張浩，張紅衛(wèi) ，鄭雪蓮

（1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.運輸車輛運行安全技術交通行業(yè)重點實驗室，北京 100088；3.吉林大學交通學院，長春 130022）

基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)研究

張浩*1，2，張紅衛(wèi)1，2，鄭雪蓮3

（1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.運輸車輛運行安全技術交通行業(yè)重點實驗室，北京 100088；3.吉林大學交通學院，長春 130022）

為降低車輛運行狀態(tài)檢測成本、提高檢測便捷性，文章在分析傳統(tǒng)車輛運行狀態(tài)檢測技術利用GPS定位、測速功能和慣性傳感器測姿功能以實現(xiàn)車輛運行狀態(tài)檢測的基礎上，結合移動端內置傳感器的種類和功能，探究了基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測的可行性，并依據(jù)GPS/INS組合導航方法設計了GPS重調慣導、位置和速度信息組合模式兩種檢測方案。研究結果可為移動端測試技術在車輛運行狀態(tài)檢測上的應用提供理論依據(jù)和技術支持。

汽車運用；車輛運行狀態(tài)檢測；GPS/INS組合導航；移動端；傳感器標定

引言

車輛運行狀態(tài)檢測是利用專門的儀器設備獲得車輛位置、速度、姿態(tài)等。通過檢測車輛的運行狀態(tài)，可以對車輛的操縱穩(wěn)定性、制動性等進行評價，有助于了解車輛的動力學性能。然而，現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)價格昂貴、使用復雜，限制了車輛運行狀態(tài)檢測的推廣，也使得普通駕駛人難以準確了解和掌握車輛運行狀態(tài)。

隨著移動端的廣泛使用，加之移動端內置的GPS及慣性傳感器模塊，應用智能移動端進行導航、測速、狀態(tài)監(jiān)控等得到了學者們的關注。因此，本文旨在分析傳統(tǒng)車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)工作原理的基礎上，探究利用移動端內置傳感器進行車輛運行狀態(tài)檢測的可行性，并在此基礎上設計基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)。

1 汽車運行狀態(tài)檢測技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

汽車運行狀態(tài)檢測技術源于20世紀50年代。檢測技術的發(fā)展與試驗儀器、測試設備的技術進步密切相關。截止到目前，車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)可大致分為兩種：

（1）基于光電傳感器的檢測技術。它以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，在檢測和控制中得到廣泛應用。日本小野測器株式會社研發(fā)的小野 DL3000測試系統(tǒng)和德國Corrys-Datron Sensor System Inc開發(fā)的Datron測試系統(tǒng)是典型的光電傳感器檢測系統(tǒng)。

（2）基于GPS/INS的檢測技術。它借助GPS定位技術和慣性測量技術進行物體運行狀態(tài)的檢測，在飛行器、輪船以及地面車輛的定位和導航中得到了廣泛應用。英國Racelogic基于GPS定位原理研發(fā)的VBOX測試系統(tǒng)以及利用慣性傳感器開發(fā)的三軸加速度傳感器已經(jīng)廣泛應用在車輛操縱穩(wěn)定性檢測等領域。

2 GPS/INS車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)原理分析

對車輛運行狀態(tài)的準確描述，需要涉及車輛的運行軌跡、方向、速度、加速度、車身轉動角速度和角位移等信息。在車輛運行狀態(tài)的表征參數(shù)中，行駛軌跡和運行方向用于描述車輛在空間的位置和前進方向隨時間的變化；速度、加速度描述車輛位移快慢隨時間的變化；車身轉動角速度和角位移描述車身姿態(tài)隨時間的變化。因此，GPS/INS系統(tǒng)需獲得車輛位置參數(shù)、速度參數(shù)、加速度參數(shù)、角度參數(shù)和角速度參數(shù)。

2.1 GPS定位、測速、測姿原理

利用空間距離交會原理，GPS可以獲得運載體的經(jīng)緯度和海拔（圖 1）。當選定地面上的某一點作為參考點之后，利用北東天站心坐標系和地球大地坐標系之間的轉換矩陣，可以將經(jīng)緯度和高程表示的車輛位置換算成以北東方位表示的相對于參考點的位置。借助偽距測量、載波相位測量（圖2）等高精度測量方法，GPS的定位精度在借助基站的情況可達厘米級。

圖1 GPS定位原理

圖2 載波相位測量原理

在GPS高精度定位的基礎上，通過位置差分則可獲取運載體的運行速度。然而，位置差分所產(chǎn)生的誤差較大。目前，GSP一般利用原始多普勒觀測值直接計算速度，或者利用載波相位中心差分所獲得的多普勒觀測值計算速度。

GPS測姿是利用 GPS接收機來測量不同天線之間的相對位置，并通過精確的相對位置進行定向、定姿計算。使GPS具備姿態(tài)測量功能需滿足以下條件：

→ GPS接收機使用兩個或更多天線構成基線向量。當采用兩天線時，GPS接收機可以測量車輛航向和俯仰角（圖3）或者車輛航向和側傾角（圖4）；當采用不在一條線上的3天線時，能組合測量車輛的航向角、俯仰角和側傾角（圖5）。

→ 采用載波測量數(shù)據(jù)。GPS接收機所能測量的偽距精度不足以測量車輛姿態(tài)，必須使用載波的測量數(shù)據(jù)。

→ 解求載波周期模糊度。

圖3 雙天線縱向布置

圖4 雙天線橫向布置

圖5 三天線布置

GPS在定位和測速方面具有很高的精度，姿態(tài)測量的精度則受到很大限制。尤其是在GPS信號丟失后重新開始定位時，此時GPS測姿結果與實際情況相差較大。

2.2 INS定位、測速、測姿原理

慣性系統(tǒng)由陀螺儀和加速度計構成。陀螺儀是利用角動量守恒定律制成的具有方向指示功能和角運動測量功能的儀器，其具有進動性和穩(wěn)定性。借助其穩(wěn)定性，可以測量物體轉動的角位移；借助其進動性，則可以測量物體的轉動角速度。加速度計用于測量運載體的線加速度。在使用時，沿加速度計敏感軸的輸出并不是運載體的運動加速度，而是慣性加速度與地球引力加速度的矢量差，稱之為比力。因此，在利用加速度計測量運載體加速度時，需要從比力中扣除重力加速度在該軸上的分量。

如果已知慣性系統(tǒng)的基準方向以及最初的位置信息，可借助積分確定運載體的方位、位置和速度。

慣性系統(tǒng)在測量物體姿態(tài)和加速度方面具有很高的精度。利用慣性系統(tǒng)對物體進行定位時，需借助積分方法實現(xiàn)，容易累積誤差，因而其在定位方面的精度較差。

2.3 GPS/INS組合測量原理

GPS/INS測量將GPS的長期高精度性能和慣導系統(tǒng)的短期高精度性能有機結合起來，使組合后的導航性能比任意系統(tǒng)單獨使用時有很大提高。隨著組合水平的不斷加深，GPS和INS之間的信息交流不斷加強，組合測量的總體性能要遠遠優(yōu)于單獨系統(tǒng)。GPS/INS組合測量的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

→ 高精度的GPS信息可用來修正INS信息，控制INS誤差隨時間的積累；

→ GPS/INS組合測量加強了系統(tǒng)的抗干擾能力；

→ 解決了GPS動態(tài)應用采樣頻率低的問題；

→ 組合系統(tǒng)降低了對慣導系統(tǒng)的要求。

GPS/INS組合可根據(jù)不同的應用要求選擇不同層次的組合。按照組合深度的不同，其分為松散組合和緊密組合（圖6）。

圖6 GPS/INS組合測量方案

松散組合的結構簡單，便于工程實現(xiàn)。組合后，兩系統(tǒng)仍獨立工作，使測量信息有一定余度；缺點是GPS的定位誤差通常是時間相關的，特別是在GPS接收機應用卡爾曼濾波時。

緊密組合利用GPS接收機輸出的偽距、偽距率等原始信息進行定位、測速；在可見衛(wèi)星少于4顆時，仍能進行卡爾曼濾波，可解決GPS信號失效的問題，并利用狀態(tài)估計結果校正慣性導航系統(tǒng)。另外，緊密組合利用的是GPS接收機的原始信息，與GPS接收機輸出的位置、速度相比，偽距、偽距率不帶有時間相關性，對組合濾波中的濾波結果更有益。

3 基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測研究

3.1 移動端內置傳感器的種類和功能分析

目前，絕大多數(shù)移動端配備多種傳感器以感受其所處位置、姿態(tài)、環(huán)境等。根據(jù)功能不同，傳感器可分為運動、位置和環(huán)境傳感器。常見運動和位置傳感器的性能如表1所示。

表1 Android平臺常見運動和位置傳感器的性能

由表1可知，移動端內置傳感器能夠測量移動端的運動狀態(tài)。如果將移動端放置在車輛上，并固定其移動，則可借助移動端測量車輛運行狀態(tài)。

為了讓用戶能夠快速的對傳感器進行訪問，并讀取其采集到的原始數(shù)據(jù)，大部分移動端給開發(fā)者提供了方便的開放接口。通過這個統(tǒng)一的接口，可以對不涉及機密的傳感器數(shù)據(jù)進行訪問，并在此基礎上進行數(shù)據(jù)開發(fā)。

因此，利用客戶端進行車輛運行狀態(tài)檢測是切實可行的。

3.2 移動端車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)設計

車輛檢測系統(tǒng)主要是采集、處理、顯示和存儲車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及軌跡信息。結合已有的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)功能，基于移動端的檢測系統(tǒng)的總體需求主要包括6個方面：

（1）采集和處理車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)；

（2）實時顯示車輛運行狀態(tài)和軌跡；

（3）車輛超速、危險狀態(tài)預警功能；

（4）數(shù)據(jù)存儲和導出；

（5）數(shù)據(jù)傳輸；

（6）功能開啟和關閉。

由于移動端的ECU處理能力和速度非常有限，檢測系統(tǒng)應盡量減少復雜運算，以提高系統(tǒng)的實際可用性。

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需求分析，將系統(tǒng)功能劃分為車輛運行狀態(tài)采集模塊、電子地圖模塊、狀態(tài)實時顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，以及藍牙或無線通信模塊五大部分（圖7）。

圖7 基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)功能設計

3.3 檢測系統(tǒng)的方案設計

借助移動端內置GPS模塊和慣性傳感器獲取車輛位置、航向、速度和加速度、角速度以及角位移的方法與傳統(tǒng)GPS/INS組合導航方法類似。根據(jù)GPS/INS組合導航方法，基于移動端測試技術的車輛檢測方案可分為兩種。

3.3.1 GPS重調慣導方案

方案布置如圖8所示。車輛位置和速度利用GPS模塊獲得；加速度借助加速度傳感器和重力傳感器獲得；三軸角速度借助陀螺儀獲得；姿態(tài)角和航向角利用加速度傳感器和磁場傳感器獲得。

圖8 GPS重調慣導方案

當車輛在隧道、涵洞等遮蓋地行駛時，GPS模塊無法接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使得車輛定位中斷，其位置和速度信息丟失。該情況發(fā)生時，可利用慣性傳感器短時獲取車輛速度和位移；在GPS恢復正常時，繼續(xù)采用GPS獲取車輛位置和速度。

圖9 位置+速度信息組合方案

3.3.2 位置+速度信息組合方案

方案布置如圖9所示。用GPS模塊和慣性傳感器輸出的位置和速度信息的差值作為量測值，經(jīng)卡爾曼濾波來估計慣性傳感器的誤差，然后對慣性傳感器進行校正，獲得車輛位置、速度、姿態(tài)等。

3.4 移動端傳感器標定

為獲取準確的車輛運行狀態(tài)，需要對移動端內置傳感器的性能參數(shù)做出標定，從而對測得數(shù)據(jù)進行誤差補償，提高系統(tǒng)的檢測精度。

針對陀螺儀傳感器的輸出誤差，可采用轉臺法對各軸角速度進行標定。將移動端固定在步進電機的轉臺上，對3軸依次進行指定的轉速標定，誤差系數(shù)定義為3組測試數(shù)據(jù)的平均值，以提高標定精度。

加速度傳感器的標定方法與陀螺儀傳感器相同。針對加速度傳感器的輸出誤差，用加速度傳感器感應重力加速度的方法來完成。將移動端的3軸依次垂直水平面在步進電機的轉臺上固定，分別測出加速度為g和-g時各軸向的加速度值，并標定其誤差系數(shù)。

4 結論

通過分析移動端內置傳感器的種類和功能可知，借助移動端內置的運動和位置傳感器，在移動端接口開放的條件下，可以設計基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)。本文中設計了兩種車輛運行狀態(tài)檢測方案。論文研究成果可為后續(xù)開發(fā)基于移動端的車輛運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)提供理論參考。

本文受到“運輸車輛運行安全技術交通運輸行業(yè)重點實驗室開放課題”資助。

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Research on Vehicle Driving State Detection System Based on Mobile End

Zhang Hao*1,2, Zhang Hongwei1,2, Zheng Xuelian3
( 1.Research institute of highway ministry of transport, Beijing 100088; 2.Transport vehicle running safety technology the industry focus on the experiment, Beijing 100088; 3.Jiaotong university, jilin university, Changchun 130022 )

In order to reduce thecost of vehicle driving state detection and improve its convenience, the paper analyzed the traditional detection technologyon vehicle driving state based on GPS and inertial sensor, then investigate the feasibility of vehicle driving state detection based on the exploration of types and functions of mobile end built-in sensor.Two kinds of detection schemes were proposed according to different GPS / INS integrated navigation methods, which are GPS reconfigurable inertia mode and position and velocity information combination mode. Thestudy result can provide theoretical and technical support for the application of mobile end test technology in the detection of vehicle driving status.

Automobile application; vehicle driving state detection; GPS / INS integrated navigation; mobile end;sensor calibration

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-87-04

U461.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-87-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.028

張浩，男，交通運輸部公路科學研究院副研究員。主要研究方向：貨運車型標準化、汽車列車行駛穩(wěn)定性和通過性測試評價技術研究等。張紅衛(wèi)，男，交通運輸部公路科學研究院首席汽車工程師，高級工程師。主要研究方向為：汽車安全與節(jié)能環(huán)保等性能評價分析與控制對策，產(chǎn)品可靠性與質量控制技術、認證與質量管理、汽車標準化等。項目基金：[*]本文受到“運輸車輛運行安全技術交通運輸行業(yè)重點實驗室開放課題”資助。