基于ADS-B 的車路協同系統設計

楊盛捷， 肖廣兵

（南京林業大學 汽車與交通工程學院， 南京210037）

0 引 言

近年來，隨著城市人口不斷增多，汽車保有量逐漸增大，由于駕駛員或行人缺乏道路信息以及與道路其他成員的位置信息，導致交通事故頻發，給行人出行帶來極大不便嗎，甚至造成重大的人身財產損失。 因此，應盡早建立道路信息交互系統，實現人車路協同，使得道路交通參與者能夠充分掌握實時準確的道路信息。 然而目前的車路協同系統主要技術為雷達，存在信息采集時效性差、監控密度不足、以及處理不及時、建設成本大，周期長等缺陷，難以實施。 李源等［1］使用毫米波雷達技術在車路協同系統中的應用，具有高分辨率、多維度、高智能的特點，但在特殊天氣下如雨、霧和濕雪等高潮濕環境的衰減，以及大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達的探測距離，因此不滿足全工況下使用。 張蕾等［2］利用5G 切片技術在面向車路協同的車聯網業務場景中的應用，運行穩定，迅速高效，但5G 網絡通信覆蓋范圍，基站的建設成本高，建設周期長。 陳曉韋等［3］采用Zigbee 無線通訊協議的智能車路協同系統，系統具有低功耗、低延遲、組網靈活、容量大的特點，但信號衍射能力弱，穿透性低，無法越過障礙物。

本文針對城市道路復雜多樣，參與者眾多，情況多變的特點，設計了一種適用于全工況、智能化的車路協同系統，通過道路交通參與者之間、參與者與地面基站之間的信息交互，自動地實現位置監控以及沖突預警。 車路協同系統使用ADS-B 為信息交互系統，對交通信息進行處理，廣播式傳達，并實現自動預警。 相關管理部門可以通過上位機軟件實時查看整個區域內的交通狀況，并對突發情況進行及時處理。 相對傳統的車路協同系統，實現自主監測，自動預警，降低人工成本，安全高效。

1 基于ADS-B 的車路協同系統

基于ADS-B 技術的道路監視系統，將為所有交通參與者安裝ADS-B 發射接收裝置，使它們都能聯網互通，實現位置、信息通信。 裝備了ADS-B 系統的車輛通過GPS 裝置獲取自己的位置、速度等參數，然后驚醒處理，并生成一定格式的數據包，然后通過全向天線像區域內進行廣播。 地面基站或其他交通參與者接收到其所發送的數據后，進行一定處理，并配合導航系統將其他道路參與者的信息顯示出看來。 如此一來，系統便可將道路信息以視覺的方式呈現給駕駛員，以便于駕駛員及時掌握信息。另一方面，由于車輛駕駛員也能及時掌握到周圍的交通信息與交通狀況，主動避免沖突，這也使得道路交通安全得到了充分的雙層保障，提高了交通安全性。

2 系統設計

如圖1 所示，車路協同系統基于通信技術構建路面基站、路測節點、道路交通參與者之間的信息互聯，將路面交通中的路、車、人等要素鏈接為一個整體，實現全體交通參與者的實時信息交互與協同控制。 車輛以及行人可以在路面基站的協同規劃下實現路線規劃，規避碰撞風險。 路面基站還可以借助路測節點上的其他監測設備監控路面的實施狀況，如發生路面污染、道路損壞的情況，可實時廣播給其他道路交通參與者，減少或避免隨之而來的危險。

圖1 車路協同系統框架Fig. 1 Vehicle routing coordination system framework

2.1 硬件系統框架

如圖2 所示，硬件系統由處理器、CAN 總線、存儲器、ADS-B 模塊和GPS 模塊、預警模塊組成。

圖2 系統硬件組成Fig. 2 System hardware composition

2.2 stm32 微處理器模塊

本設計以stm32f103 為主控芯片，對各路信號進行處理分析，然后進行相應的處理。 stm32f103 系列為32 位arm 微控制器，由意法半導體使用cortex-m 3內核制造。 該該芯片包括定時器、can 總線、adc、spi、i2c、usb、uart 等功能，可以實現汽車傳感器信息的采集和控輸出。 芯片包括定時器、can 總線、adc、spi、i2c、usb、uart 等功能，可以實現汽車傳感器信息的采集和控輸出，常用于各種電力電子系統。最小系統如圖3 所示。

2.3 ADS-B 模塊及軌跡處理模塊

基于ADS-B 的道路監視模塊，需要全向天線、ADS-B 接收機和軌跡處理模塊。 前者通過全向天線接收空域其他車輛的ADS-B 廣播報文，后者對其進行譯碼處理后形成軌跡，并通過威脅探測和告警處理算法形成告警，通過圖形和語音方式提醒駕駛員存在碰撞沖突危險。

系統工作流程如下：（1）ADS-B 接收機通過全向天線接收空域中的ADS-B 廣播報文。 （2）譯碼及軌跡處理模塊對廣播報文進行譯碼并形成目標的點跡，然后進行軌跡處理，形成目標軌跡；并經串口發送至stm32。 （3）stm32 根據預設程序及預警模塊對目標車輛與本車的經緯度、速度、行駛方向信息進行關聯處理、軌跡預測，并判斷本車與目標車輛是否會碰撞交匯，如果存在則在lcd 顯示屏上顯示，方便駕駛員處理。

圖3 STM32 最小系統Fig. 3 STM32 minimum system

2.4 GPS 模塊

全球定位系統（global positioning system，GPS），又稱全球衛星定位系統，是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。 它可以為地球表面絕大部分地區提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。 可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。 具有使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性；全球覆蓋；三維定速定時高精度；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；可移動定位的優點。 由于系統需要廣播者有自我定位能力，故選擇GPS 模塊來提供較為精確的位置參數，將測量到的經緯度、速度、方向等傳輸給stm32 處理器，協助軌跡處理系統形成車身軌跡。

2.5 電源電壓轉換模塊

汽車電瓶電壓空載時約為13 V，啟用時電壓約為15 V，且會有波動。 由于STM32 需要3.3 V 工作電壓，因此需要一種降壓轉換器。 本設計選用TPS54239。 TPS54239 是一款自適應接通時間DCAP2 模式同步降壓轉換器，TPS54239 可幫助系統設計人員通過一個低成本，低TPS54239 的主控制環路采用D-CAP2 模式控制，無需外部補償組件便可實現極快的瞬態響應，TPS54239 的專有電路還有助于該器件適應諸如高分子有機半導體固體電容器（POSCAP）或SP-CAP 等低等效串聯電阻（ESR）輸出電容器以及超低ESR 陶瓷電容器。 該器件的工作輸入電壓介在輸出電壓可在0.76 V 與7 V 之間進行設定。

3 路面基站系統軟件設計

路面基站系統軟件設計采用Visual Basic6.0 軟件開發設計，主要包括道路監視系統設計、預警程序設計、精確個體協調控制。

如圖4 所示，用戶登錄成功后進入功能區，系統的功能主要分為五部分，核心功能是交通參與者路線與沖突顯示，當交通參與者之間發生路線沖突時，系統將顯示出預警，發送到沖突雙方。 當發生系統故障無法自動協調或者協調目標重要時，也可以通過地面基站工作人員手動協調，實現車路協同。 系統還可以通過路側其他監控設備得知路面情況，如發現路面損壞、沉降、路面積油積水現象，可自動廣播至其他交通參與者，使行人、車輛及時掌握道路信息，規避風險。

3.1 系統登錄界面

如圖5 所示，系統登陸界面需輸入工號及密碼來登錄，輸入錯誤的賬號密碼將無法登錄。 此舉目的在于方便管理和記錄數據，方便調查由于基站工作人員疏忽而導致的事故。 初始默認工號為：admin。 初始默認密碼為：admin。

圖4 系統流程圖Fig. 4 System flow chart

圖5 系統登錄界面Fig. 5 System login interface

3.2 道路行人路線顯示

如圖6 所示，道路行人路線顯示功能可以根據道路區域內的行人段廣播出來的位置信息及路線信息進行整理及分類。 點擊“道路行人路線顯示”按鈕，系統將自動把行人路線顯示在左側地圖上，給管理員直觀清晰的信息，方便管理員及時掌握區域內行人狀況及人流，方便協同控制。

圖6 道路行人路線顯示Fig. 6 Road pedestrian route indication

3.3 道路車輛路線顯示

與道路行人路線顯示功能類似，可以根據道路區域內的車輛段廣播出來的位置信息及路線信息進行整理及分類。 如圖7 所示，點擊“道路車輛路線顯示”按鈕，系統將自動把車輛路線顯示在左側地圖上，給管理員直觀清晰的信息，方便管理員及時掌握區域內車輛狀況及人流，方便協同控制。

圖7 道路車輛路線顯示Fig. 7 Road vehicle route indication

通過道路選擇，可以查看相應道路的人流車流情況，系統根據相應的情況協調車、人之間的位置，方便有關部門進行合理安排，應對城市交通擁堵及避免交通事故的發生。

3.4 路面狀況錄入

系統可以根據路側其他監控設備來獲取路面信息，如發現路面損壞、沉降、路面積油積水現象，可自動廣播至其他交通參與者，使行人、車輛及時掌握道路信息，規避風險。 如圖8 所示，當路測設備出現故障或者與基站通訊不暢時，也可手動輸入信息，保證道路信息的實時性和高效性。

圖8 路面狀況錄入界面Fig. 8 Road condition input interface

3.5 預警顯示功能

預警顯示為本程序的核心功能。 其主要功能為全向天線對道路參與者發出的信號進行監聽并做出相應的處理，送到收發機數據服務器進行解碼和數據處理，提供可供客戶端使用的信號；操作員使用操作員設備，對道路交通信息的顯示、控制，實現監視的功能進行監督和調控；通過互聯網與物聯網設備將各個地面基站進行聯網，將路側各設備、傳感器數據進行實時分享。 如圖18 所示，當預警產生時，會在系統下方顯示出被預警雙方的ID 以及協調結果，方便管理員及時處理異常情況。

如圖10 所示，當系統出現故障或者出現無法自動協調的情況時，路面基站管理員可以手動的輸入被協調雙方的ID，根據實際的道路情況進行手動協調控制，避免交通事故的發生。

圖10 手動調節界面Fig. 10 Manual control interface

4 結束語

設計了一種基于的人車路協同防碰撞系統的結構。 用于改善隨著汽車流量的快速增長、城市道路環境的日趨復雜而帶來的人、車信息交流不對等的情況。 系統具有建設周期短、成本低、定位精度高等特點，可以作為道路監視的駕駛員除視覺以外的補充數據源，提高行車安全性。 路協同系統使用ADS-B為信息交互系統，對交通信息進行處理，廣播式傳達，并實現自動預警。 相關管理部門可以通過上位機軟件實時查看整個區域內的交通狀況，并對突發情況進行及時處理。 相對傳統的車路協同系統，實現自主監測，自動預警，降低人工成本，安全高效。