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城市车路协同系统的通信及定位技术研究

更新时间 2011-4-17 11:10:29 点击数:

城市车路协同系统的通信及定位技术研究
摘要:为了改善道路安全和提高交通效率,提出一种实现车-车、车-路之间无线通信和车路智能协同控制的方法。结合车
路协同系统(cooperative vehicle infrastructure system,CVIS)的研究方法,介绍了基于无线传感器网络(wireless sensor network,
WSN)技术的车路协同系统和车辆定位装置的整体设计,包括基于ARM920T(advanced RISC machines)内核的嵌入式车载终端
和路测终端的设计,全球定位系统(global positioning system,GPS)接收机的设计,以及设计一个中值滤波器和卡尔曼滤波器的
组合来提高GPS接收机的精度。实验结果表明,优化后的GPS接收机定位位置误差明显减少,具有很高的精度和运行效率。
关键词:车路协同系统;ITS;ZigBee;ARM;全球定位系统;无线传感器网络
中图法分类号:TP393;TP313.52文献标识码:A文章编号:1000-7024(2011)03-0859-04
    0引言传统以修建或扩展道路解决交通问题的方法随着城市发展和土地资源越来越紧缺已变得不再可行,在这种背景下,把车辆和道路整合起来,以计算机、通信及自动控制等先进技术为手段,旨在系统高效地解决交通拥堵、交通安全、交通环境等问题的智能交通系统(intelligenttransportationsystems,ITS)应运而生[1]。车路协同系统CVIS作为ITS的重要组成部分,一直是世界交通发达国家研究、发展与应用的热点。
    目前世界各国正积极进行车路协同方面的研究与应用,例如:美国实施了通过车载传感器与车-车或车-路通信方式来获取信息,为驾驶者提供安全辅助控制或全自动控制支持的“智能车辆计划”、“车辆道路智能集成系统”;欧盟利用先进的信息通信技术促进安全系统的研发与集成应用,提出了包括eSafety、SAFESPOT等在内的“道路安全计划”;日本遵循ITS的系统集成理念,利用ITS相关技术,如先进的“车辆信息和通信系统”、“不停车电子收费系统”等以及信息与通信技术,进行道路基础设施的整合,实现其“Smartway”系统[2]。然而,国内在车路协同领域的研究才刚刚起步,特别是在道路交通信息服务方面还处于跟踪调研阶段,未形成具体可行的技术框架,更没有深入研究与实际应用,因此需要加大研究开发力度,以期快速赶上发达国家,满足我国智能车路应用的需求。
    所以本文结合实际工程需要,采用ZigBee+GPS模式实现车-车、车-路之间无线通信并且对车辆进行实时定位,为ITS共用信息平台以及出行者信息服务系统、交通控制管理系统、车辆运营管理调度系统、汽车计算平台等领域提供必要的信息。
    1嵌入式车载终端和嵌入式路测终端的设计车路协同系统CVIS,其基本思想是运用多学科交叉与融合的方法,充分利用大规模并行计算、传感器网络等先进技术,实现道路交通信息的智能感知与人、车、路三位一体协调发展,大幅提高道路交通信息的利用效率与应用水平,为缓解道路交通拥堵、提高道路通行能力、改善道路交通安全等发挥重要的作用,同时也为相关学科和产业的发展提供新的研究方向和发展机遇,从而推动交叉学科新理论、新方法、新技术、新应用的产生和发展[3]。本文设计了基于ARM920T内核的嵌入式车载终端和嵌入式路测终端,嵌入式车载终端和嵌入式路测终端之间通过ZigBee无线通信模块进行通信,实现车-车和车-路之间的无线通信,并且GPS接收机实时精准定位车辆的位置。
    1.1 ZigBee
    目前,国际上采用短程无线通信的方法有很多种,主要包括GPRS/CDMA1X、蓝牙、WIFI、ZigBee、电台等,其优缺点和应用重点如表1所示[4]。结合实际工程的需要,本设计采用能够在高电子噪声和金属干扰区域提供数据传输、低功耗且高安全性的ZigBee作为路段搭建自组织网络的技术手段,实现车-车、车-路的短程无线通信。Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,ZigBee其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备[5]。
    1.2基于ARM920T内核的嵌入式车载终端和嵌入式路测终端的设计嵌入式车载终端和嵌入式路测终端使用的核心处理器都是三星公司出产的ARM9系列处理器S3C2440,S3C2440杰出的特点是其核心处理器(CPU)是一个由Advanced RISC Machi-nes有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。
    ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速缓冲体系结构,这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache,每个都是具有8字长的行组成,通过提供一套完整的通用系统外设,S3C2440减少整体系统成本和无需配置额外的组件[6]。
    嵌入式车载终端和嵌入式路测终端之间的通信使用的是ZigBee无线通信模块,本文采用的ZigBee模块是美国CEL公司的ZICM2410模块,该模块内置集成51核的单片机,具有丰富的硬件接口(GPIO、UART、定时器和音频接口等),支持用户二次开发。因此我们可以在该模块上编写传输协议,以兼容车载/路测终端的接口协议。该部分通过串口与嵌入式车载/路侧终端相连,从而为两终端提供一个无线收发平台,测试其最大通信距离可达1000m,且通信质量可靠,受车速影响不大。
    嵌入式路侧终端与智能交通控制中心的无线通信,采用的是周立功已有成熟产品ZWT-34A,它是工业级外置式TD-SCDMA无线数传设备,通过串口与核心处理器连接,从而实现基于3G的路侧装置与智能交通控制中心无线通信[7-8]。
    采用ZigBee+GPS作为车辆的实时定位技术,获取车辆的实时运动速度、位置;采用雷达传感器作为车辆探测周边障碍物的检测手段,为行车安全提供基本信息;同时采用Zig-Bee+3G的通信方式,使得路侧装置不但能够与路段上的车载终端形成局域网(基于ZigBee),而且能够作为局域网服务器的角色与智能交通控制中心进行通信(基于3G)。通过存储器扩展设计,不但能满足嵌入式车载终端和嵌入式路测终端系统的存储需求,而且还能为日后嵌入系统实现更强大的测速及附加功能提供存储资源。嵌入式车载终端和嵌入式路测终端的设计,如图1所示。
    2 GPS接收机
    2.1 GPS接收机的设计GPS接收机的设计由以下4个级联的模块组成:①信号接收单元:通过天线接收GPS卫星信号并将其放大。②射频前端单元:接收电路通过把射频信号变换到中频后再进行数字化处理。③信号处理单元:通过频率变换、频率合成等电路,将数字中频信号转化成导航电文、伪距、伪距率输出。④导航计算单元:完成从导航电文、伪距、伪距率到接收机位置、速度和时间等的计算。⑤输出单元:将接收机位置、速度和时间等的信息显示在嵌入式车载终端的显示屏上,并且可以通过Zig-Bee无线通信模块发送到智能交通控制中心[9]。GPS接收机的设计,如图2所示。
    2.2 GPS接收机机精度的提高
    GPS的误差来源包括星历误差、卫星时钟误差、相位不确定性、电离层和对流层的折射、多路径效应以及接收机噪声等。为了消除这些误差,人们应用了多种测量方法以使定位误差最小化。这方面最典型的技术是卡尔曼滤波[10]。
    在本文GPS接收机的设计中,提出设计一个中值滤波器和卡尔曼滤波器的组合来提高定位精度,并且对传统卡尔曼滤波方程做出了改进,

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