基于GPS和慣性導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)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(dǎo)航移動平臺、實時動態(tài)（RTK）基站以及上位機（PC）控制系統(tǒng)。上位機控制系統(tǒng)的軟件可以根據(jù)《中國新車評價規(guī)程》（C-NCAP）中的場景需求設(shè)置不同的試驗方案，驅(qū)動測試車輛和可導(dǎo)航移動平臺按照規(guī)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(dǎo)航移動平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)及信號的互聯(lián)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(jù)試驗結(jié)果，此裝置在汽車主動安全測試中具有較強的實際應(yīng)用價值。

GPS導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；RTK差分技術(shù)；AEB試驗裝置

根據(jù)聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織道路安全全球現(xiàn)狀報告，每年重特大事故中，交通事故數(shù)和因交通事故死亡人數(shù)分別占到總數(shù)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(tǒng)在汽車上的安裝率也越來越高。數(shù)據(jù)顯示，配備自動緊急制動系統(tǒng)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(tǒng)是一項利用車輛上安裝的視覺系統(tǒng)或者雷達等傳感器，基于實時收集自身及外部車輛相關(guān)信息，進行靜態(tài)、動態(tài)物體檢測的機動車主動安全系統(tǒng)[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(fā)生碰撞。

此系統(tǒng)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(qū)相繼頒布了針對車輛AEB系統(tǒng)的測試章程或標準，中國也隨后出臺了相關(guān)的測試規(guī)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(shù)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(tǒng)（Global Positi- oning System, GPS）和慣性導(dǎo)航組合的自動AEB試驗裝置。

1 導(dǎo)航組合系統(tǒng)

1.1 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)

經(jīng)過了長時間的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)了多種方式的導(dǎo)航系統(tǒng)，比如GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中最常用的GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備組成，理想情況下4顆衛(wèi)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(wèi)星可以根據(jù)計算得出目標物的空間三維坐標（），第4顆衛(wèi)星用來處理這3顆衛(wèi)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(xù)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(tǒng)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(yīng)產(chǎn)生的誤差等；系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足主動安全試驗的車輛定位需求，在穩(wěn)定性和定位精度上存在很大瓶頸，這就要靠慣性導(dǎo)航輔助進行精確定位。

1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System, INS）簡稱慣導(dǎo)，是試驗裝置中對車輛進行精確定位的核心設(shè)備。慣性導(dǎo)航以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，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(tài)信息[5]，依靠算法對加速度等數(shù)據(jù)進行對時間的積分可以得到車輛三個坐標方向?qū)崟r的速度信息，經(jīng)過再次積分就可以得到被測物體在三個坐標方向上相應(yīng)的位移信息。同樣，陀螺儀經(jīng)過計算得出車輛的航向角、俯仰角、側(cè)傾角等姿態(tài)信息。慣性導(dǎo)航的優(yōu)點是不依賴其他設(shè)備的外界信息并且數(shù)據(jù)信息更新頻率高，但存在偏差累積和噪音的缺點，系統(tǒng)誤差會隨著時間越來越大，定位誤差與時間成正相關(guān)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)兩者結(jié)合取長補短，運用實時動態(tài)（Real Time Kinematic, RTK）差分算法能達到比較好的定位效果，從而提高導(dǎo)航系統(tǒng)組合的整體性能。

1.3 RTK差分技術(shù)

RTK差分技術(shù)即實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)，通過載波相位觀測的實時動態(tài)信息，可以實現(xiàn)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(dǎo)航的組合定位過程中，RTK基站與RTK移動站都由相同的衛(wèi)星獲取實時的GPS數(shù)據(jù)信息。同時基站將接收到的GPS數(shù)據(jù)發(fā)送給移動站，移動站結(jié)合自身的GPS定位數(shù)據(jù)以及慣性導(dǎo)航的測量信息，進行載波相位差分解算，從而消除絕大多數(shù)系統(tǒng)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(wèi)星相位觀測值的跟蹤，即可實現(xiàn)移動站厘米級精度的定位。

慣導(dǎo)RTK差分技術(shù)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(tǒng)組成及原理

AEB測試裝置由自動駕駛機器人、可導(dǎo)航移動平臺、RTK基站、RTK移動站、導(dǎo)航系統(tǒng)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(jù)用戶需求新建其他的試驗場景。RTK基站在試驗場應(yīng)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(dǎo)航移動平臺上。

圖1 系統(tǒng)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(yù)先選定的場景中設(shè)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。可導(dǎo)航移動平臺同樣也配備了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(tǒng)可以實現(xiàn)可導(dǎo)航移動平臺的精確定位。可導(dǎo)航移動平臺通過上位機控制器發(fā)來的信號控制電機運行實現(xiàn)其加減速和勻速行駛以及在設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。差分系統(tǒng)由對應(yīng)的板卡、RTK電臺等組成。

圖2 RTK結(jié)構(gòu)示意圖

同時，試驗測試裝置中的駕駛機器人與可導(dǎo)航移動平臺均搭載無線通訊模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)及信息通過低頻段的無線通信通道發(fā)送給自動駕駛機器人和可導(dǎo)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(dǎo)航測量的位置數(shù)據(jù)信息進行差分解算實現(xiàn)精確定位。可導(dǎo)航移動平臺可以通過高頻段通信信道將被測車輛的位置、速度信息發(fā)送給上位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)根據(jù)接收到的這些信息計算出的相應(yīng)轉(zhuǎn)向角、速度等信息發(fā)送給自動駕駛機器人完成相應(yīng)的動作指令。同樣，上位機系統(tǒng)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(fā)送給可導(dǎo)航移動平臺。

GPS和慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)用層面上一般采用國外進口的產(chǎn)品，比如美國的Trimble公司、法國的SBG公司的產(chǎn)品等等。本文所述的AEB試驗裝置采用OXTS公司的RT3000v3組合導(dǎo)航裝置，其性能指標如表1所示。此組合導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航組合設(shè)備采用RS232串口方式輸出數(shù)據(jù)，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(dǎo)航組合設(shè)備連接，讀取導(dǎo)航組合設(shè)備輸出的串口數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)格式協(xié)議進行解析，選取所需的數(shù)據(jù)（如經(jīng)緯度、航向角等），通過坐標轉(zhuǎn)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(shù)與慣導(dǎo)定位技術(shù)的組合定位設(shè)備，依據(jù)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(fā)送控制指令來控制汽車，使車輛能夠沿著已經(jīng)規(guī)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(guī)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(tǒng)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(cè)行人（Car-to-Pedestrian Farside Adult-25, CPFA-25）、CPFA-50、車輛碰撞近側(cè)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(guī)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(jù)場景設(shè)置得出兩車觸發(fā)剎車的地點后開始試驗，在測試車輛根據(jù)系統(tǒng)算出的軌跡移動到距離目標車設(shè)定的距離時，給目標車發(fā)送信號使其開始運動，最終到達設(shè)定的終點兩車停止，實驗結(jié)束，實驗結(jié)果如表3、表4所示。

表3 測試車輛實驗結(jié)果

表4 目標車輛實驗結(jié)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(yù)設(shè)中心線±0.1 m，并且由實驗結(jié)果可以看出測試車輛和目標車輛的行駛速度和預(yù)設(shè)的速度一致，因此，此搭配GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合的試驗裝置，通過RTK差分技術(shù)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(jié)論

本文對基于GPS和慣導(dǎo)組合的車輛AEB試驗裝置進行了論述，此試驗裝置可以根據(jù)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(xiàn)移動過程的精準控制。同時通過試驗結(jié)果，證明該導(dǎo)航組合能夠?qū)υ囼炛械能囕v進行有效而精確的定位，能夠滿足AEB實驗裝置系統(tǒng)的需要。

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

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

[3] 房建偉.AEB行人測試裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙:湖南大學(xué),2018.

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

[5] 鐘振,王祥.基于RTK的GNSS/INS實時組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)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(tǒng)的設(shè)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(shè)備研發(fā)，E-mail:yangxinpeng173@163.com。