基于協同交互的車載定位系統

王藍儀， 劉欣雨， 肖廣兵

(南京林業大學 汽車與交通工程學院， 南京 210037)

0 引 言

為智能車輛提供高精度定位服務，能夠提高智能出行的安全性，改善交通擁堵[1]。目前，車載定位系統主要通過GPS為智能車輛提供實時地理位置信息，但其有效精度較低，無法滿足智能車輛的高精度定位要求。當GPS信號微弱或不可用時，會導致定位誤差過大，甚至無法提供定位服務，存在較大的行車隱患。郭麗芳等使用GPS、慣性導航系統、機器視覺里程算法定位與UWB定位4 種方式相結合的定位方式，能夠長期穩定地提供高精度定位信息，但其算法復雜且設備成本較高[2]；李曉暉等提出了一種基于RNN的高精度定位方法，但其在GPS長期缺失的情況下，定位精度難以滿足智能車輛的要求，在實際應用中存在一定的局限性[3]。

本文設計的車載定位系統，以車載自組織網絡VANET為交互平臺，車車(Vehicle to Vehicle, V2V)以及車路(Vehicle to Infrastructure, V2I)之間基于交互的地理位置觀測值對車輛的實時定位信息進行調整，以實現對車輛的高精度定位。車輛間基于位置信息的交互，為車輛提供安全信息廣播與交通堵塞誘導等服務。該系統能夠實現在GPS信號缺失的條件下為車輛提供高時效性的精確定位服務，且受環境因素影響小，能夠有效地保證智能車輛行駛過程中的穩定性與安全性。

1 系統模型

基于協同交互的車載定位系統由車輛定位系統、上位機控制模塊、數據處理模塊、無線通信模塊構成。系統通過VANET將實時車速與車輛的實時定位信息發送到智能路基，數據處理模塊基于智能路基對車輛的地理位置觀測值及車輛的實時定位信息進行調整，并告知其廣播范圍內的所有車輛，在計算該路段擁堵度后發送給上位機終端。一旦該路段擁堵度超過擁堵標準，觸發預警系統，并將該信息發送到相關部門對車輛進行疏導，PC終端能夠與相關部門取得雙向聯系，查看道路疏導進度，指導交通精細化治理。基于協同交互的車載定位系統的模型如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件電路設計

車載定位系統的硬件電路主要包括：電源模塊、MSP430F149控制模塊和無線通信模塊等。

2.1 電源模塊設計

考慮到系統使用3.3 V～5 V的電源，本設計采用穩壓元件LM337T通過調整滑動變阻器阻值，將經過變壓器轉化為18 V的交流電壓轉化為5 V的直流電壓。其中，D8指示電路是否正常工作，并使用穩壓元件ASM1117將5V直流電壓轉化為3.3 V，為相應的元件供電，電路設計圖如圖2所示。

2.2 MSP430F149控制模塊

MSP430F149單片機是16位RISC CPU，它具有處理功能、低電壓、超低功耗、快速蘇醒等特點。其擁有豐富的片內資源并具有60 KB的Flash。能夠滿足定位系統為多輛智能駕駛汽車提供實時高精度定位的需求[4]。其電路如圖3所示。

圖2 電源模塊電路

圖3 MSP430F149處理器電路

MSP430F149單片機基于智能車輛定位的觀測值，對智能車輛交互的本地定位估計值進行修正，將修正參數通過串口發送給Wi-Fi模塊，通過接收的車速信息計算出該路段的擁堵度，并判斷該路段是否擁堵。當該路段的擁堵度超過擁堵標準，MSP430F149將該路段的擁堵度通過串口發送給GSM模塊，以告知上位機以及交通管理部門。

2.3 無線通信模塊

2.3.1 Wi-Fi通信模塊

ESP8266串口Wi-Fi模塊，集成了超低功耗32 位微型處理器，內配閃存，具有強大的處理和存儲能力且無需編寫時序信號。片內集成了Wi-Fi MAC，板載天線，能夠同時接收和發送Wi-Fi信號，通訊距離73到337米。智能車輛與智能路基之間通過Wi-Fi通信模塊組網，并實現車路之間的信息之間交互，并將交互信息傳輸到控制模塊，其電路如圖4所示。

圖4 Wi-Fi通信電路

2.3.2 GSM通信模塊

本文采用Siemens公司研發的TC35i芯片，集成度高、兼容性好、重量輕、功耗低、可升級能力強。其主要組成結構分為：GSM基帶處理器、天線接口、GSM射頻模塊、電源模塊、ZIF連接器與Flash。TC35i符合ITU-T RS232接口標準，可以工作在EGSM900與GSM1800雙頻段，并且能夠快速安全可靠地實現數據、語音、短消息和傳真的遠距離傳輸，且具有AT命令集接口, 支持雙向傳輸命令與指令。

智能路基與上位機、交通管理部門之間的通信由GSM通信模塊負責。電路設計如圖5所示，接通電源后，對IGN引腳施加一個大于100 ms的低電平，以啟動GSM模塊。電路中，RXD0管腳，TXD0管腳實現TC35i與單片機之間的通信；SYNC管腳接LED用以指示GSM模塊當前的工作狀態。

圖5 GSM通信電路

3 系統軟件設計

3.1 系統總體軟件設計

該系統的軟件核心是基于車路協同交互，為智能車輛在GPS信號微弱或缺失路段的定位估計值進行修正。通過向MSP430F149芯片寫入嵌入式代碼實現定位修正、信號調理、無線數據收發等功能。系統流程圖如圖6所示。

圖6 系統流程圖

當系統沒有收到智能車輛的無線消息時，系統處于休眠狀態。Wi-Fi通信模塊接收到智能車輛的消息后，基于車路協同定位算法確定定位修正參數，并將修正參數通過Wi-Fi通信模塊發送給智能車輛。根據智能路基收集到當前路段的車速信息，計算該路段的擁堵度，并判斷是否發生擁堵。智能路基通過GSM通信模塊將實時道路信息告知上位機與交通管理部門，使交通管理部門能夠及時對發生擁堵的路段進行疏導。

3.2 基于車路協同定位算法

定義tk為第k輪信息交互的絕對時間，令VANET中所有的網絡節點都維護一個線性的時鐘，式(1)：

(1)

δix(tk+1).

(2)

(3)

(4)

Step4基于濾波結果，通過式(5)和式(6)計算出修正參數：

(5)

(6)

4 實驗與仿真

在一個路段進行車輛定位的實車道路試驗，如圖7所示。智能車輛沿著虛線路徑駛過該路段，智能車輛與智能路基均裝備有基于協同交互的車載定位系統，車速v均值為10 m/s，車輛與基站之間具有不超過20 ms的隨機通信時延。

圖7 智能車輛與智能路基協同定位

基于每輪交互后得到的地理位置修正值，可得定位誤差值，如圖8所示。

圖8 定位誤差

實驗結果表明，當車輛以非勻速行駛在GPS信號微弱或缺失路段時，基于協同交互的的車載定位系統能夠有效的增加定位的精度。當智能車輛駛過200 m時，定位誤差僅為-0.01 m左右，可見該車載定位系統能夠為智能車輛提供實時高精度定位服務。

5 結束語

本文結合基于車路協同定位算法與無線通信技

術，設計了基于協同交互的車載定位系統。車載定位系統采用MSP430F149與ESP8266模塊實現為智能車輛在GPS信號微弱或缺失環境下提供高精度的定位服務，并實時監測道路擁堵信息，能夠通過GSM模塊告知交通管理部門實時道路信息。該設計方案成本低，有效精度高，可以實現實時監控以及遠程數據通信，能夠滿足智能車輛對定位精度的要求。