1、 l ii 中 国 科 技 信 2ol o D O I 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 - 8 9 7 2 2 0 1 0 1 9 0 5 6 1 9期 C H I N A s c I E N C E A N D T E C H N O L O G Y 基金项 目：国家自然科学基金课题资助 ( 批准号 ：6 0 7 0 5 0 1 2 F 0 3 0 4 0 4 ) INF OR MATI O N Oc t 2 01 0 G P S在智能电动车 自动控制系统中应用 陈姚节 纪业新 陈小欢 武汉科技大学计算机学院 智 能汽车 ，无人 驾驶 汽 车 ， 自动导航 汽 车
2、等概 念一直 是现 代汽 车行 业 的热 门话 题。本文推 出一款 基于 P X A 2 7 0 嵌 入式平 台，集成地理信息系统 ( G I S ) 、通用分组 无线业务 ( G P E S ) 、 全球 定位 系统 ( G P S ) 以 及视觉识别系统的智能辅助驾驶电动车。 鼯 0 誊 0 0_ l 00 。 0 嵌入式系统 ； 地理信息系统； 定位 系统 ； 监控 In t e llig e n t v e h i c le s ，u n ma n n e d v e h ic le s ，a n d a u t o ma t ic n a v i t i o n v e h i c
3、le s h a v e b e e n a h o t t O c a m o n g mo d e r n a u t o mo gv e i n d u s t r y 1 n t h is p a p e r we in t r o d u c e a s m ar t a u x i li a r y d r ivin g e l e c t r ic c a r wh i c h is a e mb e d d e d p l a t f o r m b a s e d o n P X A2 7 0 a n d in t e g r a t e d Ge o gr a p h ic
4、 a l In f o r m a go n S ys t e m ( G IS ) ，G e n e r a l P a c k e t g a d i o S e r v i c e( G P E S ) ， G lo b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m( G P S )a s w e l l a 3 t h e v i s u a l r e c o g n it i o n s y s t e m Emb e d d e d Sy s t e m；Ge o gr a p h i c l n f o m at i o n S y s t e m
5、；P o s i t io n in g S y s t e m；Mo n i t o r i n g 前言 本系统中，GI S模块首先会决策出本 车从起点到终点的最优路径 ，GPS则负 责定位 车辆 的 位置信 息 ，在 本地 车辆 的 P XA2 7 0的平台借助 GI S中的电子地图可 以实 时的 显示 本车 的实时 位 置 ；视觉 部 分则可以实时的识别道路的信息，辅助控 制车辆 “ 越轨”行为的发生。而 GP RS模 块则会通过移动无线网络与管理中心的监 控中心联系， 方便监控中心实时的检测户 外车辆的状况，同时可以调度和集中控制 户外的车辆的动作行为 ( 如：依据当时的 某区域车辆
6、数据的状况，重新给某个车辆 制定新 的路线 ) 。 1硬件系统结构 本系统的硬件主要包含 UP TECH G P R S 无线 传输 模块 、U PT E C H P XA2 7 0 、GN-8 0 1 4 B全球 定位系统 、基 于 D S P的 图像采集系统 、自行设计的 电动 车及控制系统以及监控系统PC机等模块 构成 。系统框架如图 1 所示。 各 硬件 的功 。n e o n 下叙 述 ： 1 ) 、P XA2 7 0 模块，该模块为整个系 统的核心，运行自行开发的辅助驾驶软件 系统；2 ) 、无线 G P R S通信模块 ，该模块 为本地车辆的远程监控中心 P C机的通信 平台；3
7、 ) 、GN一8 0l 4 B全球定位系统 ， 通过接收卫星上数据 ，确定本地车辆的 地理位置；4) 、监控中心PC机 ，监控 中心 的 P C机上 运行 自行开发的带 电子 地 图的监 控软 件 ，通过 网络 接收远 程 车辆 一 图1系统的硬件框图 自动控制模块 上通过 G PR S传送来 的车辆 的位置信息 、 车辆的运行状况在监控中心上实时显示出 来等功能。 2软件组成 本系统的软件包括嵌入式Wi n c e 操作 系统 、 自行开 发的嵌 入式平 台上GI S 模块 、 图像识别模块、 无线G P R S 通信模块、 GP S 定位与测量模块、电动车硬件控制软件以 及运行在监控中心
8、XP系统下的带GI S数 字地图的监控软件。整个软件的组成图如 图2 所示 。 各部分软件的功能如下： 1 )嵌入式 Wi n c e 操作系统作为车辆 的相关软件的运行平台； 2 )运行在嵌入式平 台上的 GI S模块 实现 电子地 图显 示 、本地 车辆运 行状 况 以 及车 的位 置的跟 踪显 示 、未 经过 处理 的路况信息显示 ( 相当干电子眼) 、最 优路径查询平台等功能 ； 3 ) 无线G P R S 通信模块实现本地车辆 与远程监控中心的PC 机的实时双向通信。 一般G P RS 的通信需要申请固定的I P 地址 ( 因为G P RS 每次开机是， 移动网络会 自动 给其申请一
9、个动态的I P地址) 。本方案中 针对这块实现是借助学校的网络服 务器作 为中转站的方式来实现， 实现监控中心的 P C机只要能 “ 上网” 就可以与远程的车辆 通信，既节约运营成本，又方便使用； G l S 模块 G P R s 瑚络通信模块 图2系统的软件组成图 ；P s 模块 一 4 )G P S定位与测量模块其任务是实 现对本地车辆的精确定位。由于天气状况 等因素会影响到测量精度， 本系统中采用 两个GP S 模块， 其一安装在估计位置作为 基准点，另外一个则安装在本地车辆上， 定位与测量算法上采用差分的方式来实 现，以此来提高精度； 5 )电动车硬件控制软件中采用经典 的P I D调
10、节算法，实现对车辆运行速度精 确 控 制 。 整个软件系统能否准确控制的控制电 动车的 自动运行关键在与对小车的精确定 位。 2 1 、传统 G P S定位 GPS是 英文 Gl o b a l Po s i t i o ni n g S y s t e m的缩写，是美国国防部主要为满 足军事部门对海上、陆地和空中设施进 行高精度导航和定位的需要而建立的。 它从根本上 解决 了人类在地球上的导航和 定位问题 ，在军事和工农业等领域得到 了广泛的应用，给导航和定位技术带来 了巨大 的 变 化 。 GP S导航 系统是 以全球 2 4颗定位 人 造卫星为基础 ，向全球各地全天候地提 供三维位置、三
11、维速度等信息的一种无 线电导航定位系统 。它 由三部分构成 ， 一是 地面 控制 部分 ，由主控 站 、地 面天 线 、监测 站及 通讯辅 助 系统 组成 ；二是 空 间部分 ，由 2 4颗 卫 星组成 ，分布 在 6 个轨 道 平 面 ；三 是 用 户 装 置 部 分 ， 由 GP S接收机和卫星天线组成。本模块主 要由 G P S 接 串 口组成 。其组成 图如图 3 所 示。 卫 星 1 卫 星 2 _卫星 3 卫量 4 ， G 壬 ) S 、 ： 串r n 一 0 平台 ： 图3 G P S 导航系统硬件组成 本模块 中 GPS 定位 使 用 的是 差分 GPS定位方法，所以在整个系统
12、中的前 台和后台都需要使用本模块 ，只是所在 的平台不同。 G P S定位的基本原理是根据高速运动 的卫星瞬 间位置作为 已知的起算数据 ， 采用空间距离后方交会的方法，确定待测 点的位置。如 图所示 ，假设 t时刻在地面 待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 G P S信号到达接收机的时间t ，再加上 接收机所接收到的卫星星历等其它数据可!样 ，其差分定位精度也不同。 以确定以下四个方程式，如图 4所示 ： - 1 i z 卫 s 。卫 。 ， ， 一 I y1 ， 、 y 女z z ， ( y ( y )j ， ， l 、 ( x 1 ) 2 + ( y 】 I y ) 2 +( z 广
13、z ) 2 2 + c( v t I V t d l ( x 2 一 x ) 2 + ( y 2 曲 2 +( z 2 一 z ) 2 1 2 + c( v t 2 一 v t o ) = d 2 ( x s - x ) 2 + ( y 3 一 y ) +( z 3 一 z ) z + c( v t 3 一 v t o ) = d 3 ( 一 x ) z + ( - y ) +( z 4 一 z ) ， 2 c( V t t V t o ) = 山 图4 G P S 定位原理及其定位方程 上述四个方程式中待测点坐标X、 Y、z 和Vt 0 为未知参数 ，其中d i =c t i ( i =l
14、、2 、3 、4 ) 。d i ( i =1 、2 、 3、4) 分别为卫星 1 、卫星 2、卫星 3、 卫星 4 到接 收机之 间的距 离。 t i( i =1 、 2 、3、4 ) 分 别为卫 星 1 、卫 星 2、卫星 3 、卫星 4的信号到达接收机所经历的时 间。C 为 GP S 信号的传播速度 ( 即光 速 ) 。 四个 方程式 中各 个 参数 意义 如 下：x、Y、z 为待测点坐标的空间直角 坐 标 。X i 、Yi 、z i ( i =1 、2、3 、 4 ) 分 别为 卫星 l 、卫星 2 、卫 星 3 、卫 星 4在 t时刻的空间直角坐标，可由卫 星导航 电文求得 。Vt i
15、 ( i =l 、2、3 、4 ) 分 别 为卫星 1、卫 星 2、卫 星 3、卫星 4 的卫星钟的钟差 ，由卫星星历提供。Vt 0 为 接收 机 的钟 差 。 由以上 四个 方程 即 可 解算出待测点的坐标X、Y、z 和接收 机 的钟 差 Vt O 。 2 2改进 的GP S 差分 定位 经过 GP S数据解析，G P S定位已经 完成了大部分的任务。而使用差分 GP S 技术，就可以提高 GPS定位的精度。差 分 GP S ( DGPS，d i f f e r e n t i a l GP S - DG P S)就是首先利用已知精确三维坐标 的差分 G P S 基准 台 ， 求得 伪距修正
16、量或位 置修正量 ，再将这个修正量 实时或事后发 送给用 户 ( GP S 导航仪 ) ， 对用户的测量数 据进行修正，以提高GP S定位精度。差分 GP S定位原 理的 图示如 图 5图示 。 根据差分GP S 基准站发送的信息方式 可将差分GP S定位分为三类 ，即：位置差 分 、伪距差分和 相位 差分 。这 三类差分方 式的工作原理是相同的，即都是由基准站 发送改正数，由用户站接收并对其测量结 果进行改正，以获得精确的定位结果。所 不同的是 ，发送改正数的具体内容不一 l 2 7 一 I 基准站 用 户站 图5差分G P S 定位原理图示 具 体 介 绍 如 下 ： ( 1 )位置差分原
17、理 这是一种最简单的差分方法，任何 一种GP S 接收机均可改装和组成这种差分 系统。安装在基准站上的 GP S接收机观 测 4颗卫星后便可进行三维定位，解算出 基准站的坐标 。由于存在着轨道误差 、 时钟误差 、SA 影响、大气影响、多径 效应以及其他误差 ，解算 出的坐标与基 准站的 已知坐 标是不 一样的 ，存 在误 差 。基准 站利 用数 据 链将此 改 正数 发送 出去 ，由用户站接收 ，并且对其解算的 用 户站 坐 标进 行 改正 。 ( 2 )伪距差分原理 伪 距差 分是 目前用 途 最广 的一 种技 术 。几乎 所有的商用差分 GP S 接收机 均采 用这种技术。国际海事无线电
18、委员会推荐 的RTC M S C -1 0 4 也采用 了这种技术。在 基准站上的接收机要求得它至可见卫星的 距离， 并将此计算出的距离与含有误差的 测量值加 以比较 。 利 用一个 o 【 一D滤波 器 将此差值滤 波并求出其偏差 。然后将所有 卫星的测距误差传输给用户，用户利用此 测距误差 来改正测量的伪距 。最后 ，用 户 利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就 可消去公共误差，提高定位精度。与位置 差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵 消 ，但随着用户到基准站距离的增加又 出现 了系统误 差 ， 这种误 差用任何差分法 都是不能消除的 。用 户和 基准站之间的距 离对精度有决定性影响。
19、 ( 3 )载波相位差分原理 测地型接收机利 用G P S 卫星载波相位 进行的静态基线测量获得了很高的精度 ( 1 0 - 6 l 0 ) 。但为了可靠地求解出相位 模 糊度 ，要求静止观测一两个小时或更 长 时 间。这样就限制 了在工程作业中的应 用。于是探求快速测量的方法应运而生。 例 如 ，采 用整周模糊 度快 速逼近技 术 ( F AR A) 使基线观测 时间缩短到5 分钟， 下转 第 1 4 3页 mp e g进 行文件过滤 ，避 免该 下载侵 占带 宽；借助于邮件拦截引擎，在最终用户毫 无知觉的情况下对外发邮件进行过滤、审 计，增强了灵活性。 4 网络行为监控 实时查看用户当前的
20、上网情况 ，如 当前在线的用户，其访问的I P地址信息、 网址信息、应用服务信息、流量、占用带 宽等 。对 网页 浏 览 、上 传 下载 文件 、炒 股、聊天、Ema i 1 收发等都能够提供行 为管控 ，全 面限制工作 无关的网络行 为，为电子政务外网保留更多的带宽资 源。 5 上网 日 志记录 上网行为管理设备在对带宽资源进行 优化 ，和全面管控用户的网络行为的同 时，还能够详细记录用户的网络行为，如 访 问 的 网址 、发 布 的 帖 子 、收 发 的 Ema i l 、Q Q等聊天内容等，并存储日志 和 图形化 日志查 询 ，满 足 了 互 联 网安 全保护技术措施规定( 公安部第 8
21、 2号 令)要求 ，归档的 日志可通过各种组合 条件进行在线查询，也可以远程备份到 异地进行离线查看。 四 网络行为管理部署架构 要制定一个单位范围内统一的网络行 为管理 、有效运作 的网络管理解 决方 案 ，必须综合考虑 目前单位的情况。 网 络行为管理系统采用多种方式连接在内部 网的 出 口上 ，以 适 应 不 同用 户 的 要 求 。 网络上流入 、流 出的数据包通过 该系 统 ，系统可以根据用户需要对具有某种 特征、状态的数据进行记录、处理，有 效实现对网络数据的监控。通常系统接 人方式有以下两种： 1 、串接式部署 ( P AS S T h r o u g h ) 特 点 ： ( 1
22、) 、对网络应用流量的流 向、趋 势，及用户上网行为进行分析。 ( 2) 、对网络应用流量及使用进行 细粒度的控制 。 ( 3) 、不影响网络的已有拓扑的同 时支持二层回退、掉电保护功能，确保了 网络的高可靠性。 ( 4) 、对行为管理 员的电脑配鼍要 求 高 。 2 旁路式部署 特 点 ： ( 1) 、对 网 络应 用 流量 的 流 向 、趋 势，及用户上 网行为进行分析 。 ( 2 ) 、 使用流量镜像， 而不需要改动网 络拓扑，对网络影响最小 ，不会增加新 的 故 障 点 。 ( 3 ) 、 对行为管理电脑性能要求不高。 五 、 总 结 通过互联网控制上网行为管理系统在 政府政务网络 中
23、的应用，可保证用户安 全、高效 、合理地使用互联网资源，为 提升整体办公效率和政府形象 、节省网 络管理成本和管理开销、杜绝信息外发 安全隐患 、规范和管理用户上 网行为提 供显著使 用效益 。网络 行为管理 是手 段，不是 目的 。管理者通过网络行为管 理 ， 目的是 为帮助 政府 机 关工 作人 员建 立一个规范的上网习惯 ，并以此来提高 工作效率。管理者在通过软件提高工作效 率的同时，更应做好监控信息的管理，只 有这样才能把工作协调得更完善。 一l 4 3 一 j 上接 第 l 2 7 页 采用准动态 ( s t o p a n d g o) ，往返重 复设站 ( r e o c c u
24、pat i On)和动态 ( k i n e ma t i c )来提高 G P S 作业效率。这些 技术的应用对推动精密GP S N ll 量起了促进 作用。但是，上述这些作业方式都是事 后 进行 数据 处 理 ，不 能实 时提 交成 果和 实时评定成果质量 ，很难避免出现事后 检 查不 合格 造成 的返 工现象 。 根据上述三种差分技术的差别与使用 的环境和要求 ，我们选择 了最简单的差 分技术一一位置差分，其原理如图6所 示。 基准站 计算坐标值 - 坐标偏差 。 用户站 B知坐标值 ， 坐标改正 图6 差分 G P S 定位 原理数据流 图 差 分方 程如 图 7所示 ： 图 7位置差
25、分方程 若考虑坐标偏差传输过程中A t 时问 内用户站位移的改变，则改进后的位置 差分方程如图8所示： X( t i +t )=X( t i )+A X+( dx d t )t Y( t i +A t )： Y( t i )+A Y+( dY dt )A t Z( t i +A t )=Z( t i )+A Z+( d Z d t )t 图8位置差分改进方程 系统 中用到的GN一8 0 1 4 B 定位 系统在 传统 方式 下其 精度 只能达 到 5米。 经过 GP S差分定位后其精度能到 1 5 米，基本 上能控制电动车的行驶。要能很好的控制 车子 的路线 和避障需添加 图像采集和动态 识别技术。 X Y Z A + + + 、，、 、 1 l 1 t t t ， ， ，L X Y Z I I I I = 、，、 ，、 ， t t t + + + l ： t t t ，； X Y Z
