RTK 在科目二考試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：該研究旨在將RTK應(yīng)用于科目二考試系統(tǒng)，以提升評判的準(zhǔn)確性和公正性。通過集成定位基站、車載硬件和軟件，系統(tǒng)能實時獲取駕駛?cè)说奈恢眯畔⒑蛙囕d信號，并分析評判其駕駛行為。本研究解決了實際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，如數(shù)據(jù)處理、車輛建模和進(jìn)退狀態(tài)判斷，為考試系統(tǒng)的改進(jìn)提供了理論支持和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：RTK；考試；評判

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）17-0127-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

隨著汽車保有量的增加，交通安全問題日益突出，而駕駛?cè)说鸟{駛技能和安全意識是保障道路交通安全的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的駕駛?cè)丝荚囋u判系統(tǒng)采用人工評判的方式，存在不公正的可能。因此，如何利用科技手段提高考試評判的準(zhǔn)確性和公正性，成為亟待解決的問題[1]。

為規(guī)范駕駛?cè)丝荚嚕壳叭珖鞯剀嚬芩径及凑展膊拷还芫值囊?，使用電子化評判的方式，這樣就避免了人為干預(yù)、舞弊行為[7]。

科目二考試系統(tǒng)（以下簡稱“本系統(tǒng)”） 運行于安卓系統(tǒng)，通過串口實時獲取駕駛?cè)私?jīng)、緯、高等RTK數(shù)據(jù)和車載信號，對駕駛行為進(jìn)行全面的分析，為客觀、準(zhǔn)確的考試評判提供了基礎(chǔ)支撐[3]。

科目二考試包括5個小科目，分別為倒車入庫、側(cè)方停車、直角轉(zhuǎn)彎、曲線行駛、坡道定點停車與起步，具體評判項都有位置或操作，位置相關(guān)評判項，如進(jìn)退狀態(tài)、是否出界等，可借助RTK評判；操作相關(guān)的評判項，如是否正確打開轉(zhuǎn)向燈或安全帶等，可借助車載信號評判。

1 RTK 簡介

差分定位是一種提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的技術(shù)，其基本原理是利用一個固定位置的基準(zhǔn)站接收來自衛(wèi)星的信號，并計算出衛(wèi)星信號的誤差。基準(zhǔn)站將這些誤差數(shù)據(jù)通過某種通信方式（如無線電波、移動網(wǎng)絡(luò)等）實時發(fā)送給移動接收器。移動接收器接收到這些誤差數(shù)據(jù)后，會將其應(yīng)用于自己接收到的衛(wèi)星信號，從而糾正自己的定位誤差，實現(xiàn)更高精度的定位。

RTK，又稱實時差分定位，能在幾秒鐘內(nèi)提供厘米級的定位精度，是目前應(yīng)用最廣泛的差分定位技術(shù)。它需要實時數(shù)據(jù)傳輸，通常使用無線電波作為通信手段，這也是本課題采用RTK的原因。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過圖1可以了解到整個車載評判系統(tǒng)的組成部分，整個車載評判系統(tǒng)可分定位基站、車載硬件和車載軟件三大部分。

定位基站固定在駕校場地，其位置信息要寫入每臺車載系統(tǒng)的接收機，接收機會結(jié)合基站位置信息與衛(wèi)星定位信息，輸出高精度定位數(shù)據(jù)。

車載硬件包括了定位天線、無線網(wǎng)絡(luò)天線、北斗定位接收機、車載信號采集器、支持串口通信的安卓智能終端，其中車載信號采集器可以采集到檔位、燈光等車載信號。

2.1 硬件組成

定位接收機接收定位天線的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，經(jīng)加工處理形成厘米級精確度的差分定位數(shù)據(jù)；信號采集器同時接收定位接收機發(fā)來的定位數(shù)據(jù)和車輛傳感器發(fā)來的車載信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過車載采集器的整合，形成一個包含定位數(shù)據(jù)與車載信號的完整數(shù)據(jù)包，本系統(tǒng)通過串口與信號采集器通信，接收實時數(shù)據(jù)。

2.2 軟件功能設(shè)計

此科目二評判系統(tǒng)功能如圖3所示，包括科目二考試和設(shè)置兩個主要功能，在“科目二考試”中將各個項目的評判邏輯與全程評判項目分開，以實現(xiàn)解耦的目的，降低實現(xiàn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜度；在“設(shè)置”可實現(xiàn)對評判項目的基本設(shè)定，如左右轉(zhuǎn)燈光用0和1表示，不同的車型得到信號不一樣，通過這個設(shè)置可解決不修改程序的情況下對各個車型的適配；同時也將對場地項目的標(biāo)定集成到了系統(tǒng)中，進(jìn)一步提高現(xiàn)場調(diào)試的方便性。

本系統(tǒng)運行流程如圖4所示，考試開始之后，系統(tǒng)即利用實時接收到的定位及車載信息數(shù)據(jù)對考生的操作做出評判，評判分為全程評判和單項評判兩類，全程評判針對整個考試過程評判，針對如中途解開安全帶、考試總時間超過規(guī)定時間等項目；單項評判在考試車輛駛?cè)雽?yīng)的考試項目開始區(qū)域則開始評判，駛出結(jié)束區(qū)域則結(jié)束評判。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點：

1） 數(shù)據(jù)處理：原始數(shù)據(jù)包括定位坐標(biāo)及車輛信號，通過串口將其傳輸?shù)皆u判程序，過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失及變化的情況，故要對原始數(shù)據(jù)過濾處理，為下一步項目評判準(zhǔn)備優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。

2） 車輛形狀建模：評判程序接收到的數(shù)據(jù)僅為前、后天線單點數(shù)據(jù)，而評判時用的是車身周圍的點，故需要把將單點坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為車輛周圍32個點坐標(biāo)。

3） 判斷進(jìn)退狀態(tài)：車輛移動時，只是定位坐標(biāo)的變化，故需根據(jù)坐標(biāo)變化計算出進(jìn)退狀態(tài)。

3.1 數(shù)據(jù)處理

評判系統(tǒng)通過串口接收數(shù)據(jù)，在車輛長時間運轉(zhuǎn)及溫度過高或過低的情況下，數(shù)據(jù)傳輸過程中，會造成數(shù)據(jù)的丟失或修改，所以存在收到不準(zhǔn)確、不完整或無效數(shù)據(jù)的可能性，必須要經(jīng)過過濾處理，把上述這些臟數(shù)據(jù)處理掉，以免造成程序不穩(wěn)定或者誤判。

數(shù)據(jù)格式如下：

其中開始符固定為#bds，結(jié)束符固定為＼t＼n，數(shù)據(jù)以“逗號”分隔。

完整的數(shù)據(jù)如下：

#bds，經(jīng)度，緯度，高度，東向，北向，天向，俯仰角，轉(zhuǎn)速，檔位、左轉(zhuǎn)燈、右轉(zhuǎn)燈，剎車，駐車，離合，安全帶/t/n

處理數(shù)據(jù)的方式有以下幾個階段。

第一階段：對于不完整的數(shù)據(jù)，如通過正則表達(dá)式驗證數(shù)據(jù)的開始及結(jié)尾標(biāo)識符，若沒有開始或結(jié)束標(biāo)志，則直接丟棄處理。

第二階段：對于完整且格式正確的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)校驗位驗證數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)變化，若校驗失敗，亦屬于臟數(shù)據(jù)，進(jìn)行丟棄處理。

第三階段：對于通過校驗的數(shù)據(jù)，要進(jìn)行是否為無效數(shù)據(jù)的判斷，程序中處理時，緩存最近兩次的數(shù)據(jù)，并實時計算其距離，如果距離明顯大于車輛的行駛距離，將其視為無效數(shù)據(jù)，作丟棄處理。

第四階段：為盡量減小數(shù)據(jù)抖動的抖動并增加數(shù)據(jù)的平滑性，在程序中循環(huán)緩存最近3次的有效數(shù)據(jù)（每秒從串口接收到5幀數(shù)據(jù)），并對其作均值運算，并將其視為最新的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過以上四個階段的處理，已濾掉臟數(shù)據(jù)，得到相對平滑且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.2 車輛建模

如圖5，車周身有32個點，針對每個車型會在固定前、后定位天線的條件下，標(biāo)定出32個點的坐標(biāo)，考試過程中會根據(jù)標(biāo)定坐標(biāo)實時對其更新。

車載設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)僅為前、后天線單點數(shù)據(jù)，而評判時用的是車身周圍的點，故需要把將每次收到的單點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為車模型[5]。

具體思路如下：

1） 如圖6，簡化車身點位，只保留前、后天線和車身一個點位1，構(gòu)成一個三角形，由車身標(biāo)定數(shù)據(jù)可知移動前的三角形三點坐標(biāo)。

2） 將車輛移動即可看成三角形的在平面的移動，可將其拆分平移和旋轉(zhuǎn)為兩個動作，先平移后旋轉(zhuǎn)。

3） 平移：三角形平移后，前、后天線的坐標(biāo)可實時獲取到，和只有1點坐標(biāo)未知。根據(jù)向量的理論，可求得1點的平移后的坐標(biāo)。

4） 旋轉(zhuǎn)：已知了實時獲取到的前、后天線的坐標(biāo)，和標(biāo)定時的前、后天線坐標(biāo)，根據(jù)向量相關(guān)理論，可計算出前、后天線的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而計算出1點旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)。

5） 同理，可計算出車身其他31個點位的坐標(biāo)。

3.3 判斷車輛進(jìn)退

車輛的進(jìn)退狀態(tài)可借助于航向角與后天線坐標(biāo)的變化來確定，可分為兩種情況。

1） 車速極慢，由于接收到的數(shù)據(jù)存在抖動，航向角不具參考意義。此時可通過記錄前、后天線的坐標(biāo)判斷進(jìn)退。算法如下：

a） 緩存最近兩次定位坐標(biāo)，nowLoc為最新坐標(biāo)，lastLoc為上次坐標(biāo)。

b） 計算后天線nowLoc與前天線nowLoc距離，記為nowDist。

c） 計算后天線lastLoc與前天線lastLoc距離，記為lastDist。

d） 比較nowDist 與lastDist，如果nowDist < last?Dist，則前進(jìn).e） 反之則后退。

2） 車速較快，此時航向角已穩(wěn)定，分別記錄前后兩次航向角，lastAng為上次航向角，nowAng為當(dāng)前航向角。算法如下：

a） 計算lastAng與nowAng之差，記為tempAng。

b） 如果tempAng 絕對值小于60，即認(rèn)為車輛在前進(jìn)。

c） 反之，如果tempAng大于150度，則認(rèn)為車輛前處于進(jìn)、退轉(zhuǎn)換，根據(jù)之前的狀態(tài)即可得出目前車輛的進(jìn)退狀態(tài)。

4 實現(xiàn)效果

本系統(tǒng)界面分為4個區(qū)域，展示項目的不同信息。項目區(qū)顯示科目二的5個小科目，每個小科目分3個狀態(tài)：未開始、進(jìn)行中、已結(jié)束，不同的狀態(tài)會顯示不同的背景色。地圖顯示區(qū)用于顯示車輛在考場中的位置及車輛的當(dāng)前的坐標(biāo)信息?？荚囆畔^(qū)用于展示考生信息和成績。定位及信號顯示區(qū)用于實時更新的車載信號、定位、進(jìn)退等。

倒車入庫項目為科目二中最復(fù)雜的項目，故以其為例說明評判原理[6]。

如圖8所示，倒車入庫的考試區(qū)域會被劃分為若干個不同編號的區(qū)域，評判時即以車身不同點位進(jìn)入不同區(qū)域為根據(jù)進(jìn)行位置評判。如車輪點位進(jìn)入禁區(qū)1或禁區(qū)3會被判定為車身出線；入庫時，車頭點位還在行駛區(qū)2，而未進(jìn)入庫區(qū)，hAmNwKWZatqWQtTI7MON63hqr2aeRdTuuLa+sDBRJlc=則判定為倒庫不入；出庫時會結(jié)合車載信號評判是否正確操作轉(zhuǎn)向燈，其他評判項原理相同，不再贅述。

5 結(jié)束語

本文對科目二考試系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)作了分析，為同類系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。由于本系統(tǒng)結(jié)合了RTK技術(shù)，加上工作環(huán)境的復(fù)雜性，如極端天氣、樓宇遮擋等原因，會給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成一定的挑戰(zhàn)，這也為下一步研究提供了以下方向：

RTK以其施工方便及較高性價比獲得了多數(shù)廠商的青睞。但由于影響定位精度的客觀因素較多，如天氣、樓宇遮擋等，存在不穩(wěn)定因素。陀螺儀[5]可測量車輛的角速度、傾斜角等數(shù)據(jù)，定位信號不穩(wěn)定時可協(xié)助評判，此為通過增加硬件來優(yōu)化系統(tǒng)[7]的方案。

另外，卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過輸入輸出的觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法。在本系統(tǒng)當(dāng)中，可利用卡爾曼濾波算法對定位測量值進(jìn)一步預(yù)測，以便為本系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的測量值。此為軟件優(yōu)化方案，可在不增加硬件成本的情況下提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳芳芳，閆文林，宋慧明，等. 智能手機異步GNSS差分定位解算方法及精度評定[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報，2023，11（1）：148-153.

[2] 張勇，姜鑫蕾，楊文武，等. 基于卡爾曼濾波的GNSS系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)研究[J]. 電子測量技術(shù)，2021，44（3）：109-113.

[3] 劉偉祥，楊立華，周佳. 駕駛?cè)丝颇慷荚囋u判系統(tǒng)框架研究[J]. 中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2018（3）：70-72.

[4] 陳紅梅. 基于Android的科目三模擬考試系統(tǒng)[J]. 智能計算機與應(yīng)用，2016，6（2）：55-57.

[5] 昝雨堯. 基于考慮駕駛?cè)私煌ōh(huán)境感知的車輛安全勢場及跟馳行為建模[J]. 山東科學(xué)，2024，37（1）：1-10．

[6] 宋華明. 駕駛?cè)丝颇慷荚囎詣釉u判系統(tǒng)之倒車入庫評判設(shè)計[J]. 科技資訊，2014，12（28）：22-23.

[7] 吳業(yè)福，潘世剛，康壯，等. 高精度GPS/GIS定位技術(shù)在機動車道路考試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 交通信息與安全，2013，31（1）：98-101.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】