李 偉，楊文鉑

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

近年來，我國汽車保有量激增，導(dǎo)致道路擁堵情況嚴(yán)重，交通事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響駕車出行的安全性和便利性。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能交通系統(tǒng)的使用逐漸成熟。它通過先進的計算機、通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高新技術(shù)，綜合性地解決交通運輸問題，密切車輛、道路、用戶三者之間的通信，從而形成一種信息融合的綜合運輸系統(tǒng)。對行駛車輛進行實時、準(zhǔn)確的定位及通信，是實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的至關(guān)重要的前提[1-2]，也是目前學(xué)界及行業(yè)研究的熱點。

現(xiàn)有的車輛定位技術(shù)主要采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位、航位推算法定位等方法。但是GPS定位由于政策及技術(shù)方面的原因，存在精度不足、時間盲區(qū)過長等缺陷；無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位需要借助于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)外部的預(yù)定位、人工標(biāo)定等輔助方法。文獻[3]結(jié)合二輪履帶式車輛運動、GPS定位以及車載航位推算系統(tǒng)導(dǎo)航的數(shù)學(xué)模型，在車輛的融合定位中引入融合系數(shù)控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)對外界干擾的有效適應(yīng)。Duan等[4]研究了基于車聯(lián)萬物(vehicle-to-everything,VTE)V2X通信網(wǎng)絡(luò)的車輛定位方法，通過建立車輛運動模型，大大提升了車輛的定位精度。文獻[5]提出了利用GPS和ZigBee進行組合定位的無縫定位方法，實現(xiàn)了兩種定位方式在復(fù)雜環(huán)境下的無縫切換，可應(yīng)用在某些GPS信號受限的定位場合。

本文針對車載GPS在復(fù)雜環(huán)境下的定位功能受限的問題，提出了GPS/ZigBee多源信息融合的車輛定位方法，并采用擴展卡爾曼濾波器解決不同傳感器之間的數(shù)據(jù)融合問題。第1部分對系統(tǒng)設(shè)計進行概述，并詳細介紹了各個硬件模塊的選型和組成；第2部分是對使用GPS和ZigBee多源信息融合的車輛定位系統(tǒng)具體的實現(xiàn)描述；第3部分是試驗結(jié)果分析；最后對全文進行總結(jié)，并展望了后續(xù)工作的重點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的一種使用GPS和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多源信息融合車輛定位系統(tǒng)，包含基于自組織多跳路由的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、基于車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)/GPS自適應(yīng)組合定位系統(tǒng)、基于Android的車載信息融合系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 System structure

系統(tǒng)內(nèi)車輛上各自安裝一套定位設(shè)備節(jié)點。該設(shè)備節(jié)點主要包含Android控制模塊、無線通信模塊、GPS定位模塊、傳感器采集模塊。下文分別對各個模塊的原理及硬件選型進行介紹。

1.1 Android控制模塊

Android控制模塊負責(zé)對車際通信數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)及傳感器采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行匯總分析，并完成地圖及交互界面顯示，以實現(xiàn)人機交互功能。

系統(tǒng)選用三星公司的Android通用主控芯片S5PV210。該芯片搭載ARM Cortex-A8核心，最大運行頻率為1 GHz，采用64/32位總線結(jié)構(gòu)。S5PV210芯片具有高性能、低功耗的特點，適用于GPS導(dǎo)航、個人數(shù)碼助理(personal digitel assistant,PDA)等智能手持設(shè)備。主控板配電源5 V～2 A適配器輸入，采用6.8 V瞬態(tài)管和2.6 A可恢復(fù)保險絲對電源進行過壓過流保護。主控板通過LCD40P顯示接口與8英寸液晶觸摸屏連接，提供輸入和顯示等人機交互功能。Android控制模塊通過串口與系統(tǒng)的其他各功能模塊進行通信，分別用到了主控板的COM0～COM2。其中,COM1是RS-232電平接口，COM0和COM2采集晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic,TTL)電平接口。

1.2 無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊負責(zé)車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳感、通信和控制等功能[6]，可在任意兩個對等的系統(tǒng)節(jié)點之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片，基于8015微處理器內(nèi)核，集成了無線通信模塊。ZigBee無線通信模塊與Android控制模塊通過UART接口進行數(shù)據(jù)流和控制流的交互，波特率為115 200 bit/s。除此之外，芯片還集成有128 KB的可編程Flash和多個模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。同時，該芯片還可以提取兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信的接收信號強度指示(received signal strength indieation,RSSI)值，用于傳感節(jié)點自適應(yīng)功率控制和移動節(jié)點定位。

1.3 GPS定位模塊

GPS定位模塊負責(zé)對空間定位信息進行采集，得到車輛的位置坐標(biāo)，通過通用異步收發(fā)器(universal asynchronous recever/transmiter,UART)與Android主控模塊連接[7-8]。LEA-5A定位模塊是高性能的GPS定位接收器，模塊的尺寸為(17×22.4×3) mm，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，典型電壓為3.3 V。其與微處理器通過串口進行數(shù)據(jù)通信。接收機擁有2個UART串行接口，默認UART1(RxD1/TxD1)。GPS模塊電路如圖2所示。

圖2 GPS模塊電路示意圖 Fig.2 GPS module circuit diagram

1.4 傳感器采集模塊

傳感器采集模塊負責(zé)對車輛節(jié)點實時運動狀態(tài)進行檢測，并完成速度、方向、加速度等參數(shù)的采集，通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)傳輸給Android控制模塊。

陀螺儀芯片MPU-6050采集三軸加速度信號后，通過總線將加速度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。通過三軸數(shù)字羅盤芯片HMC5883采集車輛的方位角數(shù)據(jù)，并通過I2C接口連接到MPU6050的AUX_CL和AUX_DA引腳。

2 多源信息融合定位系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 GPS預(yù)定位

系統(tǒng)初始化后，各個車輛上的定位設(shè)備節(jié)點啟動。GPS定位模塊匹配到工作衛(wèi)星后，不間斷地刷新并接收衛(wèi)星傳來的GPS報文信息，經(jīng)過解析得到接收機所在車輛的初始位置，實現(xiàn)粗定位。傳感器采集模塊采集車輛的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括運動三維方向、速度、加速度以及時間信息?？紤]到節(jié)點信息更新的實時性，每隔0.5 s通過UART向Android控制模塊反饋。

車輛群GPS定位系統(tǒng)由地面控制模塊、空間模塊、車載裝置模塊三個單元構(gòu)成。地面控制模塊包括主控站、監(jiān)測站、地面天線及輔助通信系統(tǒng)，主要功能是收集衛(wèi)星傳回的信息，計算出相對距離、衛(wèi)星星歷和大氣校正等數(shù)據(jù)，按規(guī)定的方式編制導(dǎo)航電文等?？臻g模塊由24顆衛(wèi)星組成，其中包含21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，在互成60°的6個軌道平面上工作。車載裝置模塊則由GPS接收機和衛(wèi)星天線組成，主要職責(zé)是捕獲待測衛(wèi)星的衛(wèi)星信號，測量接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)衛(wèi)星軌道參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)按定位解算方法計算出車輛所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息[9-10]。

2.2 GPS/ZigBee多源信息融合

考慮到GPS定位被遮擋時效果不佳，當(dāng)車輛群連網(wǎng)后，使用GPS/ZigBee多源信息融合定位。GPS和ZigBee分別采用了兩種不同的坐標(biāo)系標(biāo)定位置數(shù)據(jù)。GPS采用的是地心坐標(biāo)系WGS-84，而ZigBee則采用ECEF坐標(biāo)系。兩者的坐標(biāo)系不同，因此需要先對其坐標(biāo)系進行統(tǒng)一。信息融合時，系統(tǒng)分別輸入GPS和ZigBee信號，并用擴展Kalman濾波對各自的信號數(shù)據(jù)進行處理；然后，將兩者分別用濾波處理后的信號軌跡進行融合，再用擴展Kalman濾波進行處理，以達到多源信息無縫融合的效果。

為了用避免GPS信道干擾造成的位置漂移，結(jié)合運動狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)，利用Kalman濾波方法對當(dāng)前車輛運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行修正。此方法的原理是根據(jù)接收到的相鄰車輛的信號強度，通過無線信號強度與距離的關(guān)系，測算出相鄰車輛的距離；再結(jié)合擴展Kalman濾波方法和當(dāng)前運動模型，解算出車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)車輛之間的距離、速度等信息。

Kalman濾波是基于最小均方誤差準(zhǔn)則的濾波。將該濾波方法用于GPS/ZigBee多源信息融合定位中，就是將GPS和ZigBee的信息同時用于定位解的求解，使系統(tǒng)的狀態(tài)在濾波過程中不斷地迭代修正，組合定位的輸出又可以提供較為準(zhǔn)確的初始位置和方向信息。即使在GPS失效時，單獨使用ZigBee定位也能長時間保持較高的定位精度。

GPS/ZigBee多源信息融合是由GPS系統(tǒng)和ZigBee系統(tǒng)兩個相互獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成的多傳感器系統(tǒng)[11-12]。在多傳感器系統(tǒng)中，聯(lián)合Kalman濾波器，利用信息分配原理可實現(xiàn)多傳感器信息的最優(yōu)綜合。

GPS/ZigBee多源信息融合定位流程如圖3所示。

圖3 GPS/ZigBee多源信息融合定位流程圖 Fig.3 GPS/ZigBee multi-source information fusion positioning flowchart

3 系統(tǒng)結(jié)果分析

為了檢驗系統(tǒng)的有效性，對項目進行仿真驗證，并與GPS單獨定位的結(jié)果進行對比。圖4所示為GPS/ZigBee信息融合定位和GPS單獨定位結(jié)果對比曲線。從圖4中可以看出，GPS單獨定位的定位誤差在4～7 m之間，而GPS/ZigBee多源信息融合定位的定位誤差只有3～5 m，且系統(tǒng)在GPS信號斷續(xù)情況下依然可實現(xiàn)連續(xù)定位，使系統(tǒng)的定位可靠性得到了大幅提高。

圖4 定位結(jié)果對比曲線 Fig.4 Comparison curves of positioning results

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有工作的不足，本文通過對車輛定位及車際通信現(xiàn)狀的研究，采用基于ARM架構(gòu)的Android嵌入式系統(tǒng)平臺。該平臺整合傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及GPS定位技術(shù)，建立基于環(huán)境自適應(yīng)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)信號強度指示定位算法和基于擴展Kalman濾波算法的ZigBee/GPS多源信息融合定位方法。該平臺檢測效果精確、檢測時間短，具有實際應(yīng)用價值。本系統(tǒng)下一步的研究和優(yōu)化工作是在定位精確度和時效性穩(wěn)定的同時，改進電路設(shè)計，從而進一步提升系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性。