采用衛(wèi)星定位與傳感器技術(shù)的智能交通車載信息采集平臺

獲得實時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、驗證平臺。

還可以為我國智能交通系統(tǒng)多功能實驗車的建設和發(fā)展提供強有力的技術(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)的設計和研究。

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)、研究和實驗所必需的環(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證平臺。其主要功能為：實時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傳感器數(shù)據(jù)進行離線處理，從而驗證各種多傳感器信息融合算法，并比較各個算法的優(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行分析，研究其駕駛行為特性。

本設計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接口設備和車載計算機三個部分。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位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，可以在多操作系統(tǒng)下運行。整個數(shù)據(jù)采集平臺的軟件設計采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設計思想，其中又包括了許多功能模塊。實時控制部分模塊包括I/O接口設備初始化模塊、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)硬件的設計

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

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進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

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輸入計算機完成時間和位置信息的提取，加速度計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)換輸入計算機，從而計算出車輛的加速度、速度、位置和姿態(tài)角等信息。

加速度計是慣性測量單元中一個關(guān)鍵性元件，它是用來測量運動車輛相對慣性坐標系運動的。加速度在載體坐標系的分量經(jīng)過捷聯(lián)矩陣變換到沿地理坐標系的分量，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，加速度計也不斷發(fā)展完善。

ADI公司的ADXL202EA屬于微機械加速度計，以集成電路工藝和微加工工藝為基礎，其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成且過載能力強。

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)組合成造價低廉的微型組合導航系統(tǒng)，這是一個發(fā)展方向。在這樣的組合導航系統(tǒng)中，陀螺儀和GPS相互取長補短，組合導航系統(tǒng)的長期精度由誤差不隨時間積累的GPS來保證，當短時間失去GPS信號時，由微慣性元件提供運動的動態(tài)參數(shù)和狀態(tài)信息，而GPS正常工作時微慣性元件利用GPS信息進行校正，以提高精度，因此本系統(tǒng)采用微機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提供了一個緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進行單/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)軟件設計

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

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接收機傳送到計算機中進行信息提取處理。GPS接收機只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地把接收并計算出的GPS導航定位信息通過串口傳送到計算機中，從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存。在沒有進一步處理之前，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€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)設置，包括串口號、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位、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串口，即硬件電路是否正常。如果正常，則讀串口數(shù)據(jù)。

慣性測量單元通過數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進入計算機的程序流程圖如圖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)，進行初始對準、解算捷聯(lián)矩陣初值，然后進行捷聯(lián)矩陣更新，得到地理坐標系相對于慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)角度，考慮到陀螺的角速度輸出，就可以計算出載體坐標系和地理坐標系之間的方向余弦矩陣。通過這個方向余弦矩陣的分解，便可以將加速度計的輸出變?yōu)檩d體沿地理坐標系的加速度分量。然后，利用加速度的一般表達式，對有害加速度進行補償，就得到載體沿地面的運動加速度；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。

結(jié)束語

智能交通車載信息采集系統(tǒng)的實現(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，獲得實時可靠的交通信息。將虛擬儀器技術(shù)應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)展的需要進行功能擴展。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)實的意義。