車載無線系統(tǒng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dá)協(xié)同定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示周圍鄰居車輛運(yùn)行狀態(tài)，包含車速、方向、預(yù)警信息等，以提高車輛對(duì)周圍道路交通環(huán)境綜合感知能力，降低道路交通安全風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)主要包括支持自組織時(shí)分復(fù)用（STDMA）通信的車載無線傳感模塊、虛擬雷達(dá)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(jìn)行周圍性消息廣播，對(duì)自身地理位置信息及周圍其它車輛的地理位置信息進(jìn)行精準(zhǔn)估計(jì)。在對(duì)協(xié)同定位系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的同時(shí)，還利用Visual Basic對(duì)系統(tǒng)軟件的工作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠直觀顯示周圍鄰居車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛在全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)弱或無GPS信號(hào)下的精準(zhǔn)協(xié)同定位和顯示。系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度，能夠?yàn)楫?dāng)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(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǔn)的地理定位作為陸地導(dǎo)航的核心，是實(shí)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(chǎng)等，車輛僅僅依靠全球定位系統(tǒng)GPS[1]無法獲得精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的地理定位。有效保障車輛在GPS信號(hào)弱甚至無GPS信號(hào)下的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位成為實(shí)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(gè)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(hào)容易被遮擋、定位精度低的問題。獨(dú)立定位也叫自主定位，它不使用通信設(shè)備，獨(dú)立自主。慣性導(dǎo)航定位（Dead Reckoning，DR）[5]是一種當(dāng)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(duì)設(shè)備精度要求非常高，造價(jià)昂貴，并且存在誤差累積的缺點(diǎn)。無線電定位[6]是當(dāng)下實(shí)現(xiàn)高精度定位的另一種方法，它通過直接或間接測(cè)定無線電信號(hào)在已知位置的固定點(diǎn)與移動(dòng)物體之間的傳播時(shí)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(zhǔn)的問題。

本文設(shè)計(jì)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(tái)，通過基站與行駛的車輛間進(jìn)行信息（本地時(shí)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(shí)現(xiàn)智能基站與車輛同步。智能基站有著精準(zhǔn)的時(shí)間以及對(duì)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(duì)稱延遲產(chǎn)生的地理位置偏差，從而實(shí)現(xiàn)車輛高精度定位。該系統(tǒng)成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在定位中僅需在車輛通信范圍內(nèi)的單個(gè)智能基站即可實(shí)現(xiàn)，具有較低功耗，解決了車輛因GPS信號(hào)弱或無GPS信號(hào)下無法實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理

車載虛擬雷達(dá)協(xié)同定位系統(tǒng)主要由支持自組織時(shí)分復(fù)用通信的車載無線傳感模塊、虛擬雷達(dá)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(shí)現(xiàn)車輛與基站之間的信息交互，再結(jié)合相關(guān)算法對(duì)車輛估計(jì)地理位置進(jìn)行同步調(diào)整，最終將同步狀態(tài)顯示在終端。

當(dāng)協(xié)同定位系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，處理單元讀取智能基站中緩存的信息，主要包含車輛實(shí)時(shí)車速、車輛本地時(shí)鐘、車輛估計(jì)地理定位、基站對(duì)車輛的地理定位、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)時(shí)間等，將獲得的信息進(jìn)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(jì)定位的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文使用樹莓派作為車載協(xié)同定位系統(tǒng)中實(shí)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(jìn)行處理和傳遞，實(shí)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(qiáng)等特點(diǎn)。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(chǔ)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(duì)外部信號(hào)進(jìn)行輸入讀取和輸出控制，還能通過ARM核運(yùn)行小型操作系統(tǒng)，適用于部分較為復(fù)雜、需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行管理調(diào)度的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，用于對(duì)后續(xù)硬件電路進(jìn)行過流保護(hù)。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(hù)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸出5V直流進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)，提供2個(gè)Micro HDMI 2.0接口（4K 60FPS）和40針GPIO引腳，通過在樹莓派上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)即可實(shí)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(jì)

車載虛擬雷達(dá)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(duì)其進(jìn)行編程。

車輛端的處理器負(fù)責(zé)將車輛信息與基站信息糅合進(jìn)行同步計(jì)算，隨著同步算法的進(jìn)行，車輛端會(huì)實(shí)時(shí)修改車輛本地時(shí)間及估計(jì)地理位置;基站端的處理單元主要負(fù)責(zé)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(dá)協(xié)同定位系統(tǒng)軟件采用Visual Basic 6.0軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，利用VB軟件中的窗口控件實(shí)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(yùn)動(dòng)中非對(duì)稱信息傳輸產(chǎn)生的時(shí)間延遲，在軟件實(shí)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(yùn)行至少2s，才可實(shí)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(dá)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(shí)時(shí)估值地理定位等。

單擊“單車界面”按鍵可進(jìn)入車輛的估值定位界面。由于軟件接入了百度OPI，車輛實(shí)時(shí)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(duì)車輛定位同步狀態(tài)進(jìn)行分析，最終通過曲線顯示在坐標(biāo)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(jì)了車載虛擬雷達(dá)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(duì)車輛地理定位進(jìn)行修正，解決了車輛定位不準(zhǔn)的問題，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)均滿足車輛在道路上行駛時(shí)的低功耗、高實(shí)時(shí)性要求。車載虛擬雷達(dá)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(hào)差而定位不準(zhǔn)的問題。該設(shè)計(jì)方案成本低、服務(wù)設(shè)施靈活，滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信要求，具有廣闊應(yīng)用場(chǎng)景。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）