基于GPS和慣性導(dǎo)航的主動(dòng)安全試驗(yàn)裝置

楊新鵬，肖廣宇，張 帥，蔣熊力忍，劉漢渝

基于GPS和慣性導(dǎo)航的主動(dòng)安全試驗(yàn)裝置

楊新鵬，肖廣宇，張 帥，蔣熊力忍，劉漢渝

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

為滿(mǎn)足汽車(chē)主動(dòng)安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）的測(cè)試需求，文章論述了一種基于全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航裝置的主動(dòng)安全試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置主要包括自動(dòng)駕駛機(jī)器人、可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）基站以及上位機(jī)（PC）控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)的軟件可以根據(jù)《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程》（C-NCAP）中的場(chǎng)景需求設(shè)置不同的試驗(yàn)方案，驅(qū)動(dòng)測(cè)試車(chē)輛和可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)按照規(guī)定的路線和速度移動(dòng)，并且測(cè)試車(chē)輛的中駕駛機(jī)器人可以和可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信號(hào)的互聯(lián)互通。該試驗(yàn)裝置可以用于C-NCAP的AEB中的車(chē)輛追尾（CCR）測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，此裝置在汽車(chē)主動(dòng)安全測(cè)試中具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

GPS導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；RTK差分技術(shù)；AEB試驗(yàn)裝置

根據(jù)聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織道路安全全球現(xiàn)狀報(bào)告，每年重特大事故中，交通事故數(shù)和因交通事故死亡人數(shù)分別占到總數(shù)的69%和78.9%[1]，為了降低交通事故造成的危害，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)上的安裝率也越來(lái)越高。數(shù)據(jù)顯示，配備自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛可以大大提升道路安全水平。自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automatic Emergency Brak- ing, AEB）系統(tǒng)是一項(xiàng)利用車(chē)輛上安裝的視覺(jué)系統(tǒng)或者雷達(dá)等傳感器，基于實(shí)時(shí)收集自身及外部車(chē)輛相關(guān)信息，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體檢測(cè)的機(jī)動(dòng)車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)[2]，能夠在車(chē)輛自身主動(dòng)檢測(cè)到前方存在碰撞危險(xiǎn)的時(shí)候，自動(dòng)啟動(dòng)行車(chē)制動(dòng)使車(chē)輛減速剎停，盡可能避免發(fā)生碰撞。

此系統(tǒng)目前受到國(guó)家、地方政府、主機(jī)廠、零部件廠商以及科研院所越來(lái)越多的重視[3]。因此，有必要對(duì)汽車(chē)的AEB性能進(jìn)行試驗(yàn)及評(píng)估。近些年，西方國(guó)家及地區(qū)相繼頒布了針對(duì)車(chē)輛AEB系統(tǒng)的測(cè)試章程或標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)也隨后出臺(tái)了相關(guān)的測(cè)試規(guī)程[4]，由于測(cè)試過(guò)程中車(chē)輛會(huì)進(jìn)行頻繁劇烈的減速和剎車(chē)等運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間及多次數(shù)的試驗(yàn)會(huì)對(duì)駕駛試驗(yàn)員的身體舒適性有很大影響，本文論述了一種基于全球定位系統(tǒng)（Global Positi- oning System, GPS）和慣性導(dǎo)航組合的自動(dòng)AEB試驗(yàn)裝置。

1 導(dǎo)航組合系統(tǒng)

1.1 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)

經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)了多種方式的導(dǎo)航系統(tǒng)，比如GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中最常用的GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控和用戶(hù)設(shè)備組成，理想情況下4顆衛(wèi)星即可完成對(duì)地面目標(biāo)物的定位，其單點(diǎn)定位精度大約在幾十米，其中3顆衛(wèi)星可以根據(jù)計(jì)算得出目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)（），第4顆衛(wèi)星用來(lái)處理這3顆衛(wèi)星之間信息接收時(shí)間的差別。

它能夠?yàn)槭褂谜咛峁┤蛐?、全天候、?shí)時(shí)、連續(xù)被測(cè)物體的三維坐標(biāo)位置、移動(dòng)速度以及時(shí)間信息，不過(guò)GPS的信息更新頻率比較低而且信號(hào)容易受到遮擋和干擾而丟失。GPS的測(cè)量誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，偶然誤差主要包括觀測(cè)誤差及信號(hào)的多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差等；系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘差、軌道誤差、大氣折射誤差以及接收機(jī)鐘差等[3]。在這種誤差量級(jí)下，單獨(dú)靠GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿(mǎn)足主動(dòng)安全試驗(yàn)的車(chē)輛定位需求，在穩(wěn)定性和定位精度上存在很大瓶頸，這就要靠慣性導(dǎo)航輔助進(jìn)行精確定位。

1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System, INS）簡(jiǎn)稱(chēng)慣導(dǎo)，是試驗(yàn)裝置中對(duì)車(chē)輛進(jìn)行精確定位的核心設(shè)備。慣性導(dǎo)航以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量車(chē)輛當(dāng)前的角速度、加速度等姿態(tài)信息[5]，依靠算法對(duì)加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)時(shí)間的積分可以得到車(chē)輛三個(gè)坐標(biāo)方向?qū)崟r(shí)的速度信息，經(jīng)過(guò)再次積分就可以得到被測(cè)物體在三個(gè)坐標(biāo)方向上相應(yīng)的位移信息。同樣，陀螺儀經(jīng)過(guò)計(jì)算得出車(chē)輛的航向角、俯仰角、側(cè)傾角等姿態(tài)信息。慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)其他設(shè)備的外界信息并且數(shù)據(jù)信息更新頻率高，但存在偏差累積和噪音的缺點(diǎn)，系統(tǒng)誤差會(huì)隨著時(shí)間越來(lái)越大，定位誤差與時(shí)間成正相關(guān)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)兩者結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短，運(yùn)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic, RTK）差分算法能達(dá)到比較好的定位效果，從而提高導(dǎo)航系統(tǒng)組合的整體性能。

1.3 RTK差分技術(shù)

RTK差分技術(shù)即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，通過(guò)載波相位觀測(cè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體在空間中的精準(zhǔn)三維定位，其精度可以達(dá)到厘米級(jí)。在RTK參與GPS和慣性導(dǎo)航的組合定位過(guò)程中，RTK基站與RTK移動(dòng)站都由相同的衛(wèi)星獲取實(shí)時(shí)的GPS數(shù)據(jù)信息。同時(shí)基站將接收到的GPS數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站結(jié)合自身的GPS定位數(shù)據(jù)以及慣性導(dǎo)航的測(cè)量信息，進(jìn)行載波相位差分解算，從而消除絕大多數(shù)系統(tǒng)誤差，大幅提高定位精度。移動(dòng)站和基站只要同步保持四顆以上的衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤，即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站厘米級(jí)精度的定位。

慣導(dǎo)RTK差分技術(shù)在AEB測(cè)試裝置中具有兩個(gè)作用：用于對(duì)前后車(chē)運(yùn)動(dòng)的起始和行駛終點(diǎn)位置進(jìn)行精確定位；實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)試車(chē)輛及被測(cè)車(chē)輛精確的加速度、速度和位移信息。

2 系統(tǒng)組成及原理

AEB測(cè)試裝置由自動(dòng)駕駛機(jī)器人、可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)、RTK基站、RTK移動(dòng)站、導(dǎo)航系統(tǒng)組合以及上位機(jī)等硬件組成，如圖1所示。上位機(jī)中的軟件可以對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行選擇，并且可以根據(jù)用戶(hù)需求新建其他的試驗(yàn)場(chǎng)景。RTK基站在試驗(yàn)場(chǎng)應(yīng)放置在空曠的地方，以減少對(duì)接收信號(hào)的影響，RTK移動(dòng)站分別放置在測(cè)試測(cè)量和可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)上。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

在此試驗(yàn)裝置中，自動(dòng)駕駛機(jī)器人將代替真實(shí)駕駛員來(lái)操控測(cè)試車(chē)輛，駕駛機(jī)器人會(huì)按照上位機(jī)中預(yù)先選定的場(chǎng)景中設(shè)置的行駛軌跡運(yùn)行，精準(zhǔn)化控制測(cè)試車(chē)輛的起步、加速及減速制動(dòng)。測(cè)試車(chē)輛中搭載了RTK差分定位模塊、移動(dòng)接收站以及GPS定位模塊，可以實(shí)時(shí)收集測(cè)試車(chē)輛精確的加速度、速度、位置及偏航角等信息?？蓪?dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)同樣也配備了RTK差分定位模塊、移動(dòng)接收站及GPS定位模塊等裝置，RTK差分系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)的精確定位?？蓪?dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)上位機(jī)控制器發(fā)來(lái)的信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)其加減速和勻速行駛以及在設(shè)定的位置制動(dòng)。

RTK差分定位模塊由基站和移動(dòng)站組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。差分系統(tǒng)由對(duì)應(yīng)的板卡、RTK電臺(tái)等組成。

圖2 RTK結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)，試驗(yàn)測(cè)試裝置中的駕駛機(jī)器人與可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)均搭載無(wú)線通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息的實(shí)時(shí)互通。無(wú)線通訊模塊具有兩個(gè)不同頻段的通訊通道。其中RTK基站將接收到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)及信息通過(guò)低頻段的無(wú)線通信通道發(fā)送給自動(dòng)駕駛機(jī)器人和可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)中的RTK移動(dòng)站，然后分別將接收到的GPS信息以及自身的慣性導(dǎo)航測(cè)量的位置數(shù)據(jù)信息進(jìn)行差分解算實(shí)現(xiàn)精確定位?？蓪?dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)可以通過(guò)高頻段通信信道將被測(cè)車(chē)輛的位置、速度信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收到的這些信息計(jì)算出的相應(yīng)轉(zhuǎn)向角、速度等信息發(fā)送給自動(dòng)駕駛機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作指令。同樣，上位機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)高頻段通信信道將測(cè)試車(chē)輛的位置、速度信息以及控制運(yùn)動(dòng)的信號(hào)發(fā)送給可導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)。

GPS和慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)用層面上一般采用國(guó)外進(jìn)口的產(chǎn)品，比如美國(guó)的Trimble公司、法國(guó)的SBG公司的產(chǎn)品等等。本文所述的AEB試驗(yàn)裝置采用OXTS公司的RT3000v3組合導(dǎo)航裝置，其性能指標(biāo)如表1所示。此組合導(dǎo)航系統(tǒng)在RTK差分算法下的定位精度可以達(dá)到0.01 m，速度測(cè)量精度為0.05 km/h。

表1 RT3000v3性能

此導(dǎo)航組合設(shè)備采用RS232串口方式輸出數(shù)據(jù)，使用工控機(jī)、上位機(jī)（Personal Computer, PC）、嵌入式控制器等計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)串口與導(dǎo)航組合設(shè)備連接，讀取導(dǎo)航組合設(shè)備輸出的串口數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)格式協(xié)議進(jìn)行解析，選取所需的數(shù)據(jù)（如經(jīng)緯度、航向角等），通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息（,）。

綜上所述，AEB測(cè)試裝置利用融合了差分定位技術(shù)與慣導(dǎo)定位技術(shù)的組合定位設(shè)備，依據(jù)所計(jì)算出的位置信息建立車(chē)輛高精度軌跡路徑，然后通過(guò)給駕駛機(jī)器人發(fā)送控制指令來(lái)控制汽車(chē)，使車(chē)輛能夠沿著已經(jīng)規(guī)劃好的目標(biāo)路徑正常行駛并完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

3 AEB試驗(yàn)測(cè)試

《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程》（China-New Car Asses- sment Programme, C-NCAP）里面主動(dòng)安全測(cè)試的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)價(jià)方法中的測(cè)試工況包括車(chē)-車(chē)、車(chē)-人和誤作用三大類(lèi)，其中車(chē)-車(chē)工況包含前方靜止車(chē)輛追尾（Car-to-Car Rear Statio- nary, CCRs）、前方勻速行駛車(chē)輛追尾（Car-to-Car Rear Moving, CCRm）；車(chē)-人工況包含車(chē)輛碰撞近端行人（Car-to-Pedestrian Nearside Adult-25, CPNA-25）、車(chē)輛碰撞遠(yuǎn)側(cè)行人（Car-to-Pedestrian Farside Adult-25, CPFA-25）、CPFA-50、車(chē)輛碰撞近側(cè)行人（Car-to-Vulnerable Nearside Adult-75, CVNA-75）等場(chǎng)景，誤作用包含相鄰車(chē)道制動(dòng)試驗(yàn)和鐵板實(shí)驗(yàn)[6]，本文論述的試驗(yàn)裝置在實(shí)際試驗(yàn)中選用車(chē)輛追尾（Car-to-Car Rear, CCR）測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其實(shí)用性，試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 CCR試驗(yàn)場(chǎng)景

在CCRs測(cè)試中，測(cè)試車(chē)輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度向目標(biāo)車(chē)行駛，目標(biāo)車(chē)（Global Vehicle Target, GVT）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中靜止，如圖3所示。

圖3 CCRs試驗(yàn)示意

CCRm測(cè)試中，測(cè)試車(chē)輛分別以30 km/h、 40 km/h、50 km/h的速度向目標(biāo)車(chē)行駛，目標(biāo)車(chē)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中速度為20 km/h，如圖4所示。

圖4 CCRm試驗(yàn)示意

首先，確定一個(gè)CCRm試驗(yàn)的具體場(chǎng)景，使測(cè)試車(chē)處于自動(dòng)駕駛模式，按照規(guī)劃路徑行駛，測(cè)試車(chē)輛以50 km/h的車(chē)速勻速靠近被測(cè)車(chē)輛，被測(cè)車(chē)輛的車(chē)速為20 km/h恒定車(chē)速，且測(cè)試車(chē)輛與被測(cè)車(chē)輛中心線重合并相距一定距離，即偏移量為0%。最后上位機(jī)根據(jù)場(chǎng)景設(shè)置得出兩車(chē)觸發(fā)剎車(chē)的地點(diǎn)后開(kāi)始試驗(yàn)，在測(cè)試車(chē)輛根據(jù)系統(tǒng)算出的軌跡移動(dòng)到距離目標(biāo)車(chē)設(shè)定的距離時(shí)，給目標(biāo)車(chē)發(fā)送信號(hào)使其開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)設(shè)定的終點(diǎn)兩車(chē)停止，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 測(cè)試車(chē)輛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 目標(biāo)車(chē)輛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試車(chē)輛中心線和目標(biāo)車(chē)中心線在自動(dòng)駕駛機(jī)器人和可移動(dòng)平臺(tái)的作用下處于同一條直線上，最大偏移不超過(guò)預(yù)設(shè)中心線±0.1 m，并且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出測(cè)試車(chē)輛和目標(biāo)車(chē)輛的行駛速度和預(yù)設(shè)的速度一致，因此，此搭配GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合的試驗(yàn)裝置，通過(guò)RTK差分技術(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)測(cè)試車(chē)輛和被測(cè)車(chē)輛可以達(dá)到非常高的測(cè)量精度，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于GPS和慣導(dǎo)組合的車(chē)輛AEB試驗(yàn)裝置進(jìn)行了論述，此試驗(yàn)裝置可以根據(jù)C-NCAP的AEB測(cè)試要求對(duì)CCR試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，可以對(duì)被測(cè)車(chē)輛和測(cè)試車(chē)輛進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，證明該導(dǎo)航組合能夠?qū)υ囼?yàn)中的車(chē)輛進(jìn)行有效而精確的定位，能夠滿(mǎn)足AEB實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的需要。

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Active Safety Test Device Based on GPS and Inertial Navigation

YANG Xinpeng, XIAO Guangyu, ZHANG Shuai, JIANG Xiongliren, LIU Hanyu

( CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China )

In order to meet the testing requirements of automatic emergency braking (AEB) in the automobile active safety test standard, this paper discusses an active safety test device based on global positioning system (GPS) and inertial navigation device. The testing device includes automated driving robot, navigation mobile platform,real time kinematic (RTK) base station and personal computer (PC) control system. PC software of the control system can set different test scenarios according to the demand of(C-NCAP). It can drive the test vehicle and navigation mobile platform in accordance with the prescribed route and speed that set in the control system. And it can send and achieve the data and signal between the automated driving robot and the navigation mobile platform. The test device can be used for car-to-car rear (CCR) test of AEB in C-NCAP. According to the test performance, it has practical application value in AEB tests.

GPS navigation; Inertial navigation; RTK differential technology;AEB test device

U463.5

A

1671-7988(2023)03-122-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.023

楊新鵬（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉菢?biāo)設(shè)備研發(fā)，E-mail:yangxinpeng173@163.com。