車載無線系統(tǒng)定位系統(tǒng)設(shè)計

季淦 肖廣兵 張涌

摘 要：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示周圍鄰居車輛運行狀態(tài)，包含車速、方向、預(yù)警信息等，以提高車輛對周圍道路交通環(huán)境綜合感知能力，降低道路交通安全風險。系統(tǒng)主要包括支持自組織時分復(fù)用（STDMA）通信的車載無線傳感模塊、虛擬雷達儀表顯示、樹莓派核心處理單元以及相應(yīng)的板載通信電路。車輛通過與智能基站進行周圍性消息廣播，對自身地理位置信息及周圍其它車輛的地理位置信息進行精準估計。在對協(xié)同定位系統(tǒng)進行硬件電路設(shè)計的同時，還利用Visual Basic對系統(tǒng)軟件的工作界面進行設(shè)計，能夠直觀顯示周圍鄰居車輛的運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)對車輛在全球定位系統(tǒng)（GPS）信號弱或無GPS信號下的精準協(xié)同定位和顯示。系統(tǒng)具有較好的實時性和精準度，能夠為當前智能車輛以及未來無人駕駛的高精度定位服務(wù)要求提供保障。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò);車載定位;無人駕駛;GPS

DOI：10. 11907/rjdk. 201208

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0165-04

Abstract： In this paper， a cooperative positioning system based on wireless sensor network is designed， which can display the related operation status of surrounding vehicles in real time， including speed， direction， early warning information， etc.， in order to improve the ability of comprehensive perception of surrounding road traffic environment and reduce the risk of road traffic safety. The system mainly includes vehicle wireless sensor module， virtual radar instrument display， Raspberry core processing unit and corresponding on-board communication circuit which supports self-organized time division media access （STDMA） communication. Vehicles broadcast the surrounding information with intelligent base station to accurately estimate their own geographic location information and the geographic location information of other vehicles around. In addition， while designing the hardware circuit of the system， the working interface of the system software is also designed by using visual basic， which can display the running state information of the neighboring vehicles intuitively， and realize the precise cooperative positioning and display of the vehicles in the global positioning system （GPS） signal weak or without GPS signal. The system has better real-time and accuracy， and can provide guarantee for the current intelligent vehicles and the future unmanned high-precision positioning service requirements.

Key Words：wireless sensor network;vehiclelocation;driverless;GPS

0 引言

精準的地理定位作為陸地導(dǎo)航的核心，是實現(xiàn)未來無人駕駛的重要環(huán)節(jié)。在典型的交通環(huán)境中，如隧道、城市峽谷、地下停車場等，車輛僅僅依靠全球定位系統(tǒng)GPS[1]無法獲得精準、實時的地理定位。有效保障車輛在GPS信號弱甚至無GPS信號下的實時精準定位成為實現(xiàn)未來無人駕駛的前提。

國內(nèi)外關(guān)于車載定位系統(tǒng)的研究主要分為以下幾類：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）[2]、慣性導(dǎo)航定位、無線定位以及組合定位等。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包含了目前全球多個不同國家所研發(fā)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如美國的GPS、俄羅斯的GIONASS、中國的北斗定位系統(tǒng)[3-4]等，然而該類型的定位都存在衛(wèi)星信號容易被遮擋、定位精度低的問題。獨立定位也叫自主定位，它不使用通信設(shè)備，獨立自主。慣性導(dǎo)航定位（Dead Reckoning，DR）[5]是一種當前主流的車輛自主定位技術(shù)，其依靠慣性傳感器獲取車輛位移和導(dǎo)航信息，然而航跡推算技術(shù)對設(shè)備精度要求非常高，造價昂貴，并且存在誤差累積的缺點。無線電定位[6]是當下實現(xiàn)高精度定位的另一種方法，它通過直接或間接測定無線電信號在已知位置的固定點與移動物體之間的傳播時間、相位差、振幅或頻率變化，確定距離、距離差、方位等參數(shù)。如WiFi[7]定位技術(shù)、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）[8]、RFID[9]等。然而，現(xiàn)存方法都存在因多徑干擾、非視距傳播等因素影響，而導(dǎo)致定位不準的問題。

本文設(shè)計的車載協(xié)同定位系統(tǒng)是基于無線電定位技術(shù)，其以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為通訊平臺，通過基站與行駛的車輛間進行信息（本地時間、地理位置估值、車輛行駛車速等）交換，結(jié)合相關(guān)算法調(diào)整實現(xiàn)智能基站與車輛同步。智能基站有著精準的時間以及對車輛的精確地理定位，通過算法逐漸消除智能基站與車輛間因非對稱延遲產(chǎn)生的地理位置偏差，從而實現(xiàn)車輛高精度定位。該系統(tǒng)成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單，在定位中僅需在車輛通信范圍內(nèi)的單個智能基站即可實現(xiàn)，具有較低功耗，解決了車輛因GPS信號弱或無GPS信號下無法實時精準定位的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計工作原理

車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)主要由支持自組織時分復(fù)用通信的車載無線傳感模塊、虛擬雷達儀表顯示、樹莓派核心處理單元以及相應(yīng)的板載通信電路等組成，通過無線傳感模塊實現(xiàn)車輛與基站之間的信息交互，再結(jié)合相關(guān)算法對車輛估計地理位置進行同步調(diào)整，最終將同步狀態(tài)顯示在終端。

當協(xié)同定位系統(tǒng)啟動時，處理單元讀取智能基站中緩存的信息，主要包含車輛實時車速、車輛本地時鐘、車輛估計地理定位、基站對車輛的地理定位、實時精準時間等，將獲得的信息進行相關(guān)處理后發(fā)送至顯示終端，通過觀察車輛與基站同步狀況判斷車輛估計定位的精準性。系統(tǒng)完整拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文使用樹莓派作為車載協(xié)同定位系統(tǒng)中實現(xiàn)控制和通訊功能的核心單元，獲取行駛車輛相關(guān)信息，并進行處理和傳遞，實現(xiàn)智能基站與車輛數(shù)據(jù)同步及車輛高精度定位。

樹莓派是一款基于ARM芯片的智能處理器，其具有體積小、開發(fā)成本低、系統(tǒng)性能強等特點。新一代樹莓派4B搭載1.5GHz的64位四核處理器和統(tǒng)一的Linux開源操作系統(tǒng)、全吞吐量千兆以太網(wǎng)、支持Bluetooth 5.0和BLE、雙micro HDMI輸出、支持4K分辨率、存儲系統(tǒng)增加了雙倍數(shù)據(jù)速率支持、支持C、C++、Python等語言編程。與常見的嵌入式微控制器相比，樹莓派不僅可利用GPIO引腳對外部信號進行輸入讀取和輸出控制，還能通過ARM核運行小型操作系統(tǒng)，適用于部分較為復(fù)雜、需要對任務(wù)進行管理調(diào)度的應(yīng)用場合。

樹莓派正常工作電壓為5V，其內(nèi)部供電電路如圖2所示，左側(cè)部分的硬件電路為供電輸入端（Mico USB接口），外部輸入的直流電壓通過該端口為硬件系統(tǒng)供電;MF-MSMF250/X是一個自恢復(fù)保險絲，用于對后續(xù)硬件電路進行過流保護。MF-MSMF250/X的最大耐壓值為16V，持續(xù)工作電流的典型值為2.5A，可容忍的峰值電流為5A，滿足小型控制系統(tǒng)的基本保護要求。此外，BCM857BS為NXP型的三極管，D5為瞬態(tài)抑制二極管SMJ5.0A，實現(xiàn)對輸出5V直流進行穩(wěn)壓濾波。

在控制方面，樹莓派4B的主控制器采用博通BCM2711的1.5GHz四核處理器，電路圖如圖3所示，采用ARM Cortex A72架構(gòu)、28nm工藝、500MHzGPU和LPDDR4內(nèi)存，擁有1GB、2GB和4GB 3個版本，性能相較樹莓派3B+提升近50%。在通訊方面，樹莓派采用USB串口通信和GPIO引腳通信兩種方式實現(xiàn)，提供2個Micro HDMI 2.0接口（4K 60FPS）和40針GPIO引腳，通過在樹莓派上進行程序設(shè)計，運用相關(guān)技術(shù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出，其中引腳電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)在車輛和基站處都安裝有處理單元，然而兩者的功能卻有差別，因此需要分別對其進行編程。

車輛端的處理器負責將車輛信息與基站信息糅合進行同步計算，隨著同步算法的進行，車輛端會實時修改車輛本地時間及估計地理位置;基站端的處理單元主要負責將接收到的信息以圖表形式加以顯示處理，最終輸出到顯示終端，方便查看車輛地理定位同步狀態(tài)。具體系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)軟件采用Visual Basic 6.0軟件開發(fā)設(shè)計，利用VB軟件中的窗口控件實現(xiàn)界面主體搭建。在顯示終端可以直觀查看車輛定位同步狀態(tài)、車輛地理定位、車速等信息。

考慮到由于交通環(huán)境的多樣性而產(chǎn)生干擾以及車輛運動中非對稱信息傳輸產(chǎn)生的時間延遲，在軟件實現(xiàn)同步過程中，與車輛的通信要保持20以上，考慮到采樣周期為100ms，即軟件需要運行至少2s，才可實現(xiàn)車輛估值定位同步。通過基站端的處理器將車輛同步狀態(tài)曲線繪制到顯示終端上。

4 軟件界面

圖6顯示了車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)軟件的主界面，通過主界面用戶不僅可以看到車輛同步狀態(tài)，還可以看到車輛實時估值地理定位等。

單擊“單車界面”按鍵可進入車輛的估值定位界面。由于軟件接入了百度OPI，車輛實時定位將通過百度地圖顯示出來，如圖7所示（彩圖掃OSID碼可見）。

此外，通過“精度分析”對車輛定位同步狀態(tài)進行分析，最終通過曲線顯示在坐標系中，如圖8所示。

5 結(jié)語

本文結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)和道路交通技術(shù)，設(shè)計了車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)軟件，創(chuàng)新地將無線通信網(wǎng)絡(luò)與道路交通相結(jié)合，對車輛地理定位進行修正，解決了車輛定位不準的問題，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計均滿足車輛在道路上行駛時的低功耗、高實時性要求。車載虛擬雷達協(xié)同定位系統(tǒng)軟件將無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，解決了車輛因GPS信號差而定位不準的問題。該設(shè)計方案成本低、服務(wù)設(shè)施靈活，滿足遠程數(shù)據(jù)通信要求，具有廣闊應(yīng)用場景。

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（責任編輯：孫 娟）