藍(lán)牙路標(biāo)輔助車輛定位方法研究

孫亞飛 潘通

摘 要：車輛定位是智能交通系統(tǒng)的核心部分，現(xiàn)有車載導(dǎo)航大多采用GPS與DR航位推算系統(tǒng)組合的方式。針對(duì)GPS/DR車載導(dǎo)航系統(tǒng)在高樓、遂道等GPS被遮擋情況下存在定位盲區(qū)的問題，該文利用藍(lán)牙路標(biāo)信息，在導(dǎo)航盲區(qū)安裝藍(lán)牙路標(biāo)傳感器，對(duì)GPS/DR定位結(jié)果進(jìn)行修正。該課題中重點(diǎn)研究了藍(lán)牙路標(biāo)傳感器定位誤差修正方法，并分析了路標(biāo)定位誤差模型。研究結(jié)果表明：當(dāng)車速<70 km/h，通過路標(biāo)定位修正位置精度可以達(dá)到10 m；當(dāng)車速>70 km/h，且<170 km/h，位置修正精度可以達(dá)到20 m以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：車載導(dǎo)航 藍(lán)牙路標(biāo) 航位推算 位置修正

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0026-03

Research of Vehicle Location Assisted by Bluetooth Signposts

Sun Yafei Pan Tong

（High School Affiliated to Nanjing Normal University，Nanjing Jiangsu，210003，China）

Abstract：The vehicle location is the core part of intelligent transportation system， most of the existing vehicle navigation use GPS and Dead Reckoning（DR） navigation system. To solve the GPS/DR system problems of positioning blind area problem in high-rise buildings or tunnels，this paper uses bluetooth information， and installs bluetooth signposts sensor in navigation blind area，to correct the GPS/DR positioning results.This topic mainly studies the positioning error correction methods of bluetooth signposts sensor， and analyzes the signpost positioning error model.The results show that when the speed is less than 70 km/h， fixed position accuracy using bluetooth signposts can reach 10 meters；when the speed is more than 70km/h， and less than 170km/h， position correction precision can reach within 20 meters.

Key Words：Vehicle navigation；Bluetooth signposts；Dead reckoning；Position correction

交通是當(dāng)今世界發(fā)展的一個(gè)重要問題。城市交通擁堵、交通事故頻發(fā)、交通環(huán)境惡化成為當(dāng)今世界各國(guó)面臨的共同問題，無論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家都承受著不斷惡化的交通困擾[1]。城市中，為了提高車輛的運(yùn)行效率，需要對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度。為此，出現(xiàn)了智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）。

ITS運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、電子通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決交通中存在的諸多問題。ITS通過系統(tǒng)集成，將道路、駕駛員和車輛有機(jī)地結(jié)合在一起，同時(shí)加強(qiáng)了三者之間的聯(lián)系，借助于系統(tǒng)的智能化技術(shù)，駕駛員可以實(shí)時(shí)了解道路交通以及周圍車輛的分布狀況，以最為安全和經(jīng)濟(jì)的方式到達(dá)目的地。同時(shí)，管理人員通過對(duì)車輛、駕駛員和道路信息的實(shí)時(shí)采集來提高其管理效率，以達(dá)到充分利用交通資源的目的。

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)是ITS系統(tǒng)的核心部分，是其它各種功能的基礎(chǔ)。ITS中交通管理系統(tǒng)、自動(dòng)避撞系統(tǒng)、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)路線引導(dǎo)系統(tǒng)以及公共運(yùn)輸中的車輛調(diào)度和管理系統(tǒng)都不同程度地依賴于車輛的位置信息，假如車輛導(dǎo)航系統(tǒng)不能提供ITS要求的位置精度和可靠性，ITS中大部分功能都將無法實(shí)現(xiàn)[2]。

全球定位系統(tǒng)GPS，能提供精確的四維時(shí)空信息，已廣泛應(yīng)用于定位導(dǎo)航、資源勘查等領(lǐng)域[3]。從目前國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道來看，車輛的導(dǎo)航與定位都是基于GPS的前提下，輔以航位推算DR、地圖匹配MM等[4]。由于航位推算定位誤差隨時(shí)間發(fā)散，而地圖匹配算法也只有在車輛拐彎時(shí)才能提供與地圖精度相當(dāng)?shù)亩ㄎ恍畔ⅲ虼水?dāng)由于高樓、遂道的遮擋，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有GPS信號(hào)時(shí)，即使有DR、MM輔助，也難以進(jìn)行高精度的導(dǎo)航定位，也就是說這種方式存在導(dǎo)航“盲區(qū)”[5]。

該文中將藍(lán)牙技術(shù)用于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)。在GPS定位盲區(qū)設(shè)定基于藍(lán)牙的路標(biāo)傳感器（Bluetooth Beacon，BB），采用GPS/DR/BB組合導(dǎo)航，解決了車輛導(dǎo)航中的盲區(qū)問題，實(shí)現(xiàn)了城市中全區(qū)域、全天時(shí)的導(dǎo)航與定位。文中將首先對(duì)GPS/DR組合定位原理進(jìn)行分析，研究BB輔助定位的誤差特性，提出基于BB的位置修正模型，并通過實(shí)例分析所采用模型的有效性。

1 車輛GPS/DR組合定位原理

城市中，由于受到高樓、樹蔭的遮擋，GPS信號(hào)很弱，嚴(yán)重影響GPS的定位精度和定位可靠性。因此，城市車輛定位中單純的GPS定位無法滿足系統(tǒng)在定位精度和定位可靠性方面的要求，而DR（Dead Reckoning）航位推算可以在一定程度上彌補(bǔ)GPS的上述不足[6]。

車輛航位推算方法是一種常用的自主式車輛定位技術(shù)，它在水平直角坐標(biāo)平面內(nèi)推算車輛的位置。車輛導(dǎo)航計(jì)算機(jī)以一定頻率采集陀螺儀、里程儀信息，在已知車輛初始位置的情況下，利用實(shí)時(shí)采集的陀螺儀和里程儀數(shù)據(jù)，推算得到下一時(shí)刻車輛的位置。

圖1所示為航位推算原理示意圖，A為起始時(shí)刻的位置，后續(xù)的B、C、D等各點(diǎn)的位置坐標(biāo)可以通過式（1）進(jìn)行計(jì)算得到：

（1）

式（1）中，和表示車輛在時(shí)刻的東向、北向位置；是車輛從時(shí)刻到時(shí)刻內(nèi)向前行駛的距離；是車輛在時(shí)刻的航向；是車輛時(shí)刻到時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率（模型中，假定車輛在一個(gè)采樣周期內(nèi)以勻角速率轉(zhuǎn)動(dòng)）；是航位推算的周期。

由以上分析可以看出，DR航位推算是一個(gè)位置、航向累積的過程，由于傳感器采集的數(shù)據(jù)總會(huì)存在一定誤差，因此，純DR航位推算誤差隨時(shí)間增加而變大。但是，航位推算可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)定位，不會(huì)出現(xiàn)GPS定位過程中出現(xiàn)的信號(hào)中斷現(xiàn)象。通過GPS/DR組合計(jì)算，可以充分利用GPS、DR各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)雙方的不足，提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度和定位可靠性。

2 藍(lán)牙路標(biāo)定位誤差修正

藍(lán)牙技術(shù)是一種開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]。它可以在較小范圍內(nèi)通過無線連接方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可以在各種數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)通信。采用藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航系統(tǒng)與路標(biāo)之間的數(shù)據(jù)通訊，具有很好的使用前景[8]。

2.1 藍(lán)牙路標(biāo)定位誤差修正算法研究

不同的藍(lán)牙模塊通訊距離也不同，假設(shè)藍(lán)牙模塊通訊距離為R。設(shè)圖2中P點(diǎn)布置有一個(gè)藍(lán)牙路標(biāo)，P點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0，y0），該藍(lán)牙模塊作用范圍為半徑R的圓?，F(xiàn)有一車以速度v向前行駛，當(dāng)車輛行駛至藍(lán)牙路標(biāo)的有效作用區(qū)域（A點(diǎn)）時(shí)，兩模塊間開始試圖建立通訊，直至車輛行駛到B點(diǎn)時(shí)通訊建立完畢，車輛獲得了P點(diǎn)的坐標(biāo)值（x0，y0）。

如果用P點(diǎn)坐標(biāo)來修正車輛的位置，則必然會(huì)帶來一定的誤差，應(yīng)該用B點(diǎn)的坐標(biāo)來修正車輛的位置信息才是正確的。

設(shè)B點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)為（x，y），從圖2中幾何關(guān)系可以得到：

（2）

式中，b表示汽車與藍(lán)牙路標(biāo)間沿道路垂直方向上的距離，t表示車輛從A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)的時(shí)間，也即藍(lán)牙模塊建立通訊的時(shí)間。通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)過程中車載設(shè)備和藍(lán)牙模塊建立通訊的時(shí)間約為2～3 s，計(jì)算時(shí)可取時(shí)間t為2.5 s。

另外，為了保證車輛至少連接一次，速度需要滿足：

（3）

下面針對(duì)不同的情況來分析藍(lán)牙路標(biāo)的定位誤差。

2.2 直接利用路標(biāo)位置修正車輛位置

由公式（2），可以求出x，y方向以及平面距離誤差分別為：

（4）

公式（4）表明，直接修正情況下的位置誤差與藍(lán)牙通信距離R、車輛與藍(lán)牙路標(biāo)的垂直距離b、車速v、藍(lán)牙模塊通信建立時(shí)間t有關(guān)。

取車速v=50 km/h，通訊時(shí)間t=2.5 s，b=a/2=10/2=5 m，則 m m，

m。

在R、b、t取值一定的情況下，車速不同，對(duì)應(yīng)的修正誤差也不相同，當(dāng)車速時(shí)，距離最小。取R=100 m，b=5 m，t=2.5 s，可以計(jì)算當(dāng)v=143.8 km/h時(shí)，x=0 m，y=5 m，d=5 m，此時(shí)車輛與藍(lán)牙路標(biāo)間距離最短。同時(shí)可以得出如下結(jié)論：當(dāng)車速范圍為120～170 km/s，直接修正的定位誤差<20 m。

2.3 藍(lán)牙路標(biāo)的修正補(bǔ)償算法

車輛行駛中可能沿著道路的內(nèi)側(cè)（快車道）或外側(cè)（慢車道）行駛，公式（2）中，b的取值難以確定。而通訊建立時(shí)間t的選取也有一定誤差[9]。因此b、t的取值會(huì)給B點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算帶來定位誤差。下面討論速度v、藍(lán)牙通訊時(shí)間t、以及道路寬度b的變化對(duì)修正結(jié)果的影響。

（1）通訊建立時(shí)間對(duì)藍(lán)牙路標(biāo)定位誤差的影響：從公式（2）可以看出，通訊建立時(shí)間僅對(duì)x方向位置誤差有影響，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，藍(lán)牙通訊的建立時(shí)間t取值范圍為2～3 s。因此可以得到定位誤差的最大值、最小值以及定位誤差的取值范圍。

（5）

式（5）表明：在藍(lán)牙通訊建立時(shí)間t不定（路寬b已知）的情況下，x方向的距離誤差與車速有關(guān)，x方向上的距離誤差范圍隨著車速v的增加而增加；x方向的距離誤差為常值。

（2）道路寬度對(duì)藍(lán)牙路標(biāo)定位誤差的影響：道路寬度取值范圍為0～a。從式（2）可以得出定位誤差的最大值、最小值以及定位誤差的取值范圍：

（6）

從式（6）可以得出：隨著道路寬度a值的增加，x方向上的定位誤差范圍增大，y方向上的定位誤差范圍不變。

（3）道路寬度及通訊時(shí)間對(duì)藍(lán)牙路標(biāo)定位的綜合影響：而當(dāng)車輛沿道路內(nèi)側(cè)外側(cè)行駛時(shí)，b取值為0～a；通訊時(shí)間t=2～3 s，則B點(diǎn)的最大、最小坐標(biāo)為：

（7）

取藍(lán)牙通訊建立時(shí)間t為2.5 s，b取為道路寬度a的一半。則B點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）為

（8）

由公式位置修正模型（8）修正車輛位置，x、y方向的修正誤差為：

（9）

（4）模型修正數(shù)據(jù)分析。假設(shè)藍(lán)牙模塊作用范圍R=100 m，道路寬10 m。對(duì)于以速度50 km/h行駛的車輛，由式（9）可得修正誤差為：7.3 m， m；對(duì)于以速度120 km/h行駛的車輛，修正誤差為：17 m， m。公式（8）表明：x方向誤差與車輛行駛速度有關(guān)，y方向誤差與道路寬度相關(guān)。如果要求10 m的定位精度，則要求車輛速度小于70 km/h。

直接用藍(lán)牙路標(biāo)位置修正車輛位置：當(dāng)車輛以速度50 km/h行駛， m， m；當(dāng)車輛以速度120 km/h行駛， m m。顯然，車速為120km/h的時(shí)候，直接修正精度較高。

針對(duì)上述討論情況，得出結(jié)論：

1）當(dāng)車速小于120 km/s，采用公式（8）進(jìn)行修正；

2）當(dāng)車速大于120 km/s且小于170 km/s時(shí)，采用藍(lán)牙路標(biāo)的位置直接代替車輛位置。

通過以上方法的修正，系統(tǒng)定位精度可以達(dá)到10 m（車輛速度小于70 km/h）或者20 m（車輛速度大于70 km/h，且小于170 km/h）以內(nèi)。

2.4 位置修正中特殊情況分析

上述的藍(lán)牙路標(biāo)修正算法中，僅考慮了一般的情況，并沒有對(duì)一些特殊情況進(jìn)行分析。下面就其中幾種特殊情況進(jìn)行分析。

（1）車速上限分析。從上文中，我們知道藍(lán)牙通訊有一定的建立時(shí)間，為2～3 s，如果車速過快，在沒有連接上的情況下，車輛就離開藍(lán)牙通信范圍。對(duì)公式（3），取R=100 m，b=10 m，t=3 s，可以得到車速上限v=240 km/s。

（2）車速較低情況考慮。車速較慢時(shí)，藍(lán)牙路標(biāo)有可能與車輛建立不止一次的通訊連接。如果進(jìn)行二次藍(lán)牙位置修正，則需要建立更加復(fù)雜的模型，以進(jìn)一步提高藍(lán)牙路標(biāo)位置修正精度[10]。

3 結(jié)語

該文首先研究了車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理與算法，針對(duì)GPS全球定位系統(tǒng)和DR航位推算系統(tǒng)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)車輛導(dǎo)航的不足，引入藍(lán)牙路標(biāo)信息，提出BB輔助GPS/DR組合定位方案。接著，文中重點(diǎn)針對(duì)藍(lán)牙路標(biāo)位置修正算法進(jìn)行了研究，建立了道路寬度、車輛速度、藍(lán)牙路標(biāo)通信建立時(shí)間與定位誤差間的關(guān)系模型；并使用模型修正車輛的位置，對(duì)影響定位誤差的3種因素（道路寬度因素、車輛速度因素、藍(lán)牙路標(biāo)通信建立時(shí)間因素）進(jìn)行理論與數(shù)據(jù)分析。

該文研究結(jié)果表明：當(dāng)車速<70 km/h，位置修正精度可以達(dá)到10 m；當(dāng)車速>70 km/h，且<170 km/h，位置修正精度可以達(dá)20 m以內(nèi)。

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