新型智能交通車載信息采集系統(tǒng)的研究

獲得實(shí)時(shí)可靠的交通信息一直是智能交通系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題，建立智能交通車載信息采集系統(tǒng)，可以為智能交通系統(tǒng)中駕駛行為特性的研究、交通數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場測試等提供良好的輔助測試、驗(yàn)證平臺，還可以為我國智能交通系統(tǒng)多功能實(shí)驗(yàn)車的建設(shè)和發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文介紹的就是基于虛擬儀器技術(shù)的智能交通車載信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

智能交通車載信息采集平臺主要是采用衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，建立智能交通系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)開發(fā)、研究和實(shí)驗(yàn)所必需的環(huán)境，為智能交通系統(tǒng)中駕駛行為特性研究、交通數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場測試提供良好的輔助測試和驗(yàn)證平臺。其主要功能為：實(shí)時(shí)同步采集各種車載傳感器數(shù)據(jù)，并按照一定格式保存這些記錄；采用多種多傳感器信息融合算法對各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，從而驗(yàn)證各種多傳感器信息融合算法，并比較各個(gè)算法的優(yōu)劣；用多傳感器信息融合算法處理后的結(jié)果可以用來改善定位系統(tǒng)的精度，提高系統(tǒng)可靠性，通過對速度和加速度等信息的采集和處理，可以對駕駛員的駕駛行為進(jìn)行分析，研究其駕駛行為特性。

本設(shè)計(jì)的智能交通車載信息采集平臺的硬件主要包括各種車載傳感器、I/O接口設(shè)備和車載計(jì)算機(jī)三個(gè)部分。平臺的軟件使用LabView，它是NI公司利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，可以在多操作系統(tǒng)下運(yùn)行。整個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，其中又包括了許多功能模塊。實(shí)時(shí)控制部分模塊包括I/O接口設(shè)備初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和移動檢測模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊和多傳感器信息融合模塊。

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由GPS OEM板、MicroGyro100雙軸陀螺儀、ADXL202EA雙軸加速計(jì)、SCC信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡DAQPad-6015和計(jì)算機(jī)等組成。

GPS ITrax02直接連接到PC的串口，ADXL202EA、MicroGyro100經(jīng)SCC信號調(diào)理后，利用DAQpad-6015進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

GPS供電電壓范圍是3.4～6V，ADXL202EA供電電壓范圍是3～ 5.25V，陀螺儀供電電壓范圍是2.2～ 5.5V，因此，統(tǒng)一選取輸出5V的電源作為供電電源。GPS ITrax02輸出的數(shù)據(jù)通過RS232輸入計(jì)算機(jī)完成時(shí)間和位置信息的提取，加速度計(jì)與陀螺儀信號通過信號調(diào)理電路SCC完成放大與隔離，再利用DAQpad-6015完成A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)，從而計(jì)算出車輛的加速度、速度、位置和姿態(tài)角等信息。

加速度計(jì)是慣性測量單元中一個(gè)關(guān)鍵性元件，它是用來測量運(yùn)動車輛相對慣性坐標(biāo)系運(yùn)動的。加速度在載體坐標(biāo)系的分量經(jīng)過捷聯(lián)矩陣變換到沿地理坐標(biāo)系的分量，再經(jīng)過一次積分和二次積分就可以分別得到運(yùn)載體的速度和位置。隨著慣性技術(shù)發(fā)展的需求，加速度計(jì)也不斷發(fā)展完善。ADI公司的ADXL202EA屬于微機(jī)械加速度計(jì)，以集成電路工藝和微加工工藝為基礎(chǔ)，其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成且過載能力強(qiáng)。

盡管中、低精度陀螺不能滿足慣性測量系統(tǒng)的要求，但可以同全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)組合成造價(jià)低廉的微型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，這是一個(gè)發(fā)展方向。在這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀和GPS相互取長補(bǔ)短，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的長期精度由誤差不隨時(shí)間積累的GPS來保證，當(dāng)短時(shí)間失去GPS信號時(shí)，由微慣性元件提供運(yùn)動的動態(tài)參數(shù)和狀態(tài)信息，而GPS正常工作時(shí)微慣性元件利用GPS信息進(jìn)行校正，以提高精度，因此本系統(tǒng)采用微機(jī)械陀螺儀作為車載傳感器。

NI公司的SCC模塊是針對基于PC的測量和自動化系統(tǒng)所使用的高度模塊化、低成本的信號調(diào)理系統(tǒng)。SCC提供了一個(gè)緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進(jìn)行單/雙通道信號調(diào)理和連接。

本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡DAQPad-6015是16位精度的NI USB多功能DAQ產(chǎn)品，單通道采樣率高達(dá)200kS/s，該器件還具有內(nèi)置的螺紋終端連接，不必額外購置線纜和接線塊。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括GPS信息獲取模塊的軟件設(shè)計(jì)和慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理模塊的軟件設(shè)計(jì)。

通常GPS定位信息接收系統(tǒng)主要由GPS接收天線、變頻器、信號通道、微處理器、存儲器以及電源等部分組成。由于GPS定位信息內(nèi)容較少，因此多用RS-232串口將定位信息（NEMA0183語句）從GPS接收機(jī)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信息提取處理。GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地把接收并計(jì)算出的GPS導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到計(jì)算機(jī)中，從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存。在沒有進(jìn)一步處理之前，緩存中是一長串字節(jié)流，這些信息在沒有經(jīng)過分類提取之前是無法加以利用的，因此，必須通過程序?qū)⒏鱾€(gè)字段的信息從緩存字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義的、可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。同其他通信協(xié)議類似，根據(jù)幀結(jié)構(gòu)利用LabView完成對RS232串口讀入的GPS定位信息的提取。

串口信息讀取的程序流程圖如圖2所示。串口初始化完成串口參數(shù)設(shè)置，包括串口號、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)流量控制和波特率等。根據(jù)串口緩沖區(qū)中的字符數(shù)來判斷信號是否到達(dá)串口，即硬件電路是否正常。如果正常，則讀串口數(shù)據(jù)。

圖2 串口信息讀取的流程圖

慣性測量單元通過數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的程序流程圖如圖3所示，首先從數(shù)據(jù)采集卡讀入慣性測量單元采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初始對準(zhǔn)、解算捷聯(lián)矩陣初值，然后進(jìn)行捷聯(lián)矩陣更新，得到地理坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，考慮到陀螺的角速度輸出，就可以計(jì)算出載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣。通過這個(gè)方向余弦矩陣的分解，便可以將加速度計(jì)的輸出變?yōu)檩d體沿地理坐標(biāo)系的加速度分量。然后，利用加速度的一般表達(dá)式，對有害加速度進(jìn)行補(bǔ)償，就得到載體沿地面的運(yùn)動加速度；將其積分，就得到南北向、東西向的地速分量Va、Ve。有了地速分量，經(jīng)過相應(yīng)的變換，就得到經(jīng)緯度的變化率；再對其積分，最終就得到載體瞬時(shí)位置的經(jīng)度和緯度。再利用姿態(tài)矩陣的元素，提取姿態(tài)和方向信息。

圖3 慣性測量單元軟件流程圖

結(jié)束語

智能交通車載信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，大大加快了智能交通系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)，改善交通秩序、緩解交通擁擠，獲得實(shí)時(shí)可靠的交通信息。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于智能交通車載信息采集系統(tǒng)，不僅可以滿足目前智能交通中多傳感器信息的采集和融合的要求，最重要的是可以靈活的根據(jù)技術(shù)發(fā)展的需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。所以，對于發(fā)展迅速的智能交通技術(shù)來說，這種基于虛擬儀器技術(shù)的信息采集系統(tǒng)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。