基于GPS的汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)與估算

徐巧玲

1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，安徽六安，237158

基于GPS的汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)與估算

徐巧玲

1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，安徽六安，237158

針對(duì)以往汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)手段的不足，研究出一種體積小、功能集中、使用方便的便攜式汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備，提升汽車行駛的安全性和汽車一次安全技術(shù)；利用GPS 模塊實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行狀態(tài)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并在ARM開發(fā)板上處理顯示，依據(jù)這些數(shù)據(jù)信息，再結(jié)合汽車三自由度模型及相應(yīng)的參數(shù)估算算法，估算出車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)如汽車質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)心側(cè)偏角、縱向速度和側(cè)向速度，從而為車輛一次安全控制提供依據(jù)。

GPS模塊；三自由度模型；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)

1 整體硬件平臺(tái)搭建

設(shè)計(jì)采用Trimble Condor GPS C2626 OEM板與ARM數(shù)據(jù)傳輸以及與PC機(jī)通信，確保數(shù)據(jù)能夠完整的接收、發(fā)送及顯示。利用PC機(jī)完成GPS定位數(shù)據(jù)采集界面應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，并通過(guò)USB同步，植入ARM中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)ARM與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)各硬件模塊的有機(jī)結(jié)合。記錄汽車在行駛過(guò)程中的GPS定位數(shù)據(jù)，為汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)估算提供原始的有效數(shù)據(jù)[1]。系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 GPS信息采集系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在VisulStudio2005(簡(jiǎn)稱VS2005)編程環(huán)境下，開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPS數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用程序界面，并通過(guò)串口，把GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)傳送到采集界面適時(shí)顯示、記錄并保存。最后，將整個(gè)系統(tǒng)的各硬件連接好，調(diào)試各模塊數(shù)據(jù)傳輸是否正常，并進(jìn)行汽車性能檢測(cè)，記錄下汽車在行駛過(guò)程中的GPS定位數(shù)據(jù)，為汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)估算提供原始的有效數(shù)據(jù)。圖2為應(yīng)用程序開發(fā)程序流程圖，圖3為L(zhǎng)CD液晶屏上GPS應(yīng)用程序采集界面。

圖2 應(yīng)用程序開發(fā)程序流程圖

圖3 LCD液晶屏上GPS應(yīng)用程序采集界面

3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS接收機(jī)所得到的數(shù)據(jù)是基于WGS-84坐標(biāo)系的經(jīng)緯度(B,L)觀測(cè)值,而這個(gè)系統(tǒng)需要的是被測(cè)試車輛的平面坐標(biāo)(x,y),用于求得車輛的位置、速度等參數(shù)[3]。因此，要求得到所需的車輛實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，也是就它的質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)，就需要將WGS-84坐標(biāo)變成相應(yīng)的平面直角坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理：如圖4，設(shè)A點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)(B，L)：B為緯度N，L為經(jīng)度E。大地坐標(biāo)(X，Y)：X為緯度，Y為經(jīng)度。其精簡(jiǎn)坐標(biāo)變換模型如下：

WGS-84坐標(biāo)變成相應(yīng)的平面直角坐標(biāo)，通常用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成，但在目前常用的換算軟件中存在靈活性較差,且不能成批量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,給實(shí)際工作帶來(lái)許多不便[2]。而Excel完成坐標(biāo)換算工作只需要在相應(yīng)單元格中輸入相應(yīng)的函數(shù)公式即可，把相應(yīng)的公式填入到相應(yīng)單元格后,就可方便地把WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成北京54坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換方法是輸入所有的經(jīng)緯度之后,再用鼠標(biāo)下拉就可以得到計(jì)算結(jié)果，如表1為Excel表格中截取的部分轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

圖4 精簡(jiǎn)坐標(biāo)變換

表1 坐標(biāo)正算輸入數(shù)據(jù)

4 汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)估算

據(jù)GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序采集到的數(shù)據(jù)信息，來(lái)估算汽車質(zhì)心的速度方向角、質(zhì)心側(cè)偏角β、側(cè)向速度vy、縱向速度vx。如圖5所示，坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)指向東方，縱坐標(biāo)指向北方，根據(jù)GPS采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面直角坐標(biāo)變換，可得到汽車任意時(shí)刻的質(zhì)心坐標(biāo)(X,Y)。設(shè)tn時(shí)刻對(duì)應(yīng)第N點(diǎn)的坐標(biāo)為(xn,yn),tn-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的N-1點(diǎn)的坐標(biāo)為(xn-1,yn-1),由式(1)可以得到第N點(diǎn)處汽車質(zhì)心速度vn[3]

(1)

圖5 汽車三自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型

4.1 汽車質(zhì)心速度的方向角估算

如圖5，設(shè)計(jì)中，汽車質(zhì)心的速度方向角是圖中標(biāo)出的v,依照公式(2)并考慮相應(yīng)的相位關(guān)系即可計(jì)算出來(lái)。圖中β表示質(zhì)心側(cè)偏角，ψ表示航向角，v表示速度方向角。

設(shè)Δx=xn-xn-1，Δyn=yn-yn-1

(2)

(1)當(dāng)Δx>0,Δy>0時(shí)，計(jì)算公式為：

(2)當(dāng)Δx<0時(shí)，計(jì)算公式為：

(3)當(dāng)Δx>0,Δy<0時(shí)，計(jì)算公式為：

(3)

4.2 質(zhì)心側(cè)偏角的估算

取圖5所示的汽車縱軸方向與E軸的夾角為汽車的航向角ψ,該航向角可由GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到。如圖5所示，可得到汽車質(zhì)心側(cè)偏角β等于質(zhì)心的速度方向角ν減去所測(cè)得的航向角ψ，而質(zhì)心速度方向角ν可由公式(3)求得。因此，可求得汽車的質(zhì)心側(cè)偏角β。

β=ν-ψ

(4)

4.3 側(cè)向速度與縱向速度的估算

由公式(1)可得到汽車質(zhì)心速度vn，由公式(4)得到質(zhì)心側(cè)偏角β，于是便可以求出汽車的側(cè)向速度vy與縱向速度vx，即：

vy=vn×sinβ

vx=vn×cosβ

用GPS模塊實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行狀態(tài)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并在ARM開發(fā)板上處理顯示，依據(jù)這些數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)信息，再結(jié)合汽車自由度模型及相應(yīng)的參數(shù)估算算法，估算出車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，從而為車輛一次安全控制提供依據(jù)。

雖然本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了利用GPS所采集到的汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息來(lái)估算汽車行駛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的任務(wù)，但仍然存在諸多不足之處，如估算的參數(shù)數(shù)量較少、整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單等。

本文所估算的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)是基于三自由度汽車運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上的，但在實(shí)際應(yīng)用中，汽車行駛路況比較復(fù)雜，并具有不確定性因素，建立符合實(shí)際汽車行駛路況的自由度模型相對(duì)較復(fù)雜。因此，在今后的研究中，可從以下幾個(gè)方面來(lái)提高汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)估算的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的可靠性：(1)開發(fā)出能夠同時(shí)處理多塊GPS模塊采集的數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用程序，對(duì)多復(fù)雜路況進(jìn)行檢測(cè)，更真實(shí)地反應(yīng)出汽車在行駛過(guò)程中的狀況，這樣，可估算的參數(shù)數(shù)量也相應(yīng)增多。(2)采用精度更高的GPS模塊，在估算汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)時(shí)使估算出的值可靠性更高。(3)建立多自由度的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型，進(jìn)一步優(yōu)化算法，以得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]袁會(huì)東，韓峻峰，潘盛輝，等.基于WinCE的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012，35(19)：165-167

[2]谷超杰.Excel2003在高斯投影坐標(biāo)換算中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2008,31(6):190-192

[3]付江華.基于GPS與陀螺儀的汽車運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試[D].成都：西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院,2006：52-55

(責(zé)任編輯：汪材印)

2014-05-25

徐巧玲(1984-)，女，安徽潛山人，碩士，助教，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.09.023

U461.6

A

1673-2006(2014)09-0076-03