基于GPS/BD組合定位方法的車輛軌跡連續性跟蹤系統

作者/趙昌麗，天津中德應用技術大學

基于GPS/BD組合定位方法的車輛軌跡連續性跟蹤系統

作者/趙昌麗，天津中德應用技術大學

為保障專屬車道暢通，針對車道入侵監測系統開發環節涉及的車輛軌跡連續性跟蹤問題，釆用了一種基于GPS/BD組合定位的方式以提高定位精度，在接收信號丟失時采用INS定位推算下一時刻位置，進行了行人手持及車載低速情況下的測試工作，綜合定位精度達到0.6m以內，能夠滿足系統整體監測的需要，驗證了組合定位方法在車輛軌跡連續性跟蹤系統中應用的可行性與有效性。

車道入侵；軌跡跟蹤；GPS/BD；INS

引言

針對車道入侵問題的探討[1]，多見于未來交通管理體系中的自主駕駛無人車輛的導航控制，以及當前交通管理體系中對結構化路面下車輛的車道歸屬規范，兩者所涉及的車道違規甚至非法占用，存在嚴重安全隱患，解決兩者問題的核心在于如何認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式的探測行為，以期約束車輛按既定軌跡完成規劃路線，而于后者主要涉及高速公路的應急車道管理以及一般性城市結構化路面近路口處的車道管制，為車輛本體外系統對車道的監測行為。兩者的共性核心問題在于對車輛軌跡的實時準確監測，通常在該環節采用的單點GPS定位精度不高，而差分GPS在成本及面向移動作業時受到局限[2—4]。本文采用了GPS/BD雙單點定位方式，為解決該問題提供一種可行探討。

1. 系統總體設計

硬件系統模塊利用串口與其他模塊相連,該系統采用獨立化的模塊設計思路，各個模塊能夠獨立設計、獨立調試，互不影響，組成如圖1所示。當衛星信號良好，GPS/BD模塊負責提供衛星定位信息，當衛星信號低于閾值時，由MPU6050模塊來提供慣導信息，定位信息由串口送至處理器模塊進行信息處理后重新編制為符合GPRS協議的數據包，最后通過GPRS模塊被發送至監控中心從而實現對車輛的定位[5,6]。

圖1 系統組成框圖

2. 定位相關系統硬件設計

定位系統模塊生產廠家很多，同一廠家型號也各有不同。例如U—blox公司，其就以生產的定位系統精度高，冷啟動速度快，用戶體驗好著稱，本系統采用的便是該公司生產的芯片。以定位為目的的芯片型號就有U—blox 6m、U—blox neo 7M、U—blox m8n等型號。本系統采用的是該公司最新生產的定位系統U—blox m8n，其兼具GPS和北斗兩種模式。可以按照用戶自己的要求配置任一種模式。該模塊供電電壓為2.8V～6V，符合本系統5V的供電電壓。功耗為50mA，功耗水平低能夠增加本系統的續航時間。水平定位精度在2m之內，輸出頻率為1Hz，基本滿足系統設計的各項指標。本系統主要采用GPS/BD數據相融合的定位系統，提高了定位精度，彌補了單GPS或者單BD定位誤差大、數據易漂移的缺點，模塊如圖2所示。

圖2 定位模塊

系統主控制器采用STM32F系列32位ARM微控制器，其內核是Cortex—M3。片內Flash的大小為512K。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。根據系統功耗低、體積小、電壓一致等的要求，本系統選擇了大唐聯芯LC5730型號的無線通信模塊。

3. 系統軟件設計

系統主要對車道數據進行采集，通過網絡將采回的數據進行上傳，終端上位機實時顯示車輛位置信息，系統框圖如圖3所示。第一步，主控芯片讀取GPS與BD的經緯度坐標。第二步，計算兩者經緯度的距離差。第三步，判斷誤差范圍是否小于20cm，如果小于20cm，則對兩者進行差分運算，得到較為精確的經緯度坐標，作為判斷車輛是否占用應急車道的依據。如果經緯度距離差大于20cm，而應急車道的寬度為2.5m，通過計算得到，誤差比為16%，遠低于系統設計要求的10%，說明兩者的經緯度坐標是不可信的，此時主控芯片讀取MPU6050的加速度、角度等狀態信息，以及GPS/BD上一時刻的經緯度信息，推算出這一時刻車輛所在的經緯度坐標。第四步，判斷車輛是否進入應急車道，如果沒有進入應急車道則回到第一步繼續執行，如果進入應急車道，記錄占用應急車道的時長，超過10分鐘后，進行聲光報警，并將占用時長、經緯度坐標等信息發送給遠端上位機。

圖3 系統工作流程圖

4. 實驗驗證與分析

系統測試驗證主要通過手持系統測試與車載系統測試兩部分組成，手持狀態下從定點的誤差分析以及連續點的誤差分析兩方面測試主要目的有：

(1)驗證車輛連續性軌跡跟蹤的方案可行性；

(2)驗證連續性軌跡跟蹤的精度是否達到設計要求。

為了測試本系統室外手持連續軌跡跟蹤方案的可行性，由操作人員攜帶終端設備以1m/s的速度以“S”型曲線路線進行運動，在此運動過程中，我們在每隔1m抽取1個點，按此方式執行5次，行進軌跡數據及對比如圖4所示。

圖4 手持測試數據對比及誤差

能夠看出，當攜帶終端設備的人員按照基準線行進時，實際測量值是是在基準線附近波動的，在前8m的范圍內實際行走軌跡與設備獲取的數據軌跡之間的誤差范圍在0.6m之內，連續性軌跡跟蹤能夠達到系統整體監測的任務需求。

車載狀態下的系統測試，主要是驗證系統實際使用的可行性，模擬車輛在結構化公路中的運行狀態，測試車輛運行過程中車輛軌跡跟蹤系統的方案可行性。

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

車載測試選擇了1km距離的結構化路段作為測試場所，由運行車輛攜帶終端設備以16m/s的速度以“S”型曲線路線進行運動。移動端實時上傳采集的數據，上位機監控軟件實時監控車輛位置信息。在此運動過程中，我們在每隔100m抽取1個點，按此方式執行4次，數據如圖5所示。

圖5 車載實驗數據及對比誤差

能夠看出，當攜帶終端設備的車輛按照基準線行駛時，實際測量值是是在基準線附近波動的，在前50m的范圍內實際運行軌跡與設備采集到的數據軌跡之間的誤差范圍在1m之內，而在50m～70m之間，有小幅波動。

5. 結語

本文針對車道入侵問題，主要涉及車輛連續性軌跡的跟蹤問題開展了研究工作，對GPS/BD雙單點定位系統數據進行了信息融合，在兩者定位給值偏差超出約定閾值的情況下，以來源于慣性測量組件的數據進行推算估計予以校正，經過行人手持及車載低速實驗，初步驗證了該組合定位方法的有效性及環境適用性，所設計的車輛軌跡連續性跟蹤系統整體表現良好。

＊ [1]劉超.城市車輛實時監視系統的定位方法及信息傳輸技術研究[D].中國科學院研究生院(國家授時中心),2012.

隨著酒店業競爭加劇，酒店之間在客戶資源的爭搶上也愈發激烈，導致酒店的利潤空間不斷被壓縮。張瀟瀟（2103）指出必需將更加行之有效的信息化管理運用于酒店的管理中，對酒店的經營空間進行廣泛的開拓，實現運營成本的進一步降低。其認為酒店管理系統的合理運用，不僅可以對大量的信息進行有效的管理，還可以將先進的管理觀念引進來，從而不斷地推動工作效率及服務質量的提升，實現酒店內部管理體制的不斷完善，提高酒店決策水平、經濟效益以及關系效益，最終實現酒店競爭力的提升[9]。

＊ [2]何正斌.GPS/INS組合導航數據處理算法拓展研究[D].長安大學,2012.

＊ [3]孟祥先.基于GPS和RFID技術的列車組合定位方案設計及數據處理方法研究[D].蘭州交通大學,2014.

＊ [4]劉進一,杜岳峰,張碩，等. 基于GNSS/MIMU/DR的農業機械組合導航定位方法[J].農業機械學報,2016.

＊ [5]林英杰,李東杰,梁光靜,等. 基于FPGA的快速車道偏離預警系統硬件實現[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定位性能對比分析[J]. 科學通報,2015.