RTK-北斗駕駛員訓練考核評判設計

賈小文，賀秀良

(軍事交通學院 基礎部，天津 300161)

RTK-北斗駕駛員訓練考核評判設計

賈小文，賀秀良

(軍事交通學院 基礎部，天津 300161)

為提高部隊駕駛員訓練考核信息化、自動化和智能化水平，以RTK-北斗二代定位技術為基礎，介紹訓練考核評判的設計方法，包括評判的總體思路，車輛、課目和場地數字化建模的方法與原理，以及評判的基本思路、程序設計方法與考核過程的可視化設計。測試結果表明，該方法可靠、迅速，評判精度高，能夠高效地實現車輛位置信息的自動評判。

載波相位差分(RTK)；北斗衛星導航系統；駕駛員培訓

衛星導航系統中，基于載波相位差分(real-time kinematic，RTK) 的多天線定位技術具有相當高的精度，可達厘米級。2006年賀秀良等[1]就開展了基于RTK-GPS駕駛員訓練考核系統研究。2012年北斗二代衛星導航系統公布了BII碼，也具備了RTK定位能力。研究結果證明，定位精度完全不遜于美國GPS系統[2]。厘米級定位精度極大地拓寬了衛星導航系統的應用領域。在駕駛員考核自動化中，傳統的方法使用了大量的光電傳感器，這種方法的弊端是建設成本和維護成本都很高，在應用上也存在很大限制。針對駕考訓練的實際特點，提出用RTK衛星導航定位技術來代替傳統光電傳感器的設計思路，以數字化建模來抽象傳統的考車、課目和場地。經過多年的研究發現技術和原理完全可行，使用這種方法可大大降低訓考場的建設和維護成本，提高訓考的信息化、自動化和智能化水平。2013年以來，基于RTK-GPS技術的駕駛員訓考系統已經在全國范圍內大規模推廣使用，基于RTK-北斗技術的駕駛員訓考系統則開始用于部隊[1-5]。本文詳細介紹了考核評判系統的核心技術——考核評判的設計思路及其原理。

1 評判總體思路

《陸軍軍事訓練與考核大綱》[6]規定了新訓運輸車駕駛員“場地駕駛技能”的10個必考課目，包括坡道起步、定位停車、通過橫斷路、上坡轉彎換擋、通過交叉路口、通過雙邊橋、公路調頭、上下模擬鐵路平車、倒車移位和綜合技能駕駛。這些課目考核中，絕大多數考核項目都可以轉化為對車輛位置或者速度信息的評判，如“定位停車”要求車輛以30 km/h以上速度進入課目在段，進入20 m地段采取措施(減速)，停車后車與標桿橫向距離不少于0.8 m，利用高精度的RTK-北斗定位技術，可以很方便地獲取車輛的位置和速度信息。與光電傳感器相比，RTK-北斗技術思路清晰、硬件架構簡單、維護成本低，并且不受空間和地域的限制，優勢非常明顯。

利用RTK-北斗技術進行自動評判，首先要建立車輛、課目和場地的數字化模型。通過對地面做二維投影，可獲取課目二維幾何平面數字化模型信息。通過RTK-北斗定位技術獲取車輛的實時位置，利用坐標變換獲取車輛和課目的相對位置關系。通過“關鍵線”和“關鍵區”的方法來判斷車輛的運行軌跡。通過幾何形狀的碰撞檢測來對車輛駕駛進行評判。關鍵線是一條線段，關鍵區是若干個圓形，通過車輛與這些幾何形狀的碰觸來確定車輛的運行路徑。評判的總體思路如圖1所示。

圖1 考核評判總體思路

2 數字化模型

數字化建模的含義是將車輛、課目和場地抽象為具有一定幾何形狀的二維圖形，并利用數字坐標對幾何圖形進行描述。

2.1 數字化模型的幾何結構

駕駛員訓練和考試中，通過車身是否觸碰到課目的區域邊界來判斷得分與否。這種觸碰一般并不涉及高度方向的檢測，因此可以將車輛和課目建模簡化為其對地面的二維投影。車輛可實時移動，課目對于不同的場地位置也是不同的，因此數字化模型中采用相對坐標。車輛和課目具有取向屬性，因此數字化模型應包括取向信息，在評判中通過實時航向信息計算模型的真正取向。車輛和課目(倒車入庫)的數字化模型設計如圖2所示。

圖2 車輛、課目和場地數字化模型

上述模型中，兩個基準點構成了模型坐標系的x軸，取x軸方向為正東方向，用右手螺旋系計算各坐標點相對于基準點位置的坐標值。粗箭頭表示模型的默認取向。實際中，模型取向各不相同，因此模型文件中應專門設一個數據項存放模型相對于默認取向的偏轉角度。數字化模型以一定格式保存并被評判程序讀取。

2.2 數字化模型的建立

數字化模型建立包括3個問題: 一是如何獲取二維投影，二是如何獲取模型關鍵點位置，三是如何計算各關鍵點坐標值。

獲取二維投影的方法：找一塊開闊的平地，利用鉛錘圍繞車輛旋轉一圈，用粉筆在地面上繪制出車輛輪廓即可。對于課目模型的建模，可以根據相關標準直接在地上畫出課目模型。對于場地模型，只需要確定記錄場地的兩個基準點即可。

獲取模型關鍵點位置的方法有兩種：一是用長度測量工具測量關鍵坐標點位置，二是用RTK-北斗技術直接測量關鍵點的位置。前者看似簡單，實際應用中存在困難，因為不能保證對模型坐標系的準確投影，得到的測量值有較大誤差。本文采用第2種方法。RTK-北斗技術獲取的是坐標點的經緯度信息，需要將經緯度信息換算為長度信息。在將經緯度換算為長度的過程中，有一些系統的方法，一般是從WGS-84坐標系轉化為本地坐標，利用各種修正公式來修正誤差，這種計算方式在這里并不合適[7]。最簡單可靠的方法是通過實驗來獲取測量點經緯度與長度的對應關系。假設經度的變化為Δθ，對應的距離為Δx，二者之間的關系為

Δx=f(Δθ)

根據泰勒展開公式得

對于一塊只有幾百米見方的訓練場地來說，Δθ是非常小的，因此可以忽略二階以上的項，只保留一次項，即

Δx=f′(θ)Δθ

設klon=f″(θ)，則Δx=klonΔθ。同理，Δy=klatΔφ，φ為緯度。klon和klat可以通過實驗的方法測量出來。

在開闊平地繪制3個點Q1、Q2和Q3(這3點不共線)，并精確測定Q1和Q2、Q1和Q3之間的距離L1=|Q1Q2|、L2=|Q1Q3|(如圖3所示)。

圖3 經緯度與長度換算因子

利用RTK-北斗測量Q1、Q2及Q3的經緯度坐標值，分別為(θ1，φ1)、(θ2，φ2)、(θ3，φ3)，于是得到下面的方程：

解上面的方程就可以得到klon和klat。一般而言，場地不同，klon和klat也是不同的，需要重新測量。這兩個參數非常重要，在評判過程中，所有涉及到地球坐標系到場地坐標系的轉換，都需要使用這兩個參數。

計算各關鍵點坐標值可以采用投影法，設基準點1坐標為(0,0)，基準點2坐標為(X0,Y0)，模型各關鍵點坐標為(X1,Y1)，其中所有坐標值都是利用klon和klat計算的長度值。按照2.1里的課目模型設計，模型關鍵點坐標(X,Y)可利用如下公式計算：

2.3 數字化模型的存儲和使用

數字化模型的存儲應考慮可擴展性、易修改性及程序中讀取的方便性，本系統中使用了可擴展標記語言XML來存儲模型信息。XML結構主要包括：①模型基本信息描述，如車輛名字、車輛IP信息、車號等；②模型可變信息，如模型基準點經緯度坐標、模型取向、klon和klat等；③模型不變數據信息，如各關鍵點位置坐標。

記錄模型數據的XML文本文件作為評判程序的輸入文件，由專門的建模工具自動生成。

3 考核評判過程

在模型建立以后，考核評判就是車輛和課目對應數字化幾何模型之間的相對位置碰撞檢測問題。

3.1 碰撞檢測的算法基礎

幾何碰撞檢測可以簡化為兩個幾何形狀(多邊形和圓)的相對位置檢測。按照由簡單到復雜的順序，檢測可以分解為以下若干基本元素：點和線段的關系；兩條線段的相對關系；點和多邊形的關系；線段和多邊形的關系；多邊形和多邊形的關系；多邊形和圓形的關系。編寫算法程序，依次實現這些基本元素關系的判斷，是考核評判的程序設計基礎。數學中的點乘和叉乘運算是幾何關系檢測的主要手段。算法設計包括以下6個方面。

(1) 點和線段的關系包括兩種：在線段外和線段上。以線段作為一個矢量，線段的一個端點和待檢測點構成一個矢量，通過計算二者的叉乘結果是否為0可判斷點是否位于線段上，注意考慮點位于線段延長線上的情況。

(2) 兩條線段的相對關系包括4種情況：兩條線段有一個交點(交點非端點)；重合(部分)；一條線段一個頂點位于另一條線段上；兩條線段沒有交點。同(1)一樣，可用叉乘運算來判斷二者關系。注意線段所在直線的相交和線段相交的區別，前者是后者的必要不充分條件。

(3) 點與多邊形的關系包括點在多邊形內部，點位于多邊形邊上，點在多邊形外部3種情況。點與多邊形的位置檢測比較復雜，因為多邊形的外形可能很復雜。由于車輛模型為凸多邊形，課目模型為矩形的集合，考慮這種特殊性后，點與多邊形的位置檢測相對簡化。點位于多邊形邊上是(1)所述情況；點位于多邊形內部或者外部時，可利用“有向三角形法”，即將待檢測點與多邊形各頂點連接，形成若干三角形，求有向三角形面積和的絕對值，并與所有三角形面積的絕對值的和比較，二者相等即說明點位于多邊形內部，否則位于外部。

(4)線段與多邊形的關系，可以轉化為線段與線段的關系及點與多邊形的關系。

(5) 多邊形和多邊形之間的關系，可轉化為線段集合與多邊形之間的關系。對組成多邊形的所有線段進行遍歷檢測，即可獲取兩個多邊形的相對位置關系。

(6) 多邊形和圓之間的關系，可以轉化為點與多邊形的關系、點和線段與圓的關系。點和線段與圓的關系判斷較為簡單，不再詳述。

以倒車移位為例，倒車移位模型的每個邊框相當于一個矩形，每根桿相當于一個圓，車輛模型相當于一個復雜多邊形，通過檢測邊框矩形與車輛多邊形之間、圓與多邊形之間的相對關系，就可以得知車輛是否“觸線”或者“碰桿”，這是考核評判的最基本依據。

3.2 車輛實時位置獲取

車輛頂上安裝有兩個北斗天線，一個為基準天線，一個為航向天線，前者測量車輛實時位置，數值為經緯度，后者為車輛偏轉方向，數值為航向天線與基準天線連線與正北方向的夾角。根據車輛模型的設計方法，車輛模型各點的實時坐標可按照如下方法獲?。阂皇菍⒛Ｐ退凶鴺它c都加上基準點位置；二是以車輛模型原點為頂點，將所有坐標點旋轉航向角。

3.3 路徑實現算法

部分課目考核評判需要獲知車輛的運行軌跡路徑，如倒車移位需要駕駛員駕駛車輛首先退入乙庫停正，然后二進二退進入甲庫停正，再穿過乙庫開至車道，最后倒車進入甲庫出庫，全部過程對車輛的運行路徑做出了明確規定。對于路徑的確定，使用了“關鍵線”和“關鍵區”的方法：關鍵線是一條線段，每一個課目一般都有二條關鍵線，當車輛跨越第一條關鍵線表示車輛進入該課目，跨越第二條關鍵線表示車輛離開該課目；關鍵區是一個圓形幾何區域，每一個課目都有若干關鍵區，關鍵區具有順序屬性，通過記錄車輛跨越關鍵區(借助于碰撞算法)的先后順序，就可以得到車輛的運行路徑。與課目模型結合，便可完整地獲取車輛的位置和路徑信息，進行評判。

4 考核過程可視化

程序的調試過程需要可視化，訓考過程的實時監控和歷史回放也需要可視化?？梢暬▋蓚€層次：一是簡單可視化，顯示車輛與課目的抽象二維幾何模型及其相對位置變化，這主要用于程序的開發和調試階段；二是動態監控，顯示車輛的語音視頻監控信息，這主要用于訓考過程的可視化管理。動態監控可以通過語音視頻攝錄設備獲取，也可以通過動態仿真技術實現。這里介紹簡單可視化，動態及仿真監控設計另文備述。

簡單可視化涉及的主要技術是坐標變換和計算機圖形顯示，核心是坐標變換。坐標變換包括以下3個步驟。

(1) 車輛實時位置坐標計算，方法見3.2節，變換矩陣如下：

式中：(X0,Y0)為基準實時坐標，其中基準實時坐標需要由經緯度轉化為相對于場地原地的距離，方法見2.2；θ為航向角。

(2) 車輛相對于場地的坐標變換。步驟(1)所得的坐標為相對于地球坐標系的坐標，即y軸方向為正北方向，x軸方向為正東方向。而場地取向是完全隨機的，為了在計算機屏幕上看起來直觀方便，需要將車輛的實時坐標切換到場地坐標系內。場地坐標系取直角坐標系，若場地二基準點的坐標分別為(0,0)，(X0,Y0)(已經由經緯度切換到長度單位)，車輛某點坐標為(X1,Y1)，則相對于場地的坐標值(X,Y)可由2.2中的投影公式計算。通過這一步驟的坐標變換，觀察者在場地的觀測角度和計算機屏幕上的顯示方向就一致了。

(3) 將車輛相對于場地的坐標轉化為計算機屏幕像素坐標。假定屏幕的像素數為(p,q)，某一課目的基準坐標位于屏幕正中央，且坐標值為(X1,Y1)，車輛坐標為(X,Y)，則對應屏幕的像素坐標可由如下公式計算，SX和SY是比例尺因子：

5 結 語

本文詳細介紹了基于RTK-北斗定位技術的駕駛員訓練考核評判的設計方法。這些技術和方法是RTK-北斗駕駛員訓練考核系統設計的核心關鍵技術，旨在提高部隊駕駛員訓練的信息化、智能化和自動化水平。

[1] 賀秀良.基于數字化訓考場的駕駛員訓練考試裝置： 0025861.6[P].2006-04-25.

[2] 賀秀良，孫麗，劉洋，等.基于全球衛星定位系統的駕駛考試自動化裝置：0509185.5[P]. 2012-09-26.

[3] 王惠南. GPS導航原理與應用[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 賈小文，賀秀良. CSerialPort類漏洞分析及修正[J]. 軍事交通學院學報,2014,16(11):81-85.

[5] 中國衛星導航系統辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件[DB/OL]. (2017-03-15)[2107-03-20].http://www.beidou.gov.cn/filedownload.html,

[6] 中國人民解放軍總參謀部.陸軍軍事訓練與考核大綱[M].北京：中國人民解放軍總參謀部，2008.

[7] 王利，鄭瑋. RTKGPS測量中坐標轉換參數求解若干方法討論[J]. 西安工程學院學報,2002,24(1):63-66.

(編輯：史海英)

Design of Training Assessment and Evaluation for RTK-compass Driver

JIA Xiaowen, HE Xiuliang

(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 30016, China)

In order to improve the informatization, automation, and intelligence level of driver training assessment, the paper firstly introduces design methods of training assessment and evaluation based on PTK-compass II location technology, including overall idea of evaluation, digital modeling method and principle of vehicles, subjects, and field, basic ideas of evaluation and programming method, and visual design of assessment process. The test result shows that this method is reliable, fast, and accurate, which can realize the automatic evaluation of vehicle location information efficiently.

real-time kinematic (RTK); compass satellite navigation system; driver training

2016-12-23；

2017-04-15. 作者簡介： 賈小文(1983—)，男，博士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.020

TP274+.2

A

1674-2192(2017)08- 0086- 05

● 基礎科學與技術 Basic Science & Technology