高精度測(cè)量方法，GPS的定位精度在借助基站的情況可達(dá)厘米級(jí)。

圖1 GPS定位原理

圖2 載波相位測(cè)量原理

在GPS高精度定位的基礎(chǔ)上，通過(guò)位置差分則可獲取運(yùn)載體的運(yùn)行速度。然而，位置差分所產(chǎn)生的誤差較大。目前，GSP一般利用原始多普勒觀測(cè)值直接計(jì)算速度，或者利用載波相位中心差分所獲得的多普勒觀測(cè)值計(jì)算速度。

GPS測(cè)姿是利用 GPS接收機(jī)來(lái)測(cè)量不同天線之間的相對(duì)位置，并通過(guò)精確的相對(duì)位置進(jìn)行定向、定姿計(jì)算。使GPS具備姿態(tài)測(cè)量功能需滿足以下條件：

→ GPS接收機(jī)使用兩個(gè)或更多天線構(gòu)成基線向量。當(dāng)采用兩天線時(shí)，GPS接收機(jī)可以測(cè)量車輛航向和俯仰角（圖3）或者車輛航向和側(cè)傾角（圖4）；當(dāng)采用不在一條線上的3天線時(shí)，能組合測(cè)量車輛的航向角、俯仰角和側(cè)傾角（圖5）。

→ 采用載波測(cè)量數(shù)據(jù)。GPS接收機(jī)所能測(cè)量的偽距精度不足以測(cè)量車輛姿態(tài)，必須使用載波的測(cè)量數(shù)據(jù)。

→ 解求載波周期模糊度。

圖3 雙天線縱向布置

圖4 雙天線橫向布置

圖5 三天線布置

GPS在定位和測(cè)速方面具有很高的精度，姿態(tài)測(cè)量的精度則受到很大限制。尤其是在GPS信號(hào)丟失后重新開始定位時(shí)，此時(shí)GPS測(cè)姿結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

2.2 INS定位、測(cè)速、測(cè)姿原理

慣性系統(tǒng)由陀螺儀和加速度計(jì)構(gòu)成。陀螺儀是利用角動(dòng)量守恒定律制成的具有方向指示功能和角運(yùn)動(dòng)測(cè)量功能的儀器，其具有進(jìn)動(dòng)性和穩(wěn)定性。借助其穩(wěn)定性，可以測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移；借助其進(jìn)動(dòng)性，則可以測(cè)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。加速度計(jì)用于測(cè)量運(yùn)載體的線加速度。在使用時(shí)，沿加速度計(jì)敏感軸的輸出并不是運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)加速度，而是慣性加速度與地球引力加速度的矢量差，稱之為比力。因此，在利用加速度計(jì)測(cè)量運(yùn)載體加速度時(shí)，需要從比力中扣除重力加速度在該軸上的分量。

如果已知慣性系統(tǒng)的基準(zhǔn)方向以及最初的位置信息，可借助積分確定運(yùn)載體的方位、位置和速度。

慣性系統(tǒng)在測(cè)量物體姿態(tài)和加速度方面具有很高的精度。利用慣性系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行定位時(shí)，需借助積分方法實(shí)現(xiàn)，容易累積誤差，因而其在定位方面的精度較差。

2.3 GPS/INS組合測(cè)量原理

GPS/INS測(cè)量將GPS的長(zhǎng)期高精度性能和慣導(dǎo)系統(tǒng)的短期高精度性能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使組合后的導(dǎo)航性能比任意系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)有很大提高。隨著組合水平的不斷加深，GPS和INS之間的信息交流不斷加強(qiáng)，組合測(cè)量的總體性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)系統(tǒng)。GPS/INS組合測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

→ 高精度的GPS信息可用來(lái)修正INS信息，控制INS誤差隨時(shí)間的積累；

→ GPS/INS組合測(cè)量加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力；

→ 解決了GPS動(dòng)態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問(wèn)題；

→ 組合系統(tǒng)降低了對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求。

GPS/INS組合可根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇不同層次的組合。按照組合深度的不同，其分為松散組合和緊密組合（圖6）。

圖6 GPS/INS組合測(cè)量方案

松散組合的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)。組合后，兩系統(tǒng)仍獨(dú)立工作，使測(cè)量信息有一定余度；缺點(diǎn)是GPS的定位誤差通常是時(shí)間相關(guān)的，特別是在GPS接收機(jī)應(yīng)用卡爾曼濾波時(shí)。

緊密組合利用GPS接收機(jī)輸出的偽距、偽距率等原始信息進(jìn)行定位、測(cè)速；在可見衛(wèi)星少于4顆時(shí)，仍能進(jìn)行卡爾曼濾波，可解決GPS信號(hào)失效的問(wèn)題，并利用狀態(tài)估計(jì)結(jié)果校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，緊密組合利用的是GPS接收機(jī)的原始信息，與GPS接收機(jī)輸出的位置、速度相比，偽距、偽距率不帶有時(shí)間相關(guān)性，對(duì)組合濾波中的濾波結(jié)果更有益。

3 基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)研究

3.1 移動(dòng)端內(nèi)置傳感器的種類和功能分析

目前，絕大多數(shù)移動(dòng)端配備多種傳感器以感受其所處位置、姿態(tài)、環(huán)境等。根據(jù)功能不同，傳感器可分為運(yùn)動(dòng)、位置和環(huán)境傳感器。常見運(yùn)動(dòng)和位置傳感器的性能如表1所示。

表1 Android平臺(tái)常見運(yùn)動(dòng)和位置傳感器的性能

由表1可知，移動(dòng)端內(nèi)置傳感器能夠測(cè)量移動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果將移動(dòng)端放置在車輛上，并固定其移動(dòng)，則可借助移動(dòng)端測(cè)量車輛運(yùn)行狀態(tài)。

為了讓用戶能夠快速的對(duì)傳感器進(jìn)行訪問(wèn)，并讀取其采集到的原始數(shù)據(jù)，大部分移動(dòng)端給開發(fā)者提供了方便的開放接口。通過(guò)這個(gè)統(tǒng)一的接口，可以對(duì)不涉及機(jī)密的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)開發(fā)。

因此，利用客戶端進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)是切實(shí)可行的。

3.2 移動(dòng)端車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛檢測(cè)系統(tǒng)主要是采集、處理、顯示和存儲(chǔ)車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及軌跡信息。結(jié)合已有的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)功能，基于移動(dòng)端的檢測(cè)系統(tǒng)的總體需求主要包括6個(gè)方面：

（1）采集和處理車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)；

（2）實(shí)時(shí)顯示車輛運(yùn)行狀態(tài)和軌跡；

（3）車輛超速、危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警功能；

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和導(dǎo)出；

（5）數(shù)據(jù)傳輸；

（6）功能開啟和關(guān)閉。

由于移動(dòng)端的ECU處理能力和速度非常有限，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)盡量減少?gòu)?fù)雜運(yùn)算，以提高系統(tǒng)的實(shí)際可用性。

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的需求分析，將系統(tǒng)功能劃分為車輛運(yùn)行狀態(tài)采集模塊、電子地圖模塊、狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，以及藍(lán)牙或無(wú)線通信模塊五大部分（圖7）。

圖7 基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

借助移動(dòng)端內(nèi)置GPS模塊和慣性傳感器獲取車輛位置、航向、速度和加速度、角速度以及角位移的方法與傳統(tǒng)GPS/INS組合導(dǎo)航方法類似。根據(jù)GPS/INS組合導(dǎo)航方法，基于移動(dòng)端測(cè)試技術(shù)的車輛檢測(cè)方案可分為兩種。

3.3.1 GPS重調(diào)慣導(dǎo)方案

方案布置如圖8所示。車輛位置和速度利用GPS模塊獲得；加速度借助加速度傳感器和重力傳感器獲得；三軸角速度借助陀螺儀獲得；姿態(tài)角和航向角利用加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器獲得。

圖8 GPS重調(diào)慣導(dǎo)方案

當(dāng)車輛在隧道、涵洞等遮蓋地行駛時(shí)，GPS模塊無(wú)法接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使得車輛定位中斷，其位置和速度信息丟失。該情況發(fā)生時(shí)，可利用慣性傳感器短時(shí)獲取車輛速度和位移；在GPS恢復(fù)正常時(shí)，繼續(xù)采用GPS獲取車輛位置和速度。

圖9 位置+速度信息組合方案

3.3.2 位置+速度信息組合方案

方案布置如圖9所示。用GPS模塊和慣性傳感器輸出的位置和速度信息的差值作為量測(cè)值，經(jīng)卡爾曼濾波來(lái)估計(jì)慣性傳感器的誤差，然后對(duì)慣性傳感器進(jìn)行校正，獲得車輛位置、速度、姿態(tài)等。

3.4 移動(dòng)端傳感器標(biāo)定

為獲取準(zhǔn)確的車輛運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)移動(dòng)端內(nèi)置傳感器的性能參數(shù)做出標(biāo)定，從而對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

針對(duì)陀螺儀傳感器的輸出誤差，可采用轉(zhuǎn)臺(tái)法對(duì)各軸角速度進(jìn)行標(biāo)定。將移動(dòng)端固定在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，對(duì)3軸依次進(jìn)行指定的轉(zhuǎn)速標(biāo)定，誤差系數(shù)定義為3組測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，以提高標(biāo)定精度。

加速度傳感器的標(biāo)定方法與陀螺儀傳感器相同。針對(duì)加速度傳感器的輸出誤差，用加速度傳感器感應(yīng)重力加速度的方法來(lái)完成。將移動(dòng)端的3軸依次垂直水平面在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)上固定，分別測(cè)出加速度為g和-g時(shí)各軸向的加速度值，并標(biāo)定其誤差系數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析移動(dòng)端內(nèi)置傳感器的種類和功能可知，借助移動(dòng)端內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)和位置傳感器，在移動(dòng)端接口開放的條件下，可以設(shè)計(jì)基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。本文中設(shè)計(jì)了兩種車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方案。論文研究成果可為后續(xù)開發(fā)基于移動(dòng)端的車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)提供理論參考。

本文受到“運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題”資助。

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Research on Vehicle Driving State Detection System Based on Mobile End

Zhang Hao*1,2, Zhang Hongwei1,2, Zheng Xuelian3
( 1.Research institute of highway ministry of transport, Beijing 100088; 2.Transport vehicle running safety technology the industry focus on the experiment, Beijing 100088; 3.Jiaotong university, jilin university, Changchun 130022 )

In order to reduce thecost of vehicle driving state detection and improve its convenience, the paper analyzed the traditional detection technologyon vehicle driving state based on GPS and inertial sensor, then investigate the feasibility of vehicle driving state detection based on the exploration of types and functions of mobile end built-in sensor.Two kinds of detection schemes were proposed according to different GPS / INS integrated navigation methods, which are GPS reconfigurable inertia mode and position and velocity information combination mode. Thestudy result can provide theoretical and technical support for the application of mobile end test technology in the detection of vehicle driving status.

Automobile application; vehicle driving state detection; GPS / INS integrated navigation; mobile end;sensor calibration

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-87-04

U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-87-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.028

張浩，男，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院副研究員。主要研究方向：貨運(yùn)車型標(biāo)準(zhǔn)化、汽車列車行駛穩(wěn)定性和通過(guò)性測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究等。張紅衛(wèi)，男，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院首席汽車工程師，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)椋浩嚢踩c節(jié)能環(huán)保等性能評(píng)價(jià)分析與控制對(duì)策，產(chǎn)品可靠性與質(zhì)量控制技術(shù)、認(rèn)證與質(zhì)量管理、汽車標(biāo)準(zhǔn)化等。項(xiàng)目基金：[*]本文受到“運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題”資助。