GPS测速系统

GPS测速系统（共4篇）

GPS测速系统 篇1

摘要：本文介绍了一种基于GPS的车载组合测速系统设计方案。采用GPS与加速度计二者信号相融合的方式, 实现车速实时采集。并对测速系统的硬件和软件设计进行了详细介绍。实际测试表明, 该测速系统具有性能稳定、成本低等优点, 完全满足设计要求, 具有一定的实际应用价值。

关键词：GPS,加速度计,DSP,测速

在汽车道路试验中需要对多种运动参数进行采集, 其中车速是重要的参数, 其精确性直接影响着车辆性能试验的准确性, 同时对汽车整车动态性能的分析、制动系统的性能匹配和ABS的开发有着重要的意义和应用价值。传统车速测量的主要方法是接触式或非接触式五轮仪、雷达测速仪、相对式光电编码器等, 它们一般体积较大, 安装复杂, 且价格很高。

全球定位系统 (GPS) 是美国国防部研制的第二代卫星导航定位系统, 它为全球用户提供全天侯、连续、实时的高精度位置、速度和时间信息, 目前越来越多的用于车辆动态参数的测试。本设计采用GPS与惯性器件加速度计联合测量车速。

1、系统总体设计

系统采用“传感器+数据采集卡+上位机”的架构。在测量时, 数据采集卡由上位机控制完成对加速度计和GPS信号的采集, 以高精度的GPS信息作为外部量测输入, 在运动过程中修正由加速度计信号积分得到的瞬时速度, 以控制其误差随时间的积累。同时, 短时间内高精度的加速度计信号积分结果, 可以很好的解决GPS动态环境中的信号失锁和周跳问题, 实现速度信号的高精度实时采集, 并将数据通过USB接口实时回传存储在上位机的本地存储器中。车载测速系统的总体设计如图1所示。

2、系统硬件设计

2.1 传感器选型

本系统所选传感器包括GPS和加速度计。

GPS接收机选用加拿大马可尼公司研制开发的Superstar II, 其以低廉的价格和高可靠的性能等优点在车辆导航定位方面的到广泛应用。Superstar II具有超强的接收能力, 可在苛刻的条件下给用户提供高可靠性的三维坐标、速度、时间、卫星星历以及其他状态信息, 并能处理编译来自基站的差分改正, 最高可设置5Hz频率输出。

汽车道路试验时车辆加速度变化范围大约为-1g~1g, 市场上很多性能可靠的加速度传感器满足此要求, 如Freescale公司生产的MMA7260Q集成加速度计、VTI Technologies公司生产的SCA1000和SCA1020系列双轴加速度传感器、STMicroelectronics公司生产的LIS3L02DQ加速度传感器等, 此类传感器一般运行电流低, 且采用QFN小巧封装, 满足了车载工况的要求。因此, 只要配备合适的接口就都能在本系统中使用。

2.2 DSP芯片TMS320F2812

D S P选用是T I公司推出的C2000系列32位定点D S P芯片TMS320F2812。它实现了高性能数字信号处理器 (DSP) 与高精度模/数转换 (ADC) 及闪存 (FLASH) 的完美结合, 具有很高的运算速度、较大的寻址空间和丰富的片上外设资源, 显著地提高了系统的处理效率, 方便了系统的设计。

TMS320F2812主要特性有:32位高性能CPU, 150MHz主频, 低功耗设计;18K*16bit的RAM和128K*l6bit的Flash存储器;16通道12位的模/数转换接口, 双通道可同时采样, 流水线采样最高速60ns;CAN总线接口, 传输速率最高可达1Mbps等[1]。

2.3 USB接口电路

本系统选用Philips公司的ISP1581型接口电路作为USB接口。ISP1581完全符合通用串行总线 (USB) Rev2.0规范, 支持7个IN端点, 7个OUT端点和一个固定控制IN/OUT端点;内部集成了串行接口引擎 (SIE) 、PIE、8KB的FIFO存储器、数据收发器、3.3V的电压调整器和PLL的12MHz晶体振荡器, 具有高速的DMA接口, 同时可通过软件控制与USB总线的连接 (Soft Connect) [2]。

ISP1581中BUS_CONF通过1.5kΩ电阻接高电平, ISP1581工作在通用处理器模式, RREF引脚通过12kΩ精密电阻接模拟地, 提供精确的镜像电流。AD[7:0]为8位地址线, DATA[15:0]为独立的16位控制器数据总线。TMS320F2812的XCS0AND1作为ISP1581的片选信号, TMS320F2812与ISP1581的数据交换采用中断方式, 中断信号接入TMS320F2812的XINT1引脚。USB接口电路如图2所示。

3、系统软件设计

3.1 系统软件总体方案

在汽车道路试验动态检测过程中, 车速的测量周期一般设定为5 ms。而GPS接收机传送速度信号周期为200 ms, 因此要以GPS信号产生的时刻为起点精确定时5 ms对加速度计采样, 推算出两个GPS信号之间的车体速度。

GPS数据接收机上电初始化, 发送数据报文请求, 等待GPS秒脉冲的到来接收GPS数据和加速度计采集数据。GPS信号发送采用查询方式, 接收采用中断方式。加速度计信号在定时器中断里进行软件触发采样, 每次采集完成后触发中断, 等数据处理完后重新打开中断。

系统软件流程图如图3所示, 定时器中断流程图如图4所示[3]。

3.2 上位机数据融合算法

汽车的瞬时速度取决于加速度的大小和作用的时间, 是对加速度的积分, 可表示为:, 式中V (t0) 为初始时刻车辆的运动速度向量。即通过GPS接收机测得的车辆初始速度信号, 再对加速度计测得的加速度信号进行积分, 就能得到任何时刻的车辆瞬时速度。因此, GPS信号和加速度计信号在上位机中经过数据融合才能转换为速度信息。上位机数据融合算法结构如图5所示[4]。

全局Kalman滤波器对GPS接收机输出的速度信息和加速度计输出加速度信息进行融合与滤波, 局部Kalman滤波器对GPS接收机输出间隔中的加速度计插值数据序列进行融合与滤波。

4、结语

基于DSP的车载组合测速系统性能稳定, 成本较低, 使用方便;该系统在与上位机采用USB2.0通讯代替传统的RS232串口通讯, 具有采样频率高、数据处理能力强、传输速度快等优点, 能充分满足汽车道路试验时对车速高精度实时测量传输的带宽要求。该系统是汽车道路试验中车速测量的一个新的尝试, 随着技术的成熟, 必将在更多的方面得到广泛应用。

参考文献

[1]苏奎峰, 吕强, 耿庆锋等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社, 2005:262-274.

[2]Philips Semiconductors.ISP1581 Product Datasheet Rev.05[Z].2003.

[3]冯长钰.基于DSP的汽车道路试验数据采集与分析系统的研究[D].南京:东南大学仪器科学与工程学院, 2008.

[4]陶玉贵.车载GPS组合测速系统数据融合算法研究[J].计算机技术与发展, 2009, 19 (1) :200-203.

GPS测速系统 篇2

1 GPS差分测速方法

使用GPS可以快捷、可靠、经济地测量运动中物体的动态速度,测量准确性较高,精度可至毫米级。

其中较为简单的GPS测速方法是GPS位置差分法[5],坐标系采用NED(North East Down)坐标系,以汽车质心为O点,有三条坐标轴,分别是N轴、E轴和D轴,分别指向地理坐标系的北向、东向和地心方向,该方法建立的模型是将车辆行驶等效为地表平面上的二维运动,将地心方向上的运动等效为噪声,在车辆上使用GPS设置获取被测车辆的经度、纬度、速度、方向角和GPS时间等数据参数[6],在t - Δt时刻获取的车辆位置为sk - 1,在t + Δt时刻获取的车辆位置为sk + 1。其中sk - 1,sk + 1都是位置向量,可得t时刻车辆速度Vk为:

式中,Δt是GPS设备的采样时间,其值为GPS设备工作频率的倒数,单位为s。

在式(1)的基础上可得汽车在t时刻的北向速度Vk,N和东向速度Vk,E,如下所示:

式中,α 是汽车在t时刻的行驶方向角。这样可获得车辆在任意采样时刻的速度、北向速度和东向速度,并可根据速度获取车辆对应的加速度、北向加速度和东向加速度。但是GPS差分测速度算法抗观测噪声和系统噪声的能力较差[7],因此引入扩展卡尔曼滤波算法进行GPS测速,以提高测速算法对噪声的抑制能力。

2 有限差分扩展卡尔曼滤波GPS测速算法

2.1 扩展卡尔曼滤波测速算法

基于扩展卡尔曼滤波的GPS测速算法首先需要建立离散非线性模型[8],如式(3)所示。

式中:Xk + 1,E是系统东向状态变量;Yk + 1,E是系统东向输出结果;f (∙ ) 、g(∙ ) 是非线性的传递函数;ω 、W是互不相干的测量噪声和系统噪声,测量噪声是由测量传感器造成的,系统噪声是由汽车自身因素造成的误差,包含器件振动噪声及路面颠簸引起的噪声等,相对应的系统方差阵分别是R、Q ,传递函数的第二个参数Uk表征控制变量,由于GPS没有控制变量,因此Uk设为0。式(3)的是模型的状态方程和输出观测方程,其中类似地,系统的北向分量和地心分量也由式(3)计算获取。

对两个非线性传递函数在Xk一阶泰勒展开,并设:

式中,为GPS设备采样时刻后续的状态值估计结果,设汽车东向运动的加速度为ak,E,则有:

同时设对应的东向加速度变化率为ik,E,则有汽车东向运动状态分量Xk,E= [Vk,E,ak,E,ik,E]。设汽车在t时刻、t + Δt时刻、t + 2Δt时刻对应的行驶距离分别为Sk,Sk + 1,Sk + 2,可得Sk + 1,Sk + 2的计算公式为:

式中,t + 2Δt时刻对应的行驶速度Vk + 2为:

综上可得式(3)中汽车东向速度状态方程为:

将其代入式(4),可得:

W是汽车的系统噪声,使用噪声方差矩阵Q表示,Q是常系数矩阵,与GPS设备采样频率相关。

在式(9)、式(10)中,t是GPS设备的采样周期,其值为GPS设备工作频率的倒数,单位为s。

同样地,结合式(3)~式(7)有CE= [1,1,1],观测噪声ω 由GPS设备决定,随设备变化而变化[9]。

最后使用扩展卡尔曼滤波算法对汽车东向速度的估计方程为:

结合式(3)和式(11),可得使用扩展卡尔曼滤波算法获取的t时刻汽车东向状态分量最优估计值Xk,E|k,同样地可得汽车北向状态分量最优估计值Xk,N|k,从而得到汽车在该时刻的水平速度Xk|k。

使用扩展卡尔曼滤波算法对GPS位差测速算法进行改进可有效抑制噪声对测速精度的影响并提高测速精度,但是扩展卡尔曼滤波算法在收敛速度方面[10]存在一定的问题,在汽车快速转弯时误差较大,因此使用有限差分算法进行优化以进一步提高算法性能。

2.2 有限差分改进

有限差分的原理是利用一阶中心差分法和多项式近似技术求解非线性函数的偏导数,可实现二阶非线性近似功能[11]。设y = g(x) 为非线性函数,该函数在x = 处的二阶有限中心差分展开为:

式中:g() 为函数g(x) 在x = 处的函数值;gDD′() 是使用差分方法计算出的展开式一阶项系数,其计算如下:

式中,l是区间长度参数,是展开式二次项系数,同样使用差分方法计算获取,其计算如下:

对式(12)进行泰勒级数展开变为:

将式(13)、式(14)与式(15)后两项比较发现后两项与高阶项对应,并由h来控制精度,通过验证比较,在非线性函数中使用中心差分代替一阶、二阶导数后的精度比代替前的精度要高,这也是将有限差分算法用于改进扩展卡尔曼滤波算法用于GPS测速的原因所在,可有效处理车辆高速转变过程中的非线性变化得到更高的测速精度。有限差分扩展卡尔曼滤波算法步骤为:

(1)初始化,获取GPS测速模型的状态方程和输出观测方程、ω 和W的系统方差阵分别是R,Q及AE,CE,并引进矩阵:

(2)进行状态一步预测,即式(11a);

(3)对汽车东向、北向的误差协方差矩阵进行预测,此处使用一阶中心差分法获取误差协方差矩阵,东向分量的误差协方差矩阵为:

式中:AE,i由步长的调节系数h调整;h可按噪声分布规律设置。

(4)进行量测预测,如式(18)所示。

(5)计算滤波增益,如式(19)所示。

(6)进行滤波估,如式(11b)所示。

(7)进行误差协方差阵估计,如式(11d)所示。

(8) 求解估计误差的Choleskey分解,并代入到式(11)中进行计算获取t时刻汽车东向状态分量最优估计值Xk,E|k,同样地可得汽车北向状态分量最优估计值Xk,N|k,从而得到汽车在该时刻的水平速度

3 实验及分析

为对本文的算法性能进行分析验证,使用Vkel的GPS模块获取车辆的GPS数据,并分别使用扩展卡尔曼滤波GPS测速算法模块和有限差分扩展卡尔曼滤波GPS测速算法模块接收GPS数据并进行测速;对前文中的部分参数进行设置,对调节系数h ,因统计噪声属于白噪声[9],因此设定;GPS设备采样频率为1 Hz,对应的采样时间 Δt = 1 s 。车辆行驶中设置多次高速转弯,将两种算法计算的车辆行驶水平速度分别与水平速度真值进行比较,得到的速度测量误差如图1 所示。

相比扩展卡尔曼滤波GPS测速算法,改进后算法测量误差更小,其均方根误差是0.051 9,而扩展卡尔曼滤波GPS测速算法的均方根误差为0.231 8,在车辆多次高速转变情况下,算法改进后均方根误差得到明显提高。改进后算法平均耗时0.148 1 s,而改进前算法平均耗时0.117 4 s,可见有限差分扩展卡尔曼滤波GPS测速算法使用有限差分运算获取滤波验前、验后误差协方差矩阵改进扩展卡尔曼滤波算法增加了算法复杂度从而需要消耗更长的运算时间,但仍在系统设计需求许可范围内。

4 结语

本文针对位差法和扩展卡尔曼滤波融合算法用于GPS测速时汽车快速转弯时测速误差较大的问题,使用有限差分运算获取滤波验前、验后误差协方差矩阵改进扩展卡尔曼滤波算法增强了算法的收敛性;从而提高了算法在车辆高速转弯时的测速精度,使速度测量值的均方根误差减小,虽然测速响应时间增大但仍在系统设计需求允许范围内;表明基于有限差分扩展卡尔曼滤波的GPS动态测速算法具有更高的性能和应用价值。

参考文献

[1]郭可怡.汽车电子控制装置中计算机检测控制技术的应用[J].电子技术与软件工程,2015(6):258.

[2]周娟英.计算机检测控制技术在汽车电子控制系统中的应用分析[J].自动化与仪器仪表,2014,7(4):107-108.

[3]杜娟,孙中豪,姚飞娟,等.GPS测速方法与精度分析[J].全球定位系统,2012,37(6):13-16.

[4]杨龙,刘焱雄,周兴华,等.GPS测速精度分析与应用[J].海洋测绘,2007,27(2):26-29.

[5]徐宏宇,王浩,王尔申.基于扩展卡尔曼滤波的GPS定位数据处理方法研究[J].科学技术与工程,2012,12(31):8137-8142.

[6]余娅,李军.基于车载GPS导航的非线性动态滤波算法[J].计算机与数字工程,2012,40(11):25-28.

[7]WU F M,YANG Y X,ZHANG L P.A new fusion scheme for accuracy enhancement and error modification in GPS/INS tight integrated navigation[J].Survey review,2012,44(326):208-214.

[8]杨宏,李亚安,李国辉.一种改进扩展卡尔曼滤波新方法[J].计算机工程与应用,2010,46(19):18-20.

[9]潘盛辉,郝东亚,张兴达.基于扩展卡尔曼滤波的GPS动态测速算法[J].信息技术,2014,13(12):13-16.

[10]何栋炜,彭侠夫,蒋学程,等.永磁同步电机的改进扩展卡尔曼滤波测速算法[J].西安交通大学学报,2011,45(10):59-64.

汽车无线传输道路测速系统 篇3

一、概述

目前, 汽车性能检测主要是在大型检测线上进行, 安装复杂, 无法进行实际路况试验。现有汽车道路试验系统存在着对试验场地要求较高、车辆试验距离受限、测试信息断电丢失等问题。

针对这几方面的问题, 设计开发了一套汽车无线传输道路测速系统。该系统降低了汽车道路试验对测试距离的要求, 可对汽车行驶时间和速度进行精确测试。该系统为汽车检测提供了一种新的测试手段。

二、总体结构

该系统主要由中央控制系统、信号处理子系统和信号传输子系统三部分组成。系统结构如图1所示。

三、系统结构设计

1、中控系统结构

中控系统包括单片机模块、铁电存储模块、控制键盘、数据传输模块和直流电源。中控系统采用单片机作为控制核心, 采用12V直流电源供电, 通过控制键盘获取指令。铁电存储模块可实现系统的断电存储功能。中控系统可通过数据传输模块的RS232接口与PC机通讯。

2. 信号传输子系统

(1) 无线发射模块编码电路

本系统采用四个无线发射模块, 对被测车辆进行分段测试, 且信号不能互相干扰。因此, 采用PT2262设计编码电路。为四个无线发射模块设置两个地址编码, 00000000和10000000。并设置数据码, 当D3未收到触发信号时, 形成数据编码0000;当D3收到触发信号时, 形成数据编码1000。PT2262编码电路如图2。

(2) 无线接收模块编码电路

本系统选用PT2272作为接收模块的编码器件。通过设置与发射模块相同的地址编码, 接收对应无线信号。同样设置了数据码0000和1000。

3. 信号处理子系统

(1) 无线发射模块信号处理电路

该信号处理电路将光电感应电路发出的信号, 转化为脉冲信号, 输入无线发射模块。原理图见图3。

该电路设计采用外脉冲启动, 输入带RC微分电路的单稳态触发电路。电路核心器件为NE555P芯片。该电路通过变换R4和C3的值, 调节Q脚输出脉冲的宽度。图3中, 根据多次实验, NE555P的输出脉冲的暂稳态时间设为0.1s是比较合适的, 代入公式1。

其中, RT——R4;

CT——C3;

Td——脉冲暂稳态时间;

考虑元器件的稳定性和成熟度, 设计选用10μF电容为C3, 10kΩ电阻为R4。

当有物体进入光电感应探测区, 阻断光电感应探头接收光源时, 光电感应电路输出并保持在高电平状态。当物体离开光电感应探测区, 光电感应探头接收到光源时, 光电感应电路输出并保持在低电平状态。因此, 光电感应电路输出波形的脉宽是不确定的。为避免这种不规则信号导致无线发射模块的误触发, 系统设计采用RC微分电路, 置于单稳态触发电路前端。RC微分电路计算公式2:

其中, Uo——微分输出电压

Ui——微分输入电压

R——R2

C——C1

该系统光电感应电路的响应时间约为10-4s。代入公式2中, R2和C1值分别为:

(2) 无线接收模块信号处理电路

信号处理电路将无线接收模块输出的电信号进行转化后, 传输给中央控制系统。无线发射/接收电路产生的信号为高频信号, 系统在接收模块的输出端配置一组外围电路。通过外围电路发光二极管的状态, 可判断无线信号是否正常接受。信号处理电路如图4。

四、结语

该项目以汽车道路试验相关国家标准为依据, 设计了一套汽车无线传输道路测速系统。该系统设计采用无线信号传输和无线信号处理电路, 解决了汽车路试对测试场地要求较高的问题。

矿井小车测速及报警系统 篇4

由于矿井车轨的设计不可避免的出现弯道, 如果不及时的向工作在弯道另一端的工作人员反馈有无矿井小车过来的情况, 就可能出现事故。本检测及报警系统就是为了避免矿井中此类事故的发生设计的, 这也是煤矿安全生产的一个重要环节, 抓好矿井安全工作, 对促进矿井安全生产, 保障职工安全具有重大意义。

2 解决方案

2.1 系统的结构

主要由n对红外发射、接收二极管、信号放大器、T触发器、单片机。

2.2 工作原理

多谐振荡器以一定频率的信号驱动半导体激光二极管, 半导体激光二极管发出的光跨越轨道照射到红外接收二极管。在轨道沿路安装适当数目的红外发射、接收二极管, 它们输出的结果经过放大器放大再通过“或门”最后送到T触发器, T触发器的输出信号输入单片机的INT1口, 用于进行脉冲检测, 单片机对信号处理后通过驱动电路驱动声光报警器和显示器件工作。

具体的工作过程如下:如图二为轨道及传感器位置示意图, 每对传感器的间距是已知的, 且必须大于车身长, 当小车通过轨道必定会遮挡光线, 接收管收不到红外管, 控制它的输出电路

输出高电平, 由于每对元件的输出都接入或门中, 所以无论是哪一对元件输出高电平都会触发T触发器的输出翻转 (低电平时保持, 因此车身长不会影响结果) , 这样当有小车经过时, T触发器就连续输出实时脉冲, 输送到单片机中的INT1端口, 高电平时开始计时, 低电平时停止计时, 通过记录TH1, TL1的值可以知道脉冲的持续时间了, 继而就可知小车速度了。由于每隔两对元件测量脉冲宽度一次, 因此可以近似的得到实时的车速并显示出来。如图三为脉宽检测示意图。

为了提高抗干扰能力, 连续计算三个脉冲的宽度并求平均速度, 通过比较电路与给定值比较, 速度高于给定的值才驱动声光报警器报警。

3 检测与转换电路 (硬件部分)

如图四为其中一对传感器的检测电路, 当红外接收管接收不到信号时输出高电平。

再把N对传感器的输出经过放大器接入或门中, 如图五所示。

然后把Q端输入单片机的INT1端, 最后把P1.0、P1.1送到驱动电路, 驱动电路及报警电路。P0口用于传送显示数据。

4 结论和存在问题

利用半导体激光二极管 (红外波段的) 、光敏二极管以及单片机检测矿井弯道处有无小车通过, 并检测出小车的速度, 在弯道的另一端向工作人员进行声光报警, 速度的实时显示。有效的防止了危险事故的发生, 对矿井的安全生产、运输及工作人员的人身安全有重要的意义。

但系统也有不完善的地方, 如;第一, 光敏元件一直处于工作状态, 同时上拉电阻也会消耗一定的能量, 不能做到非常节能。只能人为的设置系统的开通与关断。第二, 此系统只能相隔两个元件产生一个脉冲, 而且相邻元件的间距必须大于车身长度, 因此不能得到小车的准确的实时车速, 当有几节小车连在一起时很难满足测量条件, 因此只能增大元件间距, 这样准确度就降低了。当然, 此系统稍作改进还可以用于高速公路检测车辆的速度, 一旦超速, 便驱动摄像机拍摄车牌, 这也是不错的应用。

摘要：介绍了利用半导体激光二极管 (红外波段的) 、光敏二极管以及单片机检测矿井弯道处有无小车通过, 并检测出小车的速度, 在弯道的另一端向工作人员进行声光报警, 速度的实时显示。

关键词：半导体激光二极管,光敏二极管,T触发器、单片机,脉冲宽度检测

参考文献

[1]何宏, 等, 单片机原理与接口技术。北京:国防工业出版社, 2006。

[2]张毅刚, 等, 单片机原理与应用设计。黑龙江:哈尔滨工业大学出版社, 2008。