車輛行駛跑偏量在線測量研究*

周興林，伍 洋，呂文莎，尹皓暉

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081)

車輛行駛跑偏量在線測量研究*

周興林，伍 洋，呂文莎，尹皓暉

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081)

為解決車輛行駛跑偏量檢測的全天候高精度測量問題，提出了一種利用衛星實時差分定位技術進行車輛行駛跑偏量測量的方法。將移動站接收機置于待測車輛上實時接收車輛軌跡坐標，構建車輛行駛跑偏軌跡模型并計算跑偏參數，同時采用小波變換對衛星信號進行濾波處理，削弱了多路徑效應的干擾，提高了檢測系統的精度。通過兩臺移動站接收機同時測量同一車輛的對比試驗證明該方法可以快速、有效地進行跑偏量檢測，且測試精度高，可實現全天候測試。

車輛工程；車輛行駛跑偏；小波濾波；RTK；測量模型；測量系統

車輛行駛跑偏是指車輛在平坦路面上高速直線行駛時，當手松開方向盤后，車輛方向出現向左或向右偏移的現象。造成車輛行駛跑偏的原因有很多，常見的原因有兩側輪胎氣壓不等、胎面花紋磨損程度不一樣、懸掛系統設計有問題或懸掛受傷、變形、移位等。車輛的行駛跑偏輕則引起駕駛員駕駛疲勞，造成車胎磨損，嚴重地則會引發交通事故，因此有必要研究一套完善的車輛行駛跑偏量測量系統。

目前車輛行駛跑偏量測量的方法相對較多，常見的有CCD相機[1]、光纖傳感器[2]、激光[3]、GPS檢測法[4]和傳統檢測法。但是由于CCD相機標定復雜，光纖傳感器的安裝和維護比較困難，激光檢測法還處于理論研究階段，這幾種方法都未能推廣使用。國內大部分汽車廠家和汽車試驗場都有自己的跑偏量測量方法：如廣汽集團利用V-box進行檢測、襄陽汽車試驗場用陀螺儀進行檢測等。綜合分析各汽車廠家和試驗場的檢測方法，最為廣泛使用的是GPS檢測法[5-7]和傳統檢測法。傳統檢測法檢測精度低，受操作人員主觀因素影響較大，而傳統的GPS檢測法的檢測精度也相對較低。

筆者在已有GPS檢測法的基礎上進行了改進，提出RTK(real time kinematic)檢測法，該方法具有安裝維護方便、檢測精度高等優點，且受環境影響小，可實現車輛行駛跑偏量的全天候高精度檢測。

1 RTK工作原理及主要誤差

RTK即衛星實時差分定位技術，是以載波相位觀測為根據的實時差分動態定位技術，RTK系統一般由基準站、移動站和數據鏈3部分組成，其原理是在已知點架設基準站，對衛星進行連續觀測，并將觀測數據和測站信息通過無線電傳輸設備實時發送給移動站，移動站在接收衛星數據的同時接收來自基準站的數據，在系統內構成差分算法，以消除衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層折射等誤差，進而得到測點在大地坐標系下的三維定位結果。

RTK用于車輛行駛跑偏量測量時，基線不會布置太長，與衛星、大氣層和接收機相關的誤差在差分計算的時候可認為基本消除，但多路徑效應等誤差則不能通過差分算法消除，從而成為跑偏量測量誤差的主要來源。多路徑效應[8]是指衛星信號通過其他物體的反射或折射到達衛星接收天線，并對直接到達的衛星信號產生干擾，影響碼和相位測量，從而降低定位精度。目前國內外已有許多削弱多路徑效應的方法，如選擇較好的衛星觀測點，避開強反射面和射頻干擾源、選擇扼流天線、采取窄相關技術以及自適應濾波等數據后處理方法，為減小車輛行駛跑偏量測量誤差，系統采用的是小波濾波[9]的方法。

2 測量系統的建模與計算

車輛行駛跑偏測量模型如圖1。圖1中：測試道路旁架設RTK基準站1，基準站接收一段時間的衛星觀測值并求取平均值作為基準站參考坐標，將RTK移動站3固定在待測車輛2的頂部，駕駛員從A點沿著道路中心線將車輛加速至待測速度V后松開方向盤保持速度V進行跑偏測試，直至駛出檢測區域，RTK移動站記錄整個過程中車輛的坐標、方向和速度，通過分析車輛行駛跑偏軌跡即可得到車輛的百米跑偏量和百米跑偏角。

圖1 車輛行駛跑偏測量模型Fig.1 Vehicle driving deviation measurement model

2.1 小波濾波算法

信號f(t)的小波變換[10]如式(1)：

(1)

式中：a、b分別為尺度因子和平移因子；Ψ[(t﹣b)/a]為小波基函數。

在離散小波變換中，常用的離散方法是將a按冪級數離散，b在尺度內均勻離散，一般取a=2m，b=n2m。

f(t)的離散小波以內積的形式給出，如式(2)：

dm，n=〈ψn，m(t)，f(t)〉

(2)

由式(2)得到離散小波后，可由式(3)重建f(t)：

(3)

通過離散小波變換后，1個信號可以分解為它的低頻部分和高頻部分。再由式(3)重建信號后，即可得到濾波后的信號[11]。

2.2 坐標系標定及跑偏量計算

RTK系統檢測得到的WGS-84坐標是以地球質心為原點的大地坐標系統，需先將其轉換為空間直角坐標[12]，再進行跑偏量計算。假設(xi，yi，zi)和(Xi，Yi，Zi)分別為WGS-84大地坐標系和空間直角坐標系下的坐標，兩坐標系間的轉換由坐標原點的位移ΔX、ΔY、ΔZ，坐標軸的旋轉參數εx、εy、εz和坐標軸的尺度參數λ這幾個參數控制，其數學模型如式(4)：

(4)

選取檢測路段起點為空間直角坐標系的原點，道路中心線為x軸，垂直于道路平面方向為z軸，在道路中心線上選取3個點，分別量取其在WGS-84坐標系下的坐標和空間直角坐標系下的坐標，代入式(4)即可求解出各參數值。

轉換后的車輛行駛軌跡如圖2。曲線AP為加速段，PB為跑偏段；任取PB上距離為100 m的兩點C、D(即EF=100 m)，C點坐標為(XC，YC，ZC)，車輛在C點的行駛方向與道路中心線之間的夾角為θ1；D點坐標為(XD，YD，ZD)，車輛在D點的行駛方向與道路中心線之間的夾角為θ2，則跑偏參數如下。

圖2 車輛行駛軌跡計算模型Fig.2 Calculation model of vehicle driving trajectory

被測車輛百米行駛跑偏量ΔL(單位：cm)如式(5)：

(5)

被測車輛百米行駛跑偏角Δθ如式(6)：

Δθ=θ2-θ1

(6)

3 測量系統組成

車輛行駛跑偏量測量系統硬件組成如圖3。系統包括數據采集、數據處理和無線通信這3部分。RTK模塊通過收發衛星信號采集車輛軌跡信息，計算機用于控制RTK模塊和數據處理，無線電臺用于RTK基準站和移動站之間的數據傳輸，無線AP用于計算機和手持終端之間的數據傳輸。

圖3 系統主要硬件組成Fig.3 Main hardware composition of the system

圖4 檢測系統工作流程Fig.4 Work flow chart of detection system

圖4為檢測系統工作流程。調試好設備，利用全站儀在道路中心線上標定3個坐標已知的點，并測量其在WGS-84坐標系下的坐標，計算坐標轉換參數，計算機錄入車輛的VIN碼后向車輛發出開始測試的信號，RTK模塊以固定的頻率采集整個測試過程中車輛行駛的軌跡點坐標和方向，并將數據傳輸給計算機，計算機的數據處理軟件算出車輛的跑偏量、跑偏角后輸出并存儲數據，同時通過無線AP將數據傳輸給無線手持終端，若繼續測試下一輛車，則重復上述步驟。

4 實驗與結果

為驗證該檢測系統的精度和可靠性，設置一個基準站和兩個移動站，將兩個移動站置于同一待測車輛上，檢測速度為40 km/h，采樣頻率為20 Hz。分別在不同時段，不同氣候條件下對該車輛進行多次跑偏量測量，計算所測百米跑偏量和跑偏角，并對比結果以論證研究的可行性和有效性。系統基準站和移動站均采用NovAtel公司生產的FlexPak6接收機，基準站為該公司的GPS-703GGG天線，移動站為該公司的42GNSSA-XT-1天線。

4.1 設備精度檢測

搭建好整個測試系統，準備一根長為2 m的滑軌，將移動站天線固定在滑軌上，如圖5。滑軌平置于附近有建筑物遮擋的場地上(存在多路徑效應)，往返多次將移動站天線從滑軌的一端滑動至另一端，分別使用小波濾波法和不使用小波濾波法直接采集10組移動站的信號，結果如表1，根據采集的移動站天線數據計算出滑軌長度并與理論長度進行對比，驗證小波濾波法對多路徑效應的消除效果和測量系統的精度。

圖5 測量系統精度驗證Fig.5 Precision verification of the measurement system

由表1可看出：小波濾波法所測均方根誤差小于直接測量所得均方根誤差，說明小波濾波法可以在一定程度上削弱多路徑效應對檢測結果的干擾，且系統的測量誤差在1 cm以內。

表1 系統檢測精度驗證結果Table 1 Verification results of system detection precision cm

4.2 測量結果

調試好設備后，將兩個移動站安裝在同一待測車輛上并對該車輛進行跑偏量測量，分別在不同的時段、不同的氣候條件下進行跑偏測試，并使用labview[13]編寫計算程序，經過多次測量得到相關數據(圖6)。并對100次測量結果進行對比分析，求取兩個移動站的跑偏量差值和跑偏角差值，結果如圖7。

圖6 車輛行駛跑偏量記錄Fig.6 Vehicle driving deviation records

圖7 兩接收機所測跑偏量和跑偏角差值曲線Fig.7 D-value curve of driving deviation anddriving deviation angle measured by two receivers

由圖7可看出：在100次測量過程中兩臺移動站所測百米跑偏量差值在1 cm以內，跑偏角差值在0.1°以內，可知該車輛行駛跑偏量測量系統運行穩定可靠，且能夠全天候測量，可以滿足生產線等大批量檢測的需求。

5 結 語

針對目前國內跑偏量檢測精度不高的問題，筆者提出了一種利用衛星實時差分定位技術進行車輛行駛跑偏量測量的系統，并成功應用于實際車輛行駛跑偏量檢測試驗中。小波濾波法的使用消除了由于多路徑效應產生的誤差，提高了測量的精度。通過對比試驗證明該系統能夠有效實現跑偏量的全天候測試，且系統運行穩定可靠，檢測精度高，可廣泛應用于車輛生產線的檢測，對于車輛跑偏量測量具有現實意義，為車輛跑偏量測量提供了新的思路。

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On-Line Measurement of Vehicle Driving Deviation

ZHOU Xinglin，WU Yang，LV Wensha，YIN Haohui

(School of Automotive &Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，P. R. China)

In order to solve the all-weather and high precision measurement problem of vehicle driving deviation，a vehicle driving deviation test method based on satellite real-time differential positioning technology was developed. The mobile station receiver was set in the measured vehicle to receive the real-time vehicle trajectory coordinates. The vehicle driving deviation trajectory model was established and the parameters of vehicle driving deviation were calculated. Meanwhile，wavelet transform was used to filter the satellite signal，which weakened the interference of multipath effect and improved the detection precision of the system. Through the comparative test with the same vehicle measured by two mobile station receivers at the same time，it is proved that the proposed method can detect the vehicle driving deviation quickly and effectively，and the test precision is high. Moreover，it can realize all-weather measurement.

vehicle engineering; vehicle driving deviation; wavelet filter; RTK; measurement model; test system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.16

2016-05-17；

2016-12-07

國家自然科學基金項目(51578430)；國家標準委員會資助項目(20153973-T-339)；湖北省自然科學基金項目(2015CFA064)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BEC055)

周興林(1965—)，男，湖北監利人，教授，博士，主要從事交通信息與控制方面的研究。E-mail：zxl65@163.com。

伍 洋(1992—)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事交通信息與控制方面的研究。E-mail：591897764@qq.com。

U467.4

A

1674-0696(2017)12-097-05

劉韜)