基于GPS和慣性導航的主動安全試驗裝置

楊新鵬，肖廣宇，張 帥，蔣熊力忍，劉漢渝

基于GPS和慣性導航的主動安全試驗裝置

楊新鵬，肖廣宇，張 帥，蔣熊力忍，劉漢渝

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

為滿足汽車主動安全測試標準中自動緊急制動（AEB）的測試需求，文章論述了一種基于全球定位系統（GPS）和慣性導航裝置的主動安全試驗裝置。該試驗裝置主要包括自動駕駛機器人、可導航移動平臺、實時動態（RTK）基站以及上位機（PC）控制系統。上位機控制系統的軟件可以根據《中國新車評價規程》（C-NCAP）中的場景需求設置不同的試驗方案，驅動測試車輛和可導航移動平臺按照規定的路線和速度移動，并且測試車輛的中駕駛機器人可以和可導航移動平臺實現數據及信號的互聯互通。該試驗裝置可以用于C-NCAP的AEB中的車輛追尾（CCR）測試，根據試驗結果，此裝置在汽車主動安全測試中具有較強的實際應用價值。

GPS導航；慣性導航；RTK差分技術；AEB試驗裝置

根據聯合國世界衛生組織道路安全全球現狀報告，每年重特大事故中，交通事故數和因交通事故死亡人數分別占到總數的69%和78.9%[1]，為了降低交通事故造成的危害，自動緊急制動系統在汽車上的安裝率也越來越高。數據顯示，配備自動緊急制動系統的車輛可以大大提升道路安全水平。自動緊急制動（Automatic Emergency Brak- ing, AEB）系統是一項利用車輛上安裝的視覺系統或者雷達等傳感器，基于實時收集自身及外部車輛相關信息，進行靜態、動態物體檢測的機動車主動安全系統[2]，能夠在車輛自身主動檢測到前方存在碰撞危險的時候，自動啟動行車制動使車輛減速剎停，盡可能避免發生碰撞。

此系統目前受到國家、地方政府、主機廠、零部件廠商以及科研院所越來越多的重視[3]。因此，有必要對汽車的AEB性能進行試驗及評估。近些年，西方國家及地區相繼頒布了針對車輛AEB系統的測試章程或標準，中國也隨后出臺了相關的測試規程[4]，由于測試過程中車輛會進行頻繁劇烈的減速和剎車等運動，長時間及多次數的試驗會對駕駛試驗員的身體舒適性有很大影響，本文論述了一種基于全球定位系統（Global Positi- oning System, GPS）和慣性導航組合的自動AEB試驗裝置。

1 導航組合系統

1.1 GPS全球導航系統

經過了長時間的發展，導航技術出現了多種方式的導航系統，比如GPS全球衛星導航系統、地磁導航系統、視覺導航系統等。其中最常用的GPS全球衛星導航系統由空間衛星、地面監控和用戶設備組成，理想情況下4顆衛星即可完成對地面目標物的定位，其單點定位精度大約在幾十米，其中3顆衛星可以根據計算得出目標物的空間三維坐標（），第4顆衛星用來處理這3顆衛星之間信息接收時間的差別。

它能夠為使用者提供全球性、全天候、實時、連續被測物體的三維坐標位置、移動速度以及時間信息，不過GPS的信息更新頻率比較低而且信號容易受到遮擋和干擾而丟失。GPS的測量誤差分為系統誤差和偶然誤差，偶然誤差主要包括觀測誤差及信號的多路徑效應產生的誤差等；系統誤差主要包括衛星的衛星鐘差、軌道誤差、大氣折射誤差以及接收機鐘差等[3]。在這種誤差量級下，單獨靠GPS全球衛星導航系統不能滿足主動安全試驗的車輛定位需求，在穩定性和定位精度上存在很大瓶頸，這就要靠慣性導航輔助進行精確定位。

1.2 慣性導航系統

慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）簡稱慣導，是試驗裝置中對車輛進行精確定位的核心設備。慣性導航以牛頓力學定律為基礎，通過加速度計和陀螺儀實時測量車輛當前的角速度、加速度等姿態信息[5]，依靠算法對加速度等數據進行對時間的積分可以得到車輛三個坐標方向實時的速度信息，經過再次積分就可以得到被測物體在三個坐標方向上相應的位移信息。同樣，陀螺儀經過計算得出車輛的航向角、俯仰角、側傾角等姿態信息。慣性導航的優點是不依賴其他設備的外界信息并且數據信息更新頻率高，但存在偏差累積和噪音的缺點，系統誤差會隨著時間越來越大，定位誤差與時間成正相關。慣性導航系統和GPS導航系統兩者結合取長補短，運用實時動態（Real Time Kinematic, RTK）差分算法能達到比較好的定位效果，從而提高導航系統組合的整體性能。

1.3 RTK差分技術

RTK差分技術即實時動態載波相位差分技術，通過載波相位觀測的實時動態信息，可以實現被測物體在空間中的精準三維定位，其精度可以達到厘米級。在RTK參與GPS和慣性導航的組合定位過程中，RTK基站與RTK移動站都由相同的衛星獲取實時的GPS數據信息。同時基站將接收到的GPS數據發送給移動站，移動站結合自身的GPS定位數據以及慣性導航的測量信息，進行載波相位差分解算，從而消除絕大多數系統誤差，大幅提高定位精度。移動站和基站只要同步保持四顆以上的衛星相位觀測值的跟蹤，即可實現移動站厘米級精度的定位。

慣導RTK差分技術在AEB測試裝置中具有兩個作用：用于對前后車運動的起始和行駛終點位置進行精確定位；實時測量測試車輛及被測車輛精確的加速度、速度和位移信息。

2 系統組成及原理

AEB測試裝置由自動駕駛機器人、可導航移動平臺、RTK基站、RTK移動站、導航系統組合以及上位機等硬件組成，如圖1所示。上位機中的軟件可以對試驗場景進行選擇，并且可以根據用戶需求新建其他的試驗場景。RTK基站在試驗場應放置在空曠的地方，以減少對接收信號的影響，RTK移動站分別放置在測試測量和可導航移動平臺上。

圖1 系統組成示意圖

在此試驗裝置中，自動駕駛機器人將代替真實駕駛員來操控測試車輛，駕駛機器人會按照上位機中預先選定的場景中設置的行駛軌跡運行，精準化控制測試車輛的起步、加速及減速制動。測試車輛中搭載了RTK差分定位模塊、移動接收站以及GPS定位模塊，可以實時收集測試車輛精確的加速度、速度、位置及偏航角等信息?？蓪Ш揭苿悠脚_同樣也配備了RTK差分定位模塊、移動接收站及GPS定位模塊等裝置，RTK差分系統可以實現可導航移動平臺的精確定位。可導航移動平臺通過上位機控制器發來的信號控制電機運行實現其加減速和勻速行駛以及在設定的位置制動。

RTK差分定位模塊由基站和移動站組成，其具體結構如圖2所示。差分系統由對應的板卡、RTK電臺等組成。

圖2 RTK結構示意圖

同時，試驗測試裝置中的駕駛機器人與可導航移動平臺均搭載無線通訊模塊，可以實現數據及信息的實時互通。無線通訊模塊具有兩個不同頻段的通訊通道。其中RTK基站將接收到的GPS衛星導航數據及信息通過低頻段的無線通信通道發送給自動駕駛機器人和可導航移動平臺中的RTK移動站，然后分別將接收到的GPS信息以及自身的慣性導航測量的位置數據信息進行差分解算實現精確定位?？蓪Ш揭苿悠脚_可以通過高頻段通信信道將被測車輛的位置、速度信息發送給上位機系統，上位機系統根據接收到的這些信息計算出的相應轉向角、速度等信息發送給自動駕駛機器人完成相應的動作指令。同樣，上位機系統可以通過高頻段通信信道將測試車輛的位置、速度信息以及控制運動的信號發送給可導航移動平臺。

GPS和慣導的組合導航系統在應用層面上一般采用國外進口的產品，比如美國的Trimble公司、法國的SBG公司的產品等等。本文所述的AEB試驗裝置采用OXTS公司的RT3000v3組合導航裝置，其性能指標如表1所示。此組合導航系統在RTK差分算法下的定位精度可以達到0.01 m，速度測量精度為0.05 km/h。

表1 RT3000v3性能

此導航組合設備采用RS232串口方式輸出數據，使用工控機、上位機（Personal Computer, PC）、嵌入式控制器等計算平臺，通過串口與導航組合設備連接，讀取導航組合設備輸出的串口數據，根據數據格式協議進行解析，選取所需的數據（如經緯度、航向角等），通過坐標轉換，得到平面坐標系下的坐標信息（,）。

綜上所述，AEB測試裝置利用融合了差分定位技術與慣導定位技術的組合定位設備，依據所計算出的位置信息建立車輛高精度軌跡路徑，然后通過給駕駛機器人發送控制指令來控制汽車，使車輛能夠沿著已經規劃好的目標路徑正常行駛并完成整個試驗過程。

3 AEB試驗測試

《中國新車評價規程》（China-New Car Asses- sment Programme, C-NCAP）里面主動安全測試的自動緊急制動系統測試和評價方法中的測試工況包括車-車、車-人和誤作用三大類，其中車-車工況包含前方靜止車輛追尾（Car-to-Car Rear Statio- nary, CCRs）、前方勻速行駛車輛追尾（Car-to-Car Rear Moving, CCRm）；車-人工況包含車輛碰撞近端行人（Car-to-Pedestrian Nearside Adult-25, CPNA-25）、車輛碰撞遠側行人（Car-to-Pedestrian Farside Adult-25, CPFA-25）、CPFA-50、車輛碰撞近側行人（Car-to-Vulnerable Nearside Adult-75, CVNA-75）等場景，誤作用包含相鄰車道制動試驗和鐵板實驗[6]，本文論述的試驗裝置在實際試驗中選用車輛追尾（Car-to-Car Rear, CCR）測試來驗證其實用性，試驗工況如表2所示。

表2 CCR試驗場景

在CCRs測試中，測試車輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度向目標車行駛，目標車（Global Vehicle Target, GVT）在實驗過程中靜止，如圖3所示。

圖3 CCRs試驗示意

CCRm測試中，測試車輛分別以30 km/h、 40 km/h、50 km/h的速度向目標車行駛，目標車在實驗過程中速度為20 km/h，如圖4所示。

圖4 CCRm試驗示意

首先，確定一個CCRm試驗的具體場景，使測試車處于自動駕駛模式，按照規劃路徑行駛，測試車輛以50 km/h的車速勻速靠近被測車輛，被測車輛的車速為20 km/h恒定車速，且測試車輛與被測車輛中心線重合并相距一定距離，即偏移量為0%。最后上位機根據場景設置得出兩車觸發剎車的地點后開始試驗，在測試車輛根據系統算出的軌跡移動到距離目標車設定的距離時，給目標車發送信號使其開始運動，最終到達設定的終點兩車停止，實驗結束，實驗結果如表3、表4所示。

表3 測試車輛實驗結果

表4 目標車輛實驗結果

在整個測試過程中，測試車輛中心線和目標車中心線在自動駕駛機器人和可移動平臺的作用下處于同一條直線上，最大偏移不超過預設中心線±0.1 m，并且由實驗結果可以看出測試車輛和目標車輛的行駛速度和預設的速度一致，因此，此搭配GPS導航系統、慣性導航系統組合的試驗裝置，通過RTK差分技術在試驗過程中對測試車輛和被測車輛可以達到非常高的測量精度，可以滿足試驗要求。

4 結論

本文對基于GPS和慣導組合的車輛AEB試驗裝置進行了論述，此試驗裝置可以根據C-NCAP的AEB測試要求對CCR試驗進行測試，可以對被測車輛和測試車輛進行準確定位，從而實現移動過程的精準控制。同時通過試驗結果，證明該導航組合能夠對試驗中的車輛進行有效而精確的定位，能夠滿足AEB實驗裝置系統的需要。

[1] 張新,謝旭敏.AEB行人檢測系統的設計與驗證分析[J].重慶理工大學學報(自然科學),2021,35(11):67-73, 149.

[2] 周文帥,李妍,王潤民,等.自動緊急制動系統（AEB）測試評價方法研究進展綜述[J].汽車實用技術,2020, 45(18):34-40,49.

[3] 房建偉.AEB行人測試裝置的關鍵技術研究[D].長沙:湖南大學,2018.

[4] 任錦濤.基于高精度組合定位設備的智能車輛路徑追蹤研究[D].西安:長安大學,2020.

[5] 鐘振,王祥.基于RTK的GNSS/INS實時組合導航系統設計[J].現代信息科技,2021,5(12):72-74,79.

[6] 蘭永斌,趙帥,時彥平,等.AEB行人檢測系統的設計與試驗驗證[J].河南科技,2021,40(15):8-13.

Active Safety Test Device Based on GPS and Inertial Navigation

YANG Xinpeng, XIAO Guangyu, ZHANG Shuai, JIANG Xiongliren, LIU Hanyu

( CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China )

In order to meet the testing requirements of automatic emergency braking (AEB) in the automobile active safety test standard, this paper discusses an active safety test device based on global positioning system (GPS) and inertial navigation device. The testing device includes automated driving robot, navigation mobile platform,real time kinematic (RTK) base station and personal computer (PC) control system. PC software of the control system can set different test scenarios according to the demand of(C-NCAP). It can drive the test vehicle and navigation mobile platform in accordance with the prescribed route and speed that set in the control system. And it can send and achieve the data and signal between the automated driving robot and the navigation mobile platform. The test device can be used for car-to-car rear (CCR) test of AEB in C-NCAP. According to the test performance, it has practical application value in AEB tests.

GPS navigation; Inertial navigation; RTK differential technology;AEB test device

U463.5

A

1671-7988(2023)03-122-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.023

楊新鵬（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為非標設備研發，E-mail:yangxinpeng173@163.com。