車(chē)輛行駛跑偏量在線(xiàn)測(cè)量研究*

周興林，伍 洋，呂文莎，尹皓暉

(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

車(chē)輛行駛跑偏量在線(xiàn)測(cè)量研究*

周興林，伍 洋，呂文莎，尹皓暉

(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

為解決車(chē)輛行駛跑偏量檢測(cè)的全天候高精度測(cè)量問(wèn)題，提出了一種利用衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)進(jìn)行車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量的方法。將移動(dòng)站接收機(jī)置于待測(cè)車(chē)輛上實(shí)時(shí)接收車(chē)輛軌跡坐標(biāo)，構(gòu)建車(chē)輛行駛跑偏軌跡模型并計(jì)算跑偏參數(shù)，同時(shí)采用小波變換對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波處理，削弱了多路徑效應(yīng)的干擾，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的精度。通過(guò)兩臺(tái)移動(dòng)站接收機(jī)同時(shí)測(cè)量同一車(chē)輛的對(duì)比試驗(yàn)證明該方法可以快速、有效地進(jìn)行跑偏量檢測(cè)，且測(cè)試精度高，可實(shí)現(xiàn)全天候測(cè)試。

車(chē)輛工程；車(chē)輛行駛跑偏；小波濾波；RTK；測(cè)量模型；測(cè)量系統(tǒng)

車(chē)輛行駛跑偏是指車(chē)輛在平坦路面上高速直線(xiàn)行駛時(shí)，當(dāng)手松開(kāi)方向盤(pán)后，車(chē)輛方向出現(xiàn)向左或向右偏移的現(xiàn)象。造成車(chē)輛行駛跑偏的原因有很多，常見(jiàn)的原因有兩側(cè)輪胎氣壓不等、胎面花紋磨損程度不一樣、懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)有問(wèn)題或懸掛受傷、變形、移位等。車(chē)輛的行駛跑偏輕則引起駕駛員駕駛疲勞，造成車(chē)胎磨損，嚴(yán)重地則會(huì)引發(fā)交通事故，因此有必要研究一套完善的車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量系統(tǒng)。

目前車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量的方法相對(duì)較多，常見(jiàn)的有CCD相機(jī)[1]、光纖傳感器[2]、激光[3]、GPS檢測(cè)法[4]和傳統(tǒng)檢測(cè)法。但是由于CCD相機(jī)標(biāo)定復(fù)雜，光纖傳感器的安裝和維護(hù)比較困難，激光檢測(cè)法還處于理論研究階段，這幾種方法都未能推廣使用。國(guó)內(nèi)大部分汽車(chē)廠家和汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)都有自己的跑偏量測(cè)量方法：如廣汽集團(tuán)利用V-box進(jìn)行檢測(cè)、襄陽(yáng)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)用陀螺儀進(jìn)行檢測(cè)等。綜合分析各汽車(chē)廠家和試驗(yàn)場(chǎng)的檢測(cè)方法，最為廣泛使用的是GPS檢測(cè)法[5-7]和傳統(tǒng)檢測(cè)法。傳統(tǒng)檢測(cè)法檢測(cè)精度低，受操作人員主觀因素影響較大，而傳統(tǒng)的GPS檢測(cè)法的檢測(cè)精度也相對(duì)較低。

筆者在已有GPS檢測(cè)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出RTK(real time kinematic)檢測(cè)法，該方法具有安裝維護(hù)方便、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，且受環(huán)境影響小，可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛行駛跑偏量的全天候高精度檢測(cè)。

1 RTK工作原理及主要誤差

RTK即衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，是以載波相位觀測(cè)為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，RTK系統(tǒng)一般由基準(zhǔn)站、移動(dòng)站和數(shù)據(jù)鏈3部分組成，其原理是在已知點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)站信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成差分算法，以消除衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層折射等誤差，進(jìn)而得到測(cè)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的三維定位結(jié)果。

RTK用于車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量時(shí)，基線(xiàn)不會(huì)布置太長(zhǎng)，與衛(wèi)星、大氣層和接收機(jī)相關(guān)的誤差在差分計(jì)算的時(shí)候可認(rèn)為基本消除，但多路徑效應(yīng)等誤差則不能通過(guò)差分算法消除，從而成為跑偏量測(cè)量誤差的主要來(lái)源。多路徑效應(yīng)[8]是指衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)其他物體的反射或折射到達(dá)衛(wèi)星接收天線(xiàn)，并對(duì)直接到達(dá)的衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響碼和相位測(cè)量，從而降低定位精度。目前國(guó)內(nèi)外已有許多削弱多路徑效應(yīng)的方法，如選擇較好的衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)，避開(kāi)強(qiáng)反射面和射頻干擾源、選擇扼流天線(xiàn)、采取窄相關(guān)技術(shù)以及自適應(yīng)濾波等數(shù)據(jù)后處理方法，為減小車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量誤差，系統(tǒng)采用的是小波濾波[9]的方法。

2 測(cè)量系統(tǒng)的建模與計(jì)算

車(chē)輛行駛跑偏測(cè)量模型如圖1。圖1中：測(cè)試道路旁架設(shè)RTK基準(zhǔn)站1，基準(zhǔn)站接收一段時(shí)間的衛(wèi)星觀測(cè)值并求取平均值作為基準(zhǔn)站參考坐標(biāo)，將RTK移動(dòng)站3固定在待測(cè)車(chē)輛2的頂部，駕駛員從A點(diǎn)沿著道路中心線(xiàn)將車(chē)輛加速至待測(cè)速度V后松開(kāi)方向盤(pán)保持速度V進(jìn)行跑偏測(cè)試，直至駛出檢測(cè)區(qū)域，RTK移動(dòng)站記錄整個(gè)過(guò)程中車(chē)輛的坐標(biāo)、方向和速度，通過(guò)分析車(chē)輛行駛跑偏軌跡即可得到車(chē)輛的百米跑偏量和百米跑偏角。

圖1 車(chē)輛行駛跑偏測(cè)量模型Fig.1 Vehicle driving deviation measurement model

2.1 小波濾波算法

信號(hào)f(t)的小波變換[10]如式(1)：

(1)

式中：a、b分別為尺度因子和平移因子；Ψ[(t﹣b)/a]為小波基函數(shù)。

在離散小波變換中，常用的離散方法是將a按冪級(jí)數(shù)離散，b在尺度內(nèi)均勻離散，一般取a=2m，b=n2m。

f(t)的離散小波以?xún)?nèi)積的形式給出，如式(2)：

dm，n=〈ψn，m(t)，f(t)〉

(2)

由式(2)得到離散小波后，可由式(3)重建f(t)：

(3)

通過(guò)離散小波變換后，1個(gè)信號(hào)可以分解為它的低頻部分和高頻部分。再由式(3)重建信號(hào)后，即可得到濾波后的信號(hào)[11]。

2.2 坐標(biāo)系標(biāo)定及跑偏量計(jì)算

RTK系統(tǒng)檢測(cè)得到的WGS-84坐標(biāo)是以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)，需先將其轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)[12]，再進(jìn)行跑偏量計(jì)算。假設(shè)(xi，yi，zi)和(Xi，Yi，Zi)分別為WGS-84大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，兩坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換由坐標(biāo)原點(diǎn)的位移ΔX、ΔY、ΔZ，坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù)εx、εy、εz和坐標(biāo)軸的尺度參數(shù)λ這幾個(gè)參數(shù)控制，其數(shù)學(xué)模型如式(4)：

(4)

選取檢測(cè)路段起點(diǎn)為空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，道路中心線(xiàn)為x軸，垂直于道路平面方向?yàn)閦軸，在道路中心線(xiàn)上選取3個(gè)點(diǎn)，分別量取其在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，代入式(4)即可求解出各參數(shù)值。

轉(zhuǎn)換后的車(chē)輛行駛軌跡如圖2。曲線(xiàn)AP為加速段，PB為跑偏段；任取PB上距離為100 m的兩點(diǎn)C、D(即EF=100 m)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(XC，YC，ZC)，車(chē)輛在C點(diǎn)的行駛方向與道路中心線(xiàn)之間的夾角為θ1；D點(diǎn)坐標(biāo)為(XD，YD，ZD)，車(chē)輛在D點(diǎn)的行駛方向與道路中心線(xiàn)之間的夾角為θ2，則跑偏參數(shù)如下。

圖2 車(chē)輛行駛軌跡計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of vehicle driving trajectory

被測(cè)車(chē)輛百米行駛跑偏量ΔL(單位：cm)如式(5)：

(5)

被測(cè)車(chē)輛百米行駛跑偏角Δθ如式(6)：

Δθ=θ2-θ1

(6)

3 測(cè)量系統(tǒng)組成

車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量系統(tǒng)硬件組成如圖3。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)通信這3部分。RTK模塊通過(guò)收發(fā)衛(wèi)星信號(hào)采集車(chē)輛軌跡信息，計(jì)算機(jī)用于控制RTK模塊和數(shù)據(jù)處理，無(wú)線(xiàn)電臺(tái)用于RTK基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線(xiàn)AP用于計(jì)算機(jī)和手持終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 系統(tǒng)主要硬件組成Fig.3 Main hardware composition of the system

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)工作流程Fig.4 Work flow chart of detection system

圖4為檢測(cè)系統(tǒng)工作流程。調(diào)試好設(shè)備，利用全站儀在道路中心線(xiàn)上標(biāo)定3個(gè)坐標(biāo)已知的點(diǎn)，并測(cè)量其在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，計(jì)算機(jī)錄入車(chē)輛的VIN碼后向車(chē)輛發(fā)出開(kāi)始測(cè)試的信號(hào)，RTK模塊以固定的頻率采集整個(gè)測(cè)試過(guò)程中車(chē)輛行駛的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)和方向，并將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件算出車(chē)輛的跑偏量、跑偏角后輸出并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)AP將數(shù)據(jù)傳輸給無(wú)線(xiàn)手持終端，若繼續(xù)測(cè)試下一輛車(chē)，則重復(fù)上述步驟。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證該檢測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性，設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)站和兩個(gè)移動(dòng)站，將兩個(gè)移動(dòng)站置于同一待測(cè)車(chē)輛上，檢測(cè)速度為40 km/h，采樣頻率為20 Hz。分別在不同時(shí)段，不同氣候條件下對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行多次跑偏量測(cè)量，計(jì)算所測(cè)百米跑偏量和跑偏角，并對(duì)比結(jié)果以論證研究的可行性和有效性。系統(tǒng)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站均采用NovAtel公司生產(chǎn)的FlexPak6接收機(jī)，基準(zhǔn)站為該公司的GPS-703GGG天線(xiàn)，移動(dòng)站為該公司的42GNSSA-XT-1天線(xiàn)。

4.1 設(shè)備精度檢測(cè)

搭建好整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，準(zhǔn)備一根長(zhǎng)為2 m的滑軌，將移動(dòng)站天線(xiàn)固定在滑軌上，如圖5?；壠街糜诟浇薪ㄖ镎趽醯膱?chǎng)地上(存在多路徑效應(yīng))，往返多次將移動(dòng)站天線(xiàn)從滑軌的一端滑動(dòng)至另一端，分別使用小波濾波法和不使用小波濾波法直接采集10組移動(dòng)站的信號(hào)，結(jié)果如表1，根據(jù)采集的移動(dòng)站天線(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出滑軌長(zhǎng)度并與理論長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證小波濾波法對(duì)多路徑效應(yīng)的消除效果和測(cè)量系統(tǒng)的精度。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)精度驗(yàn)證Fig.5 Precision verification of the measurement system

由表1可看出：小波濾波法所測(cè)均方根誤差小于直接測(cè)量所得均方根誤差，說(shuō)明小波濾波法可以在一定程度上削弱多路徑效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，且系統(tǒng)的測(cè)量誤差在1 cm以?xún)?nèi)。

表1 系統(tǒng)檢測(cè)精度驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Verification results of system detection precision cm

4.2 測(cè)量結(jié)果

調(diào)試好設(shè)備后，將兩個(gè)移動(dòng)站安裝在同一待測(cè)車(chē)輛上并對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行跑偏量測(cè)量，分別在不同的時(shí)段、不同的氣候條件下進(jìn)行跑偏測(cè)試，并使用labview[13]編寫(xiě)計(jì)算程序，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到相關(guān)數(shù)據(jù)(圖6)。并對(duì)100次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，求取兩個(gè)移動(dòng)站的跑偏量差值和跑偏角差值，結(jié)果如圖7。

圖6 車(chē)輛行駛跑偏量記錄Fig.6 Vehicle driving deviation records

圖7 兩接收機(jī)所測(cè)跑偏量和跑偏角差值曲線(xiàn)Fig.7 D-value curve of driving deviation anddriving deviation angle measured by two receivers

由圖7可看出：在100次測(cè)量過(guò)程中兩臺(tái)移動(dòng)站所測(cè)百米跑偏量差值在1 cm以?xún)?nèi)，跑偏角差值在0.1°以?xún)?nèi)，可知該車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且能夠全天候測(cè)量，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)等大批量檢測(cè)的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)跑偏量檢測(cè)精度不高的問(wèn)題，筆者提出了一種利用衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)進(jìn)行車(chē)輛行駛跑偏量測(cè)量的系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于實(shí)際車(chē)輛行駛跑偏量檢測(cè)試驗(yàn)中。小波濾波法的使用消除了由于多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差，提高了測(cè)量的精度。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)跑偏量的全天候測(cè)試，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢測(cè)精度高，可廣泛應(yīng)用于車(chē)輛生產(chǎn)線(xiàn)的檢測(cè)，對(duì)于車(chē)輛跑偏量測(cè)量具有現(xiàn)實(shí)意義，為車(chē)輛跑偏量測(cè)量提供了新的思路。

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On-Line Measurement of Vehicle Driving Deviation

ZHOU Xinglin，WU Yang，LV Wensha，YIN Haohui

(School of Automotive &Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，P. R. China)

In order to solve the all-weather and high precision measurement problem of vehicle driving deviation，a vehicle driving deviation test method based on satellite real-time differential positioning technology was developed. The mobile station receiver was set in the measured vehicle to receive the real-time vehicle trajectory coordinates. The vehicle driving deviation trajectory model was established and the parameters of vehicle driving deviation were calculated. Meanwhile，wavelet transform was used to filter the satellite signal，which weakened the interference of multipath effect and improved the detection precision of the system. Through the comparative test with the same vehicle measured by two mobile station receivers at the same time，it is proved that the proposed method can detect the vehicle driving deviation quickly and effectively，and the test precision is high. Moreover，it can realize all-weather measurement.

vehicle engineering; vehicle driving deviation; wavelet filter; RTK; measurement model; test system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.16

2016-05-17；

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578430)；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)資助項(xiàng)目(20153973-T-339)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFA064)；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BEC055)

周興林(1965—)，男，湖北監(jiān)利人，教授，博士，主要從事交通信息與控制方面的研究。E-mail：zxl65@163.com。

伍 洋(1992—)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事交通信息與控制方面的研究。E-mail：591897764@qq.com。

U467.4

A

1674-0696(2017)12-097-05

劉韜)