城市车路协同系统的通信及定位技术研究

城市车路协同系统的通信及定位技术研究 122 彭登 , 徐建闽 , 林培群 ( 1. 华南理工大学 自动化科学与学院,广东 广州 510641; ) 2. 华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510641 摘 要:为了改善道路安全和提高交通效率,提出一种实现车- 车、车- 路之间无线通信和车路智能协同控制的方法。结合车 () (路协同系统 cooperative vehicle infrastructure system,CVIS的研究方法,介绍了基于无线传感器网络 wireless sensor network, ) () WSN技术的车路协同系统和车辆定位装置的整体,包括基于 ARM920Tadvanced RISC machines内核的嵌入式车载终端 () 和路测终端的设计,全球定位系统global positioning system,GPS接收机的设计,以及设计一个中值滤波器和卡尔曼滤波器的 组合来提高 GPS 接收机的精度。实验结果明,优化后的 GPS 接收机定位位置误差明显减少,具有很高的精度和运行效率。 关键词:车路协同系统; ITS; ZigBee; ARM; 全球定位系统; 无线传感器网络 () 中图法分类号:TP393; TP313.52 文献标识码:A 文章编号:1000-7024 201103-0859-04 Research on communication of city cooperative vehicle infrastructure system and it’s positioning technology 122PENG Deng, XU Jian-min, LIN Pei-qun (1. College of Automation Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; )2. College of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China Abstract:To improve road safety and traffic efficiency, a method is presented, which is used to realize intelligent cooperative vehicle (infrastructure control and wireless communication between vehicle and vehicle, vehicle and road. CVIS cooperative vehicle infrastructure ) () systemresearch methods are combined. The overall design of CVIS based on WSN wireless sensor networktechnology and vehicle positioning device are introduced. Including the design of an embedded vehicle terminal and an embedded field test terminal based on ()() ARM920T Advanced RISC Machines, the designs of GPS global positioning systemreceiver as well as a combination of a median filter and Kalman filter to improve the accuracy of GPS receivers. The experimental results show that the position error of optimized GPS positioning receiver significantly reduced, and the system has high accuracy and operating efficiency. Key words:CVIS; ITS; ZigBee; ARM; GPS; WSN 的“智能车辆”、“车辆道路智能集成系统”;欧盟利用先进0 引 言 的信息通信技术促进安全系统的研发与集成应用，提出了包 括eSafety、SAFESPOT 等在内的“道路安全计划”;日本遵循 ITS 传统以修建或扩展道路解决交通问的方法随着城市发的系统集成理念，利用 ITS 相关技术，如先进的“车辆信息和 展和土地资源越来越紧缺已变得不再可行，在这种背景下，把 通信系统”、“不停车电子收费系统”等以及信息与通信技术， 车辆和道路整合起来，以计算机、通信及自动控制等先进技术 []2Smartway”系统。然而， 进行道路基础设施的整合，实现其“为手段，旨在系统高效地解决交通拥堵、交通安全、交通环境 国内在车路协同领域的研究才刚刚起步，特别是在道路交通 ()等问题的智能交通系统intelligent transportation systems，ITS应 []1信息服务方面还处于跟踪调研阶段，未形成具体可行的技术 。车路协同系统 CVIS 作为 ITS 的重要组成部分，一 运而生框架，更没有深入研究与实际应用，因此需要加大研究开发力 直是世界交通发达国家研究、发展与应用的热点。度，以期快速赶上发达国家，满足我国智能车路应用的需求。 目前世界各国正积极进行车路协同方面的研究与应用， 所以本文结合实际工程需要，采用 ZigBee+GPS 模式实现车- -车或车-路通信方式 例如:美国实施了通过车载传感器与车车、车-路之间无线通信并且对车辆进行实时定位，为 ITS 共用 来获取信息，为驾驶者提供安全辅助控制或全自动控制支持 收稿日期:2010-04-21;修订日期:2010-06-29。 () 基金项目:国家自然科学基金项目 50878088。 ()() 作者简介:彭登 1987,，男，江西萍乡人，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程; 徐建闽 1960,，男，山东招远人，教授，博士 信息平台以及出行者信息服务系统、交通控制管理系统、车辆最大通信距离可达 1000m，且通信质量可靠，受车速影响不大。 运营管理调度系统、汽车计算平台等领域提供必要的信息。 嵌入式路侧终端与智能交通控制中心的无线通信，采用的是 立 功 已 有 成 熟 产 品 ZWT-34A，它 是 工 业 级 外 置 式 TD- 周 SCDMA 无线数传设备，通过串口与核心处理器连接，从而实 1 嵌入式车载终端和嵌入式路测终端的设计 []7-8现基于 3G 的路侧装置与智能交通控制中心无线通信。 车路协同系统 CVIS，其基本思想是运用多学科交叉与融 采用ZigBee+ GPS 作为车辆的实时定位技术，获取车辆的 合的方法，充分利用大规模并行计算、传感器网络等先进技术， 实时运动速度、位置;采用雷达传感器作为车辆探测周边障碍 实现道路交通信息的智能感知与人、车、路三位一体协调发展， 物的检测手段，为行车安全提供基本信息;同时采用 Zig- 大幅提高道路交通信息的利用效率与应用水平，为缓解道路交 Bee+3G 的通信方式，使得路侧装置不但能够与路段上的车载通拥堵、提高道路通行能力、改善道路交通安全等发挥重要的 ()终端形成局域网基于 ZigBee，而且能够作为局域网服务器的 作用，同时也为相关学科和产业的发展提供新的研究方向和发 ()角色与智能交通控制中心进行通信基于 3G。通过存储器扩 展机遇，从而推动交叉学科新理论、新方法、新技术、新应用的 []3展设计，不但能满足嵌入式车载终端和嵌入式路测终端系统 产生和发展。本文设计了基于 ARM920T 内核的嵌入式车载 的存储需求，而且还能为日后嵌入系统实现更强大的测速及 终端和嵌入式路测终端，嵌入式车载终端和嵌入式路测终端之 附加功能提供存储资源。嵌入式车载终端和嵌入式路测终端 ZigBee 无线通信模块进行通信，实现车-车和车-路之间 间通过的设计，如图 1 所示。的无线通信，并且 GPS 接收机实时精准定位车辆的位置。 1.1 ZigBee 目前，国际上采用短程无线通信的方法有很多种，主要包 GPRS/CDMA1X、蓝牙、WIFI、ZigBee、电台等，其优缺点和应 括2 GPS 接收机 []4用重点如表 1 所示。结合实际工程的需要，本设计采用能够 2.1 GPS 接收机的设计在高电子噪声和金属干扰区域提供数据传输、低功耗且高安 GPS 接收机的设计由以下 4 个级联的模块组成:?信号 ZigBee 作为路段搭建自组织网络的技术手段，实现车- 全性的接收单元:通过天线接收 GPS 卫星信号并将其放大。?射频 车、车-路的短程无线通信。Zigbee 是 IEEE 802.15.4 协议的代 前端单元:接收电路通过把射频信号变换到中频后再进行数 名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线 字化处理。?信号处理单元:通过频率变换、频率合成等电路， 通信技术，ZigBee 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功 将数字中频信号转化成导航电文、伪距、伪距率输出。?导航 耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制 []5。 计算单元:完成从导航电文、伪距、伪距率到接收机位置、速度 领域，可以嵌入各种设备 1.2 基于 ARM920T 内核的嵌入式车载终端和嵌入式 路和时间等的计算。?输出单元:将接收机位置、速度和时间等 Zig- 测终端的设计 嵌入式车载终端和嵌入式路测终端使用的信息显示在嵌入式车载终端的显示屏上，并且可以通过[]9Bee 无线通信模块发送到智能交通控制中心。GPS 接收机的 的核心处理器都设计，如图 2 所示。 ARM9 S3C2440，S3C2440 是三星公司出产的系列处理器杰出 () 2.2 GPS 接收机机精度的提高的特点是其核心处理器CPU是一个由 Advanced RISC Machi- GPS 的误差来源包括星历误差、卫星时钟误差、相位不确 nes 有限公司设计的 16/32 位 ARM920T 的 RISC 处理器。 ARM920T 实现了 MMU、AMBA、BUS 和 Harvard 高速缓冲体系 定性、电离层和对流层的折射、多路径效应以及接收机噪声 16KB 指令Cache 和 16KB 数据Cache， 结构，这一结构具有独立的等。为了消除这些误差，人们应用了多种测量方法以使定位 []10 8 字长的行组成，通过提供一套完整的通用系统 。 每个都是具有误差最小化。这方面最典型的技术是卡尔曼滤波[]6外设，S3C2440 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。 在本文 GPS 接收机的设计中，提出设计一个中值滤波器 嵌入式车载终端和嵌入式路测终端之间的通信使用的是 和卡尔曼滤波器的组合来提高定位精度，并且对传统卡尔曼 ZigBee 无线通信模块，本文采用的 ZigBee 模块是美国 CEL 公 滤波方程做出了改进，消除由速度误差引起的定位偏离，并进 ZICM2410 模块，该模块内置集成 51 核的单片机，具有丰 司的一步提出组合滤波结构，结合中值滤波器，完善了动态卡尔曼 ()GPIO、UART、定时器和音频接口等，支持用户 富的硬件接口滤波器的静态滤波性能，以起到同时减少常值误差和随机误 二次开发。因此我们可以在该模块上编写传输协议，以兼容 差的作用。/路测终端的接口协议。该部分通过串口与嵌入式车载/ 车载本文设计的中值滤波器可以改善 GPS 接收机的经度误差 路侧终端相连，从而为两终端提供一个无线收发平台，测试其 []11 中抽取的一个样本，是从总体 和纬度误差。设 1, 2, , 记 1, 2, , 为样本的一个观察值，将观察值的各个分量按 由小到大的排序 表 1 短程无线通信方法比较 WIFI ZigBee GPRS/CDMA1X 无线通信方法蓝牙传统的电台 可有限点组网，数据率高价位低，功耗低，短时延，优点 网络覆盖好，距离远 可有限点组网，即插即用 传输距离远 1 到 11Mbps 网络容量高 拨号连接，只能点对点通讯， 距离短，耗电，软件复杂， 成本高，数据率低， ()缺点 距离短10m，复杂，功耗大 距离有限，数据率有限 数据率低 有限点组网 耗电，复杂 Web，Email，图像传输应用重点声音和数据传输电缆的替代品远程监测和自动控制广播媒体 LCD 显示屏 LCD 显示屏 电源电路 电源电路 接口 接口 RS232 RS232 复位电路复位电路 晶振电路 晶振电路 S3C2440X S3C2440X 接口 接口 USB USB 电路 电路 JTAG JTAG 嵌入式 LINUX 系统 嵌入式 LINUX 系统 存储器扩展 存储器扩展 嵌入式路测终端 嵌入式车载终端 PC 机 PC 机 雷达检测 ZigBee 模块 GPS 模块 ZigBee 模块 3G 模块 模块 图 1嵌入式车载终端和嵌入式路测终端原理框架 中频信号天线 信号 控制 频率 信号 锁相信号 储 射频 变换通道前置 数据 存 放大器 采样信号信号 器 控 信号接收频率 制 数 合成主频 信 据 号时钟 数据 基准 地址、控制信号 频率源电源A RM2440 模块 串行、显示接口处理器 RS 232 接口 信号变频 电源信号处理储存及接口 USB 接口 图 2 GPS 接收机原理框架 ()个坐标轴方向上的状 1 个坐标轴方向上造成的总位置误差。将 3 1 2 ? ?? 取 值 为 态变量利用分散卡尔曼滤波技术分别对其单独进行滤波处理。 时，定义 当 1, 2, , , 取值 为 1, 2, x 轴为例，状态变量为以 (), 的次序统计量为 k =1,2 n，由此得到样本 1, 2, T }(){。有1 2 X = x,v,a, 6 ，， xxx ()1 2 系统方程为 2 ?? ? ( ) () () = + + 7 其中 1 =min 1?i?n称为最小统计量，它的值 1 0 1 0 0 ( )()是样本中最小的一个;而 =max 1?i?n称为最大的统 0 0 1 0 计量，它的值是样本最大的一个。 1 ，U= x 0 其 中，系 统 状 态 转 移 矩 阵 = ，中那个正中间的那个值当 为奇数时，样本 1 2， 0 0 中正中间称为样本中位数 ;当 为偶数时，样本 1 ， 2， 1 0 0 0 的两个的算术平均值为样本中位数，滤波器的输出如下 1 T+1 } {} {为加速度0,0, ,0，系统噪声矢量，= 0,0, , 为奇数 2 2 ()= 3 为 0, 的 时间常数 为 坐标轴的“当前”加速度均值 ，， +1 1 为偶数 + , 2 2 2 高斯白噪声。 它的值为系统观测方程为 +1 为奇数() = + 8 2 ( )= 4 {}, 为=, 其中，观测矩阵 = 1,0,0,1，观测噪声矢量为 LxLx ， 1 +1 2 为偶数 + , 0, 的高斯白噪声。 2 2 2 并且本文采用一种自适应扩展卡尔曼滤波算法，来改善 轴 根据上述的系统方程和观测方程，经推导可以建立 x 滤波器的动态性能，利用滤波器消除各种随机误差，提高GPS 向上自适应卡尔曼滤波方程 []12定位精度，使其具有一定的跟踪能力。 +1, = +1, 1 取状态变量为 +1 +1 +1, +1 = +1, + +1 ()}{5 ,a,y,v,a,z,v,a, , , X = x,v xxyyzzxyz 1 +1 = +1, + +1 +1 +1 + +1, +1 3 个坐标轴 式中:3 组状态变量 ，，，，，，，，分别为 , , 方向上的位置、速度、加速度分量 () +1, = +1 +1, +1, + 9 3 ;，，分别为各种误差源在 +1 = +1 +1 +1, 50 50 2 40 0 40 1 2 1+ 1 0 30 30 2 20 20 0 1 0 1 0 其中，， = 0 1 +1, =1 10 10 0 0 1 0 0 0 0 0 0 -10 -10 0 0 0 0 0 0 -20 -20 () ， 为系统转移矩 A的离散化矩阵 k+1是引入的自适应遗忘 x -30 -30 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 因子，目的是利用现有的测量数据，改善滤波器的动态性能。 () () a精度误差 b改善后的精度误差 同理我们可以得到对应y 轴、z 轴方向上状态变量的滤波算法。 图 3 精度误差仿真对比() ()如果我们把 ak预测为 ak, k 1，看作在 kT 瞬时的“当x x 前”加速度，我们就可得以加速度的均值自适应算法。因此，设 ()= , 1 10 路径及状态，结合雷达传感器的实时检测可以感知车辆周边 的障碍物信息，利用车载信息处理器及路侧主机的监测算法， () 将上式代入方程9，以 x 轴方向为例，可得< < < < 可以全程地对车辆进行行车安全预警;在 GPS 机中设计一个 , 1 1, 1 中值滤波器和卡尔曼滤波器的组合来提高定位精度，并且对 (), 1 1, 1 = 11 1 < < 传统卡尔曼滤波方程做出了改进，消除由速度误差引起的定 1 , 1, 1 < 位偏离，并进一步提出组合滤波结构，结合中值滤波器，完善 2 1 /2 了动态卡尔曼滤波器的静态滤波性能，以起到同时减少常值 式中，又设= 0 1 0 = , 1 ，有 1 误差和随机误差的作用。经现场路面测试，本文基于无线传 1 0 0 感器网络技术的车路协同系统和车辆定位装置的精度以及效 0 0 1 < 率，可以满足交通控制管理系统的要求，而且还具有体积小， ()1 = 0 1 0 / 12 1/ 1 成本低，功耗低的优点。 0 0 1 1 0 0 令= 0 1 0 ，有1 参考文献: 0 0 1 (), 1 = 1, 1 13 1 [][]徐建闽, 杨兆升. 交通管理与控制 M. 北京: 人民交通出版社, 1 ()其中= ，替代方程 9，就可得1 1 1 1 1 2007:1-7. 李清泉,熊炜,李宇光.智能道路系统的体系框架及其 到自适应扩展卡尔曼滤波方程[]()研究J.交通运输系统工程与信息,2008,81:40-[]关键技术 2 , 1 = 1, 1 1 [] 42. .J.邹智军车路集成系统探测车数据采集仿真研究系统仿 ()学报,2009,2118:5955-5959. 真 , , 1 + , 1 = []3 []高守玮,吴灿阳. 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[]4 , 1 , , 1 = 1, 1 1 + 1, 1 Dissanayake SD,Karunasekara PPC,LakmanaarachchDDi ,et al. 1 , = Zigbee wireless vehicular identification and authentication sys- []5 2 2 2 () 自适应算法为: ，，[]Qk中机动加速度的方向有效期temC.4th International Conference on Information and Auto- < 4 2 2mation for Sustainability,2 008. “当前”加速度为正时，;“当前”加速度为负= max []三星公司.S3C2440 中文手册Z.韩国.首尔:三星公司,2006. 4 2 22 2 时，+ 。同理我们可得 ，自适应算法。= max []张瑞华,袁东风.基于嵌入式无线传感器网络平台的实现J.计 [] 6 () 算机工程与设计,2006,2718:3349-3352. 张大波.嵌入式系统3 实验结果 []7 []M.北京:机械工业出版 社,2004. 原理、设计与应用 程一沛. 基于 GPS/GIS/GPRS 的车辆监控管理系统的设计与 我们利用中值滤波器和卡尔曼滤波器的组合滤波模型对 []D.西安:西安科技大学,2009:5-24. 王先全,吴敏,冯济琴,开发GPS 输出的 x 轴定位结果进行实时滤波处理，取初始条件为: []8 []等.GPS 双天线定向系统及优化模糊度搜 索算法J.测绘科学2 22 2 2 2 ()()()()()， X0=0，P0=0，Qk中q= 3.8,q= 23.2= 0.005 。通过ax x x ()技术学报,2009,265:316-320. 陈莹,韩崇昭.基于多模板中值[]9 MATLAB 仿 真 结 果 表 明，当 我 们 选 取 相 关 时 间 常 数: []()J.系 统仿真学报,2007,197:1535-滤波器的地形图创建方法 ，= 0.986 = 102 ，采样周期 T = 0.0395 时，效果较佳;采用该 1539. 王仁广,刘昭度,齐志权,等.基于自适应卡尔曼滤波算法确 [] 10 []() 定汽 车参考车速J.农业机械学报,2006,374:9-11. 模型后，定位位置误差明显减小，定位精度得到提高，MAT- LAB 精度误差仿真对比图如 3 所示。 []11 4 结束语 本文的创新点是构建了整个无线传感器网络的车路协同 []12 ZigBee+GPS 的混合定位可以确定车辆的运行 技术框架;通过 file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文 档.txt Appliance Error (configuration_error) Your request could not be processed because of a configuration error: "Could not connect to LDAP server." For assistance, contact your network support team. file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt2012-07-12 20:42:52