基于MEMS和GPS的駕駛行為和車輛狀態監測系統設計*

秦洪武，石存杰，劉 軍

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013）

0 引言

汽車道路行駛過程中，駕駛員的駕駛行為不僅是保證汽車高速行駛安全的一個主要條件之一，而且也是關系到汽車動力學特性的主要因素。車輛在行駛過程中除了受到駕駛員的操縱外，同時還受到道路環境的影響［1］。此外，車輛對于駕駛員的操縱和道路環境的影響會產生動態的響應和反饋，這種響應和反饋與道路環境一起又直接影響駕駛員的操縱。為了保證安全駕駛，在對駕駛人員駕駛行為的研究中，有必要分析在各種不同駕駛環境下，駕駛員的駕駛行為，判斷在駕駛過程中對駕駛員的各種影響因素。通過采集駕駛員對車輛操作行為和車輛行駛狀態改變的各種信息，從中可以判斷、確定駕駛員在駕駛過程中的駕駛行為［2］。

MEMS產品的優勢在于低成本、低功耗、小尺寸和批量化。隨著技術的進步，它又向高精度傳感器的方向發展［3，4］。駕駛行為的獲取可以通過安裝不同的傳感器直接測量獲取，比如:節氣門位置傳感器測量節氣門開度，制動踏板角位移傳感器測量制動踏板開度，方向盤轉角傳感器測量方向盤轉角等，但這些儀器價格昂貴，會增加汽車的成本，同時傳感器數量的增多會導致硬件設計的困難等問題［5］。正是由于駕駛行為和車輛狀態監測的重要性和駕駛行為監測的不足之處，設計了基于MEMS和GPS的駕駛行為和車輛狀態監測系統，實現對駕駛員操縱行為的感知和汽車運動狀態的實時測量。

1 系統總體設計

基于MEMS慣性傳感器和GPS設計了駕駛行為和車輛狀態監測系統，可以實現對汽車運動狀態參數的在線測量和駕駛員操縱動作的感知。汽車的運動狀態主要是駕駛行為作用的結果，駕駛人在駕駛過程中的操作行為表現為對汽車操縱裝置的控制，汽車操縱裝置包括方向盤、變速桿、加速踏板、制動踏板、離合器踏板等［6，7］。系統中所涉及的駕駛行為和車輛狀態信息之間的關系如圖1所示。

圖1 駕駛行為和車輛狀態信息分類Fig 1 Classification of driver behavior and vehicle state information

1．1 系統方案的設計

結合MEMS傳感器的特點，本文將MEMS傳感器應用于車輛運動狀態信息的采集，結合GPS，利用加速度傳感器和角速度陀螺以及微慣性測量單元（MIMU），開發了駕駛行為感知和車輛狀態監測系統。可以實現實時測量離合器踏板、油門踏板和剎車踏板信號，變速桿前后、左右方向信號，方向盤轉角速度信號，汽車運動速度信息和6自由度運動狀態信息。

通過安裝在車輛上的獨立傳感器，分別采集、融合各類信號到數據采集器，經過A/D轉換器、信息同步處理將各類模擬信號轉換為數字信號，通過并口傳輸給實驗車數據采集系統進行存儲、分析和顯示等操作。所設計的駕駛行為和車輛狀態監測系統方案如圖2所示。

圖2 駕駛行為和車輛狀態檢測系統方案框圖Fig 2 Scheme block diagram of driving behavior and vehicle state monitoring system

1．2 系統硬件設計

系統所用到的主要設備有GPS接收器、MIMU、1只角速度陀螺、4只雙向加速度計、信號采集器、車載直流電源、實驗車輛等。GPS用于實時測量汽車運動的車速，MIMU用于在線測量汽車的三軸加速度和三軸角速度，1只角速度陀螺測量方向盤轉角速度，4只加速度計分別感知離合器踏板、油門踏板、剎車踏板變速桿的加速度信號，車載直流電源（將12V直流電轉換成5V直流電后）向MIMU和各傳感器供電。其中GPS采集到的是數字信號，通過USB接口可直接連接至便攜式計算機;MIMU和各傳感器采集到的均是模擬信號，需經過信號采集器的模數轉換才能利用。

1．2．1 GPS 接收器

選用的GPS的型號是GPSport 245，該型號是一種高精度GPS接收機，具有32個衛星頻道，更新速率為1 Hz，速度精度為 0．1 m/s，重新定位時間小于 0．1 s，位置為3．0 mCEP，水平誤差95%時間小于2．2 m，垂直誤差95%時間小于5 m。

1．2．2 加速度計

ADXL序列的加速度計是美國模擬器件（ADI）公司的新型單芯片雙軸傳感器，具有體積小、質量輕、響應快、靈敏度高和易生產等特點，是一種高精度、低功耗及單一的集成微電子機械系統（integration micro electronic measurement system，iMEMS）型 IC 芯片加速度計［8］。

1．2．3 角速度傳感器

ADXRS系列角速度傳感器是利用科里奧利（Coriolis）加速度來測量角速度的，內部同時集成有角速率傳感器和信號處理電路，并帶有感應溫度的傳感器，具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動性好的優點［9］。

1．2．4 信號采集器

實驗選用的信號采集器是NI—USB系列采集卡，型號是USB—6211（M系列高性能），用于采集車輛6自由度運動參數和駕駛員操縱行為參數的模擬信號，并將模擬信號轉換為數字信號送入計算機做進一步的處理。

1．2．5 MIMU

為了達到在線測量汽車運動狀態參數的目的，自主設計了 MIMU，MIMU結構安裝誤差受溫度影響非常嚴重［10，11］，將MIMU直接固聯于運動載體上，測得的信號是沿載體坐標系各軸相對于慣性空間的角速率和線加速度。所設計的MIMU中傳感器的布置如圖3所示，圖中立方塊代表雙向加速度計，圓柱體代表角速度陀螺，由于本文所用的是雙向加速度計，有2個方向的輸出信號，因此，采用2只雙向微加速度計和3只角速度陀螺儀，3只角速度陀螺安裝在立方體的3個正交平面上，2只雙向加速度計安裝在2個正交平面上，剩下的一個底面作為MIMU與汽車質心處的安裝固定平面。

1．3 軟件功能與實現

圖3 加速度計和角速度陀螺的布置方案Fig 3 Layout scheme of accelerometers and angular velocity gyroscopes

軟件系統集實時顯示、數據采集于一體，軟件的總體結構如圖4所示。采用Visual Basic2005語言和NI Measurement Studio作為系統的開發環境，各類信息的采樣頻率為5 Hz。

圖4 駕駛行為和車輛狀態信息采集系統軟件功能結構圖Fig 4 Software function structure diagram of driving behavior and vehicle state information collection system

2 實車實驗

2．1 實驗平臺的搭建

實車實驗之前，需要進行車載實驗平臺的搭建，汽車運動狀態信息采集試驗平臺的搭建主要包括MIMU的安裝，方向盤角速度陀螺的安裝，剎車踏板加速度計、離合器踏板加速度計和變速桿加速度計的安裝。MIMU在汽車上的安裝，角速度陀螺在方向盤的安裝，雙向加速度計在各個踏板和變速桿的安裝如圖5所示。

圖5 傳感器在汽車上的安裝Fig 5 Installation of sensor in vehicle

2．2 車載實驗

在實驗時，實車在線測量油門踏板、制動踏板、離合器踏板、變速手柄的加速度信號、方向盤角速度信號、縱向加速度信號等。采用不同的實驗方法開展實驗，針對駕駛員縱向操縱行為信息、縱向車速和縱向加速度的在線測量實驗，采用汽車直線行駛;針對駕駛員橫向操縱行為信息、橫擺角速度和側向加速度的在線測量，采用移線實驗方法和蛇形線實驗方法來開展實驗。

2．3 實驗結果分析

由于離合器踏板、油門踏板和剎車踏板輸出的信號是垂直于踏板的踩踏方向的加速度，該信號受縱向加速度的影響比較大，因此，在進行數據處理時，將離合器踏板、油門踏板和剎車踏板的加速度減去縱向加速度近似作為踏板的加速度信號。各個傳感器信號如圖6～圖9所示。同理將變速桿前后方向的加速度減去汽車縱向加速度，如圖10所示。變速桿左右方向加速度信號如圖11所示，側向加速度仿真值和實驗值對比曲線如圖12所示，方向盤轉角求解結果和實驗結果對比曲線如圖13所示。

圖6 汽車縱向加速度Fig 6 Longitudinal acceleration of vehicle

圖7 汽車油門踏板加速度Fig 7 Acceleration of vehicle throttle pedal

圖8 汽車剎車踏板加速度Fig 8 Acceleration of vehicle brake pedal

圖9 離合器踏板加速度Fig 9 Acceleration of clutch pedal

實驗結果表明:加速度計對駕駛員踩剎車踏板的動作感知效果較好，對油門踏板的感知較差，主要是由于駕駛員踩油門踏板時，動作比較平穩造成的。系統能夠較好地識別駕駛員對剎車踏板、離合器踏板和變速桿的操作，說明了駕駛行為感知和汽車運動狀態的監測系統用于駕駛員操縱行為的感知具有一定的可行性。側向加速度和方向盤轉角不太光滑，由于系統的輸入—實驗測得的橫擺角速度和側向加速度不是很光滑造成的，但是側向加速度和方向盤轉角的理論識別曲線與實車實驗曲線在趨勢上比較吻合，達到了預期目標。

圖10 變速桿前后方向加速度Fig 10 Longitudinal acceleration of gear shift lever

圖11 變速桿左右方向加速度Fig 11 Lateral acceleration of gear shift lever

圖12 側向加速度仿真值與實驗值對比曲線Fig 12 Contrastive curves of lateral acceleration simulation values and test values

圖13 方向盤轉角識別值與實驗值曲線Fig 13 Contrastive curves of steering angular recognition values and test values

3 結論

基于MEMS慣性傳感器和GPS所設計的駕駛行為和車輛狀態監測系統，并且自主設計了IMIU，實現對駕駛員行為轉向、變換檔位、踩踏油門、制動和離合器控制等動作的感知和車輛狀態的監測。搭建了車載實驗平臺，進行了實車道路實驗，針對汽車縱向加速度、油門踏板加速度、剎車踏板加速度、離合器踏板加速度、變速桿加速度進行感知，并且對側向加速度和方向盤轉角實驗值曲線和仿真曲線進行比較，曲線趨勢比較吻合，驗證了開展駕駛行為和車輛狀態監測的理論可行性。這一結果為開發駕駛人員操縱動作自動識別系統提供理論基礎和技術支持，也可為提高汽車行駛性和安全性提供重要的理論依據和工程應用指導。

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