基于GNSS/INS組合定位的自動(dòng)公交報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建軍，高志剛，劉風(fēng)磊

（廣州通達(dá)汽車電氣股份有限公司， 廣州 510700）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)程度越來(lái)越高，公共交通成為市民出行的主要方式。經(jīng)過幾十年的城鎮(zhèn)化建設(shè)，公交車系統(tǒng)成為各大城市最主要的公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)?？焖偻晟乒卉囅到y(tǒng)，提升公交設(shè)備的智能化水平，對(duì)加快城鎮(zhèn)化建設(shè)具有非常重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，城市公共交通工具的智能化程度也逐步提高，目前國(guó)內(nèi)主要城市的公交系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用各種功能的公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，為市民提供人性化服務(wù)。目前使用的公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)大多采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)獲取車輛的實(shí)時(shí)位置，能夠全天候提供高精度的定位數(shù)據(jù)，但因衛(wèi)星射頻信號(hào)較弱，導(dǎo)致全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)環(huán)境非常敏感，在高樓、林蔭、城市立交橋和高架橋等遮擋環(huán)境下，提供的位置數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)無(wú)法滿足自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的精準(zhǔn)需求[1]。

相較而言，慣性定位系統(tǒng)不受環(huán)境的影響，能穩(wěn)定提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，但其定位數(shù)據(jù)經(jīng)過積分計(jì)算得出，定位誤差會(huì)隨時(shí)間累積，長(zhǎng)期精度差[2]。如果將衛(wèi)星定位和慣性定位結(jié)合運(yùn)用于定位系統(tǒng)中，這種組合定位系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)相互的缺陷。衛(wèi)星定位能夠有效地控制慣性定位的誤差累積漂移，慣性定位能夠填補(bǔ)兩次衛(wèi)星定位位置之間的動(dòng)態(tài)信息，且在衛(wèi)星定位不可用時(shí)，仍然能夠短時(shí)間內(nèi)提供高精度定位數(shù)據(jù)[3]。

因此，設(shè)計(jì)一種基于衛(wèi)星定位和慣性定位相結(jié)合的自動(dòng)公交報(bào)站系統(tǒng)，結(jié)合衛(wèi)星定位和慣性定位的優(yōu)點(diǎn)，可以解決衛(wèi)星定位在復(fù)雜環(huán)境下定位不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確的缺陷，提高公交報(bào)站系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

1 GNSS/INS組合定位算法

GNSS/INS組合定位具有良好的性能優(yōu)勢(shì)，可以充分地發(fā)揮子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高度互補(bǔ)，其定位精度、抗干擾能力、可靠性等定位能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于獨(dú)立GNSS子系統(tǒng)或INS子系統(tǒng)。組合定位按照工作原理、組合結(jié)構(gòu)、組合深度的不同，有不同的組合方式，如松耦合方式、緊耦合方式、深耦合方式[4]，本文采用松耦合的組合方式。GNSS/INS組合定位算法結(jié)構(gòu)如圖1 所示[5-6]。GNSS 子系統(tǒng)和INS 子系統(tǒng)獨(dú)立工作，分別解析INS子系統(tǒng)和GNSS子系統(tǒng)的速度、位置、姿態(tài)信息，解析出位置、速度、姿態(tài)信息送到擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波結(jié)果修正INS 子系統(tǒng)的積分累計(jì)誤差，提高INS子系統(tǒng)的精度。

圖1 GNSS/INS組合定位算法結(jié)構(gòu)

1.1 捷聯(lián)慣性定位系統(tǒng)工作原理

捷聯(lián)慣性定位系統(tǒng)由慣性測(cè)量單元和慣性參數(shù)解算單元組成。慣性測(cè)量單元包括三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，提供三維空間運(yùn)動(dòng)的角速度和加速度；慣性參數(shù)解算單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)慣性定位方程的解算，算法原理如圖2所示[7]。核心原理為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和積分運(yùn)算，三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)測(cè)量出運(yùn)動(dòng)物體在慣性坐標(biāo)系的角速度和加速度，通過捷聯(lián)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)系的角速度和加速度，經(jīng)過積分運(yùn)算得出運(yùn)動(dòng)物體在地理坐標(biāo)系的速度、位置和姿態(tài)。

圖2 捷聯(lián)慣性定位系統(tǒng)算法原理

1.2 濾波算法

GNSS 和INS 組合定位的關(guān)鍵點(diǎn)是如何將兩個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，卡爾曼濾波是最常用的數(shù)據(jù)融合算法之一，通過融合不同種類的觀測(cè)值，從而獲得更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)。大多數(shù)定位系統(tǒng)模型都是非線性的，為了降低非線性化帶來(lái)的誤差，本文采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，擴(kuò)展卡爾曼濾波基本方程如下式所示[8-9]：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示，由系統(tǒng)電源電路、CPU最小系統(tǒng)、4G通信模塊、音頻模塊和串口模塊等組成。

圖3 系統(tǒng)的硬件

2.1 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路采用二級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路，第一級(jí)采用MP9457 將24 V 電源轉(zhuǎn)換5 V，第二級(jí)電源電路采用MP2235、TPS51100、MP65151 等多個(gè)電源芯片，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的3.8 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V、1.0 V 等。系統(tǒng)電源電路還增加共模電感濾波電路、車載TVS 保護(hù)電路，使得該系統(tǒng)可以通過車載EMC標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 CPU最小系統(tǒng)

CPU 最小系統(tǒng)由復(fù)位監(jiān)控電路、時(shí)鐘單元電路、CPU 芯片、DDR2 芯片、FLASH 芯片等組成。CPU 芯片采用ATMEL公司的SAMA5D31，是一款性價(jià)比高、功耗低、高度集成的COTEX-A5架構(gòu)處理器[10]，處理器運(yùn)行工作頻率533 MHz。復(fù)位監(jiān)控電路采用TPS3823，該芯片具有電壓復(fù)位和硬件看門狗復(fù)位，保證CPU 正常上電復(fù)位和異常掛機(jī)的看門狗復(fù)位。DDR2芯片采用2 Gbit的MT47H64M16，為CPU程序高速運(yùn)行提供外部?jī)?nèi)存。FLASH 采用1 Gbit 的MX30LF1GE8AB，提供系統(tǒng)程序和應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

2.3 組合定位模塊

組合定位模塊包括衛(wèi)星定位子系統(tǒng)和慣性定位子系統(tǒng)。衛(wèi)星定位子系統(tǒng)采用支持GPS 和北斗雙模定位的ATGM332D-5N 模塊，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，定位精度最高達(dá)到2.5 m，可配置為1 Hz、5 Hz、10 Hz的數(shù)據(jù)輸出頻率。慣性定位子系統(tǒng)采用BOSCH 的BMI160 芯片，是一個(gè)高度集成的低功耗慣性測(cè)量單元（IMU），提供精確的加速度和角速率（陀螺）測(cè)量[11]。

2.4 音頻模塊

音頻模塊由音頻解碼電路和功率放大電路組成。音頻解碼電路采用TI 的TLV320AIC31，負(fù)責(zé)對(duì)CPU 送來(lái)的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行解碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)。功率放大電路采用MPS 的MP7748 芯片，D 類功放芯片，減少電路面積，提供2路30 W的音頻功率放大能力，直接驅(qū)動(dòng)喇叭。

2.5 人機(jī)交換模塊

人機(jī)交換模塊由TFT 液晶顯示屏、按鍵電路和射頻刷卡模塊組成。TFT 液晶顯示屏采用天馬TM101JDHP01，10.1 寸真彩色顯示屏，屏幕分辨率1280×800，帶電容觸摸。按鍵采用矩陣式鍵盤，行列掃描式排布，18個(gè)按鍵。

2.6 4G通信模塊

無(wú)線通信模塊采用美格SLM790，通過USB2.0接口與CPU系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證4G通信的高速率。通信模塊電源可以單獨(dú)控制，在通信異常情況時(shí)，軟件可以對(duì)模塊重新上電，提高無(wú)線通信的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能報(bào)站系統(tǒng)將Linux3.10 操作系統(tǒng)移植到SAMA5D31 處理器，應(yīng)用程序由組合定位解算程序、自動(dòng)報(bào)站處理程序、4G通信程序、人機(jī)交互程序、設(shè)備運(yùn)維程序等組成。由于組合定位解算程序、自動(dòng)報(bào)站處理程序是智能報(bào)站系統(tǒng)的核心模塊，下面主要介紹它們的原理。

3.1 GNSS/INS組合定位解算程序

GNSS/INS組合定位解算程序按照?qǐng)D1 的GNSS/INS組合定位算法、圖2 的捷聯(lián)慣性定位系統(tǒng)算法和式（1）的擴(kuò)展卡爾曼濾波基本方程為核心算法原理。GNSS/INS 組合定位程序流程如圖4 所示，分為全球衛(wèi)星定位程序處理模塊、慣性定位程序處理模塊、全球衛(wèi)星定位和慣性定位融合處理程序模塊。

圖4 GNSS/INS組合定位程序流程

全球衛(wèi)星定位程序處理模塊，首先對(duì)全球衛(wèi)星定位模塊ATGM332D-5N 初始化，設(shè)定其串口輸出頻率為10 Hz，提高數(shù)據(jù)輸出頻率。讀取完成一包數(shù)據(jù)，按照NMEA0183 的協(xié)議格式解析得到位置、速度、方向角、信號(hào)質(zhì)量等數(shù)據(jù)，經(jīng)過中值濾波算法去掉衛(wèi)星定位異常的數(shù)據(jù)后給擴(kuò)展卡爾曼濾波算法處理模塊。

慣性定位程序處理模塊，對(duì)BMI160 慣性測(cè)量芯片初始化，設(shè)定捷聯(lián)矩陣的計(jì)算初值。按照100 ms 周期，從慣性測(cè)量芯片讀取運(yùn)載體的三軸加速度和三軸角速度，進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波算法處理，得到運(yùn)載體在慣性坐標(biāo)系的x、y、z方向加速度和角速度。根據(jù)哈密頓提出的四元數(shù)法對(duì)捷聯(lián)矩陣更新，運(yùn)載體在慣性坐標(biāo)系的x、y、z方向加速度和角速度經(jīng)過更新的捷聯(lián)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系變換，得到地理坐標(biāo)系的x、y、z方向加速度和角速度，經(jīng)過系列積分運(yùn)算得到地理坐標(biāo)系的位置、速度，送給擴(kuò)展卡爾曼濾波算法處理模塊。

擴(kuò)展卡爾曼濾波算法處理模塊按照式（1）計(jì)算，得到全球衛(wèi)星定位和慣性定位數(shù)據(jù)融合后的位置、速度和姿態(tài)，給自動(dòng)報(bào)站處理程序使用；同時(shí)根據(jù)融合后的位置、速度計(jì)算出運(yùn)載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的分量，此計(jì)算得到的值再經(jīng)過方向余弦逆矩陣對(duì)捷聯(lián)矩陣更新進(jìn)行修正。

3.2 自動(dòng)報(bào)站處理程序

自動(dòng)報(bào)站處理程序的流程如圖5 所示，首先確定車輛行駛方向，然后計(jì)算車輛當(dāng)前位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)與后續(xù)站點(diǎn)的距離和方向角，當(dāng)距離小于進(jìn)站半徑且方向角滿足要求時(shí)，進(jìn)行進(jìn)站語(yǔ)音和文字播報(bào)。滿足進(jìn)站條件的基礎(chǔ)上，判斷車輛當(dāng)前位置與當(dāng)前站點(diǎn)距離，當(dāng)距離大于線路文件設(shè)定的出站半徑時(shí)，進(jìn)行出站的語(yǔ)音和文字播報(bào)。

圖5 自動(dòng)報(bào)站處理程序流程

自動(dòng)報(bào)站處理程序的核心邏輯是判定車輛的行駛方向，報(bào)站方向判定流程如圖6所示，報(bào)站方向判定程序循環(huán)判斷車輛行駛方向[12]。假設(shè)公交車啟動(dòng)時(shí)是不知道方向的，及時(shí)判定出行駛方向是至關(guān)重要的。當(dāng)車輛處于首站或末站時(shí)，可通過當(dāng)前位置與首站或末站的距離直接確定方向。而當(dāng)公交車突然轉(zhuǎn)彎或設(shè)備中間重啟時(shí)，只采用在站點(diǎn)半徑范圍內(nèi)進(jìn)行判定容易引起誤判或漏判，因?yàn)樵诓恢儡囕v運(yùn)行方向的情況下，當(dāng)前獲取經(jīng)緯度坐標(biāo)和站點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)的距離滿足進(jìn)站范圍內(nèi)的站點(diǎn)可能不止一個(gè)，其中一個(gè)是真正的坐標(biāo)點(diǎn)，可能還會(huì)是對(duì)面的站點(diǎn)或者是漂移點(diǎn)。循環(huán)判斷車輛方向的算法是，根據(jù)當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)和站點(diǎn)坐標(biāo)之間距離作為判斷依據(jù)，當(dāng)同一方向有超過2個(gè)站點(diǎn)符合要求，即可確定車輛行駛方向。

圖6 報(bào)站方向判定流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種GNSS/INS 組合定位的自動(dòng)公交報(bào)站系統(tǒng)，硬件平臺(tái)采用COTREX-A5 架構(gòu)的高性能處理、GPS/BD 衛(wèi)星定位模塊和6 軸MEMS 慣性傳感器，軟件平臺(tái)采用Linux3.10操作系統(tǒng)。利用慣性定位解算方程對(duì)6軸MEMS傳感器獲取的角速度和加速度進(jìn)行計(jì)算，獲得車輛慣性定位系統(tǒng)的速度、位置和姿態(tài)；同時(shí)獲取GPS/BD衛(wèi)星定位模塊的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的速度、位置和方向角；最后用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)慣性定位系統(tǒng)的速度、位置和姿態(tài)，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的速度、位置和方向角進(jìn)行融合計(jì)算得到組合定位的速度、位置和姿態(tài)。該自動(dòng)公交報(bào)站系統(tǒng)已經(jīng)批量應(yīng)用于南寧公交、茂名公交、珠海公交等多家公交公司，實(shí)際應(yīng)用中很好地解決了高樓、林蔭、城市立交橋和高架橋等遮擋環(huán)境下公交報(bào)站不準(zhǔn)的問題，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。