馬榮貴 ，馬子涵

(1.長安大學　信息工程學院，陜西　西安　710064； 2.長安大學　公路學院，陜西　西安　710064)

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基于多傳感器信息融合的里程樁定位技術研究

馬榮貴1，馬子涵2

(1.長安大學信息工程學院，陜西西安710064； 2.長安大學公路學院，陜西西安710064)

摘要：公路里程樁是一種有效的路面信息定位標志，目前普遍存在定位不準、累積誤差較大的問題。分析了里程樁定位產(chǎn)生誤差的主要原因，提出了基于GPS、視頻、文本文檔、陀螺儀和光電編碼器等多傳感器信息融合的里程樁定位技術。通過GPS結合道路環(huán)境視頻及文本文檔的方法實現(xiàn)對公里樁的精確定位，確保每公里外誤差不累積，定位誤差不超過1 m；在GPS缺失的情況下，采用陀螺儀輔助定位的方法確保GPS信號的連續(xù)性；每公里內(nèi)采用光電編碼器和陀螺儀距離修正的方法通過插值得到百米樁位置。試驗結果表明，采用該技術，在確定公里樁時，最大誤差不超過1 m；在確定百米樁時最大誤差不超過2.5 m。

關鍵詞：道路工程；里程樁定位；GPS；陀螺儀；光電編碼器

0引言

由于公路里程長、構造物較多，公路施工完成后，一般要在道路兩旁設置里程樁(包括公里樁和百米樁)作為公路管理系統(tǒng)中信息的定位基準。一般要求道路的累計平均誤差每公里不超過3 m[1]。在高速公路檢測中，為實現(xiàn)路面破損的精確定位，常采用光電編碼器檢測道路檢測車的行駛里程。該方法目前普遍存在行駛里程和公路里程樁無法對應的難題，上百公里的檢測完成后，誤差常常在幾公里，無法對道路信息進行準確定位，造成路面病害記錄不準，工作質量和效率大大降低。同時，由于里程樁是按照道路中心線標定的，在雙向多車道高速公路上檢測時常常由于道路內(nèi)外道等原因，無法對公路上的里程樁進行準確定位。

國外發(fā)達國家對于高速公路定位技術的研究開始得較早，20世紀60年代末期，美國研制的電子路徑導向系統(tǒng)是智能交通定位的雛形；吉林大學從2002年開始研究路面破損檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了路面破損定位子系統(tǒng)；文獻[2]中提出了一種基于GPS與距離傳感器結合的路面破損定位算法；文獻[3]中提出的基于GPS的路面裂縫定位方法，最大誤差為5.5 m，這些定位技術只能對道路信息進行大致定位，隨著檢測里程增加，誤差不斷累積。文中對里程樁定位誤差產(chǎn)生的原因進行了系統(tǒng)的分析，采用基于GPS、視頻、文本文檔、陀螺儀和光電編碼器等多傳感器信息融合技術，通過GPS結合道路環(huán)境視頻的方法實現(xiàn)了對公里樁的精確定位，確保每公里外誤差不累積，每公里內(nèi)采用光電編碼器和陀螺儀輔助的方法實現(xiàn)道路內(nèi)外道和車輛擺動誤差的修正，最大限度地減小定位誤差，提高定位精度。

1道路里程樁精密定位模型

道路里程樁包括公里樁和百米樁。對于公里樁，它的實施距離為1 km；而對于百米樁，其實施距離為100 m。為了實現(xiàn)里程樁的精確定位，采用GPS結合視頻、文本文檔以及陀螺儀的方法對公里樁進行融合定位，公里樁內(nèi)采用陀螺儀以及光電編碼器對其進行定位。如圖1所示，為道路里程樁精密定位模型圖。

圖1　道路里程樁精密定位模型Fig.1　Precisious positioning model of road mileage piles

2里程樁定位誤差來源

分析可知，里程樁定位誤差的產(chǎn)生主要有以下5個方面：

(1)由于施工和測量原因，里程樁設置不準確；(2)由于GPS本身的定位精度產(chǎn)生定位誤差；(3)光電編碼器由于步長累計誤差；(4)行駛時所處的內(nèi)道和外道造成檢測誤差；(5)車輛行駛過程中方向盤擺動，造成實施距離加長。

其中，對于里程樁設置誤差，只能以里程樁為標準。這種誤差只是偶然的，對于光電編碼器誤差可以采用分段校正方法[4-5]進行修正；對于車輛行駛中方向的擺動以及內(nèi)外道原因造成的誤差可以采用陀螺儀進行修正[6-8]。

2.1里程樁設置誤差分析

公路里程樁是一種有效的公路定位方法，但由于在道路施工過程中存在的人為因素，造成里程樁號與實際道路距離并不一致，如相鄰兩個里程樁之間標識為1 000 m，而實際測量值只有990 m，那么在里程定位時就會出現(xiàn)誤差。因此，若測量值與所看見的里程樁號值不一致，將以里程樁號為標識基準，即對于里程樁本身的誤差，只能以里程樁為標準。

將里程樁本身的誤差記為Δ1，則：

(1)

2.2GPS定位誤差

GPS定位分為精碼和粗碼，通常使用的粗碼定位精度只有10 m左右。因此，僅用GPS無法實現(xiàn)里程樁的精確定位，但GPS定位的最大特點是全球范圍內(nèi)誤差不累計，比較適合用來大致確定公里樁的位置。

將GPS定位誤差記為Δ2，則：

(2)

2.3光電編碼器累積誤差分析

GPS只能對公里樁進行大致定位，而對每公里內(nèi)的里程不能準確定位。因此，采用光電編碼器對每公里內(nèi)百米樁進行定位。但是光電編碼器也存在以下兩種誤差：

(1)光電編碼器標定取舍誤差

使用光電編碼器進行里程定位之前，先計算光電編碼器的一個脈沖對應的位移。

首先選取測量長度L=100 m的直線路段，再駕駛裝有光電編碼器的檢測車沿著這段路直線行駛，記錄采集到的光電編碼器脈沖個數(shù)n，則光電編碼器一個脈沖對應的位移Δs為：

(3)

假設n=90 000，經(jīng)計算得Δs=0.001 111…，這里就會產(chǎn)生一個取舍誤差，選取Δs=0.001 1和Δs= 0.001 11對后續(xù)計算會產(chǎn)生較大影響。

完成光電編碼器一個脈沖對應的位移Δs的計算之后，就可以計算車輛行駛的距離s。如果檢測車行駛完某段道路之后采集的脈沖個數(shù)為N，則車輛行駛的距離s為：

(4)

假設車輛采集1 km長的距離，共采集的脈沖數(shù)為900 000，若Δs值取0.001 1，則利用式(4)經(jīng)計算得到車輛行駛距離s為990 m，若Δs值取0.001 11，則車輛行駛距離s為999 m，誤差為9 m。由此可知，由于取舍誤差的產(chǎn)生，經(jīng)累積將會產(chǎn)生較大的計算誤差，將取舍誤差記為ε1。

(2)車輛胎壓造成的誤差

車輛輪胎胎壓變化是影響光電編碼器測距精度的重要因素。將光電編碼器安裝在檢測車車軸位置，車輛行駛過程中，如果相比標定時胎壓降低，輪胎與地面接觸面積增加，輪胎直徑變小，在車速不變的情況下，光電編碼器采集的脈沖數(shù)變少。因此，胎壓的變化也是影響里程樁定位的重要因素之一。

設車輪的直徑為D，則車輪周長：

(5)

若光電編碼器共轉了N圈，一般光電編碼器轉一圈對應2 000個脈沖，則車輛行駛距離：

(6)

一般小汽車輪胎直徑范圍大約為600～800 mm，選取600 mm即0.6 m，利用式(5)計算可得胎壓正常情況下，車輪周長為1.884 m。假設采集完某段道路，光電編碼器共轉了530圈，利用式(6)計算得車輛行駛距離為998.52 m。當汽車胎壓減少時，則對應的汽車車輪直徑也會相應地減小，假設減少到0.59 m，利用式(5)～(6)計算可得車輛行駛距離為981.88 m，胎壓減少引起的誤差為：

998.52-981.88=16.64m。

相應車輛行駛距離1 km時將會產(chǎn)生16.64 m的誤差。

將車輛胎壓造成的誤差記為ε2，經(jīng)以上分析可知，光電編碼器累積產(chǎn)生的誤差：

(7)

2.4內(nèi)外道誤差分析

曲線路段的內(nèi)道里程和外道里程有很大差別。如圖2所示，為曲線路段示意圖。

圖2　曲線路段示意圖Fig.2　Schematic diagram of curved road section

在彎道路段，外道路線長，內(nèi)道路線短。如圖2所示，設彎道的平曲線半徑為R，彎道轉角為θ，假設車道寬度為4 m，則彎道的標準里程為：

(8)

外道里程為：

(9)

內(nèi)道里程為：

(10)

由式(8)～(10)可以看出，外道里程比標準里程長8θm，內(nèi)道里程比標準里程少8θm。若一段道路中有多個彎道，則這個誤差會產(chǎn)生累加，將彎道誤差記為Δ4。

2.5車輛方向盤擺動誤差分析

光電編碼器安裝在車輛的輪軸上，車輛行駛過程中，隨著輪軸的轉動，通過采集光電編碼器脈沖數(shù)從而得到里程值。因此，車輛在行駛過程中，方向盤的擺動容易造成實施距離的加長，測得的位移比實際位移要長，由于光電編碼器脈沖數(shù)會產(chǎn)生累積，經(jīng)多次累積，誤差會變得很大。因此，針對方向盤擺動造成的誤差，可以通過陀螺儀進行距離修正，將車輛方向盤擺動誤差記為Δ5。

綜上分析可得，里程樁定位誤差為：

(11)

式中，Δ1為里程樁本身的誤差；Δ2為GPS定位誤差，近似為10 m；Δ3為光電編碼器累積誤差，包括兩種誤差ε1和ε2，ε1為標定完一段標準距離，計算光電編碼器的一個脈沖對應的位移時產(chǎn)生的取舍誤差，ε2為車輛胎壓變化造成的誤差；Δ4為彎道誤差；Δ5為車輛方向盤擺動誤差。

3多傳感器信息融合的里程定位方法

基于多傳感器信息融合的里程定位方法采用GPS結合道路環(huán)境視頻的方法[9-11]對公里樁進行定位。由于受天橋、隧道、樹木、建筑物等遮擋物的影響，在GPS信號缺失的情況下，采用GPS結合陀螺儀的方法保證GPS數(shù)據(jù)的連續(xù)性，從而建立公里樁號與GPS信息對應表，完成公里樁的精確定位。公里樁內(nèi)采用光電編碼器結合陀螺儀的方法，計算公里內(nèi)實際距離，通過內(nèi)插法得到百米樁，完成百米樁的精確定位。

如圖3所示，為多傳感器信息融合的里程樁定位算法流程圖。

圖3　基于多傳感器信息融合的里程樁定位算法流程圖Fig.3　Flowchart of mileage pile positioning algorithm based on multi-sensor data fusion

3.1GPS與對應里程樁表的建立

目前，道路管理部門還沒有建立里程樁對應的GPS信息數(shù)據(jù)庫。檢測時需要把道路兩旁里程樁標識牌的GPS數(shù)據(jù)記錄并存儲起來，在數(shù)據(jù)校正時作為標準里程，不能被修改。一般錄入有以下兩種方法：

(1)人工錄入

檢測車行駛過程中，道路兩旁有里程樁出現(xiàn)時，人工錄入當前里程樁號并記錄當前GPS信息，將里程樁號與對應的GPS經(jīng)緯度信息存入.txt文檔。當采集完所有的GPS信息，里程樁與對應的GPS經(jīng)緯度信息對應表也建立完成。為了進一步提高GPS的定位精度，采用了卡爾曼濾波算法[12]。當車輛經(jīng)過天橋、隧道或者由于道路兩旁植物、建筑物遮擋等原因造成GPS信號中斷而無法采集GPS數(shù)據(jù)時，采用GPS結合陀螺儀輔助的方法進行數(shù)據(jù)推算。如表1所示。

表1　里程樁-GPS經(jīng)緯度對應表

(2)動態(tài)錄入(視頻拍攝)

車輛行駛過程中不斷地采集GPS信息，當看到路旁出現(xiàn)里程樁時，利用語音標記該里程樁對應的GPS經(jīng)緯度信息。由于發(fā)出語音時存在一定的反應時間，這段時間內(nèi)車輛可能已經(jīng)行駛過了幾十米，造成標記的GPS信息并不是里程樁實際對應的GPS信息，因此，將通過CCD攝像機拍攝的道路環(huán)境視頻作為公里樁定位的最終基準。道路環(huán)境視頻由道路檢測車進行采集，車載終端通過GPS接收機接收GPS數(shù)據(jù)。當車輛經(jīng)過某一里程樁時，光電編碼器開始計數(shù)，當光電編碼器累計到900 m時，CCD攝像機開始拍攝路邊視頻，并通過存儲設備按順序存儲，由此可以有效減少圖像信息的存儲容量，提高視頻處理速度。

當找到下一個公里樁時，光電編碼器自動清零并重新開始計數(shù)以減少累積誤差。當視頻拍攝速率為30幀/s，行駛速度為30 m/s時，里程樁定位精度為1 m。

因此，通過GPS結合視頻的方式可以實現(xiàn)對公里樁的精確定位。

3.2公里樁的誤差校正

由于道路不同車道只對應一個里程樁，卻對應不同的GPS信息，僅僅根據(jù)GPS信息無法準確找到里程樁位置。當GPS信息與里程樁對應表建立完成后，首先判斷車輛上下行，通過查找表1得到起始里程樁號對應的GPS信息。在車輛行駛過程中，不斷地采集GPS經(jīng)緯度信息，并計算與表1 中對應里程樁號的距離，當距離為最小值時，從而確定當前車輛對應的里程樁號以及車輛的準確位置。

下面針對雙向4車道的道路，分析基于GPS的里程樁的定位方法，如圖4所示。

圖4　多車道里程樁計算示意圖Fig.4　Schematic diagram of multi-lane road mileage pile calculation

對于1，4車道：如圖4所示，設每車道寬4 m，1，4車道與中心線的距離分別為6 m，即AB線段長為6 m，當速度v為72 km/h時，若設車載終端1 s接收GPS信號次數(shù)n為40，則車載終端移動的距離：

(12)

L1計算結果為0.5，即縱向GPS距離BC線段長為0.5 m，設此時最小距離為D1即圖中的AC線段：

(13)

D1結果為6.02 m，即此時最小距離為6.02 m。

車輛行駛過程中，不斷計算當前位置和下一個里程樁位置之間的距離，當距離小于6.02 m時，就可確定該位置就是里程樁位置。

對于2，3車道：2，3車道與中心線的距離分別為2 m，即橫向車道距離ab線段長為2 m，當速度v為72 km/h時，用式(12)計算得車載終端移動的距離L2結果同樣是0.5，即縱向GPS距離為0.5 m，設此時最小距離為D2即圖中的ac線段：

(14)

D2結果為2.06 m，即此時的最小距離為2.06 m。

3.3百米樁的誤差校正

以GPS為基礎完成公里樁的定位后，可以得到車輛所在當前路段的準確經(jīng)緯度信息，但是不能對公里內(nèi)當前所在路段進行精確定位。目前，主要利用光電編碼器對每公里內(nèi)里程進行計算。當車輛在行駛過程中，方向盤的擺動會造成車輛行駛的距離比實際距離要長，長距離檢測之后會累積到很大的誤差。因此，在定位過程中，每當找到下一個公里樁時，光電編碼器自動清零并重新開始計數(shù)，以減少光電編碼器的累積誤差。

此外，內(nèi)外道原因也會造成車輛采集的距離與實際距離不符，可以用光電編碼器采集每兩個公里樁之間實際距離，并結合陀螺儀輔助的方法進行誤差修正，然后采用內(nèi)插的方法得到百米樁。內(nèi)插法具體分為以下兩步：

(1)確定道路的起點公里樁號和終點公里樁號；

(2)根據(jù)道路實際長度和里程范圍，平均內(nèi)插得到中間各點的百米樁信息；

4試驗結果及分析

為了驗證基于多傳感器信息融合的里程定位技術的定位精度，選取某路段進行測試。試驗結果如表2所示，其中誤差1表示光電編碼器累積里程和標準里程的誤差，誤差2是結合多傳感器信息融合修正后里程和標準里程的誤差。

表2　累積誤差與修正誤差的比較(單位：m)

由表2可以看出，在1 km范圍內(nèi)，誤差2遠小于誤差1。百米樁的位置誤差最大2.5 m。

因此，采用基于多傳感器信息融合的里程定位技術在確定公里樁時，最大誤差不超過1 m；在確定百米樁時最大誤差不超過2.5 m。

5結論

里程樁定位誤差的來源主要有5個方面，分別是里程樁設置的誤差、GPS定位誤差、光電編碼器累積誤差、彎道誤差以及車輛方向盤擺動誤差。為了最大限度地減少公里樁的定位誤差，通過GPS結合道路環(huán)境視頻及文本文檔的方法實現(xiàn)對公里樁的精確定位，確保每公里外誤差不累積；在GPS缺失的情況下，采用陀螺儀輔助的方法確保GPS信號的連續(xù)性，每公里內(nèi)采用光電編碼器結合陀螺儀的方法實現(xiàn)車輛擺動誤差的修正。試驗結果表明，采用基于GPS、陀螺儀和光電編碼器、文本文檔、視頻多傳感器信息融合的定位技術，在確定公里樁時，最大誤差不超過1 m，在確定百米樁時最大誤差不超過2.5 m，對公路病害的精確定位具有重要的意義。

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Study of Positioning Technology of Mileage Piles Based on Multi-sensor Information Fusion

MA Rong-gui1, MA Zi-han2

(1. School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064 , China；2. School of Highway, Chang’an University , Xi’an Shaanxi 710064 , China)

Abstract：Mileage pile is an effective flag for pavement information positioning, However, the problems of positioning inaccuracies, error accumulation remain exist. By analyzing the primary reasons of errors in traditional mileage positioning, a positioning technology of mileage piles based on multi-sensor information fusion such as GPS, video, text documents, gyroscope and photoelectric encoder is proposed. Kilometer pile can be positioned accurately by the method of GPS with the road environment video and text documents, it makes no errors accumulate in every kilometer, and the positioning error is less than 1 m. Under the circumstance of missing GPS signal, the gyroscope aided positioning is adopted to ensure the continuity of GPS signal. The position of hectometer stake is obtained by interpolating using the method of photoelectric encoder and gyroscope distance correction per kilometer. The experiment shows that (1)the maximum mileage pile positioning error does not over 1 m. (2) the maximum hectometer mileage pile positioning error does not over 2.5 m using the proposed positioning technology.

Key words：road engineering；mileage pile positioning；GPS；gyroscope；photoelectric encoder

中圖分類號：U416.06

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0046-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.008

作者簡介：馬榮貴(1967-)，男，河南滎陽人，工學博士，教授.(rgma@chd.edu.cn)

基金項目：交通運輸部建設科技項目(2014318J21 060)

收稿日期：2015-07-28