基于速度修正模型的車輛行駛跑偏量誤差分析

趙顯新　李明忠　周興林　李俊

摘要：為實(shí)現(xiàn)車輛行駛跑偏量的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量，針對(duì)測(cè)量誤差大、重復(fù)性低的問(wèn)題，運(yùn)用GPS-RTK（衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位）技術(shù)進(jìn)行車輛行駛跑偏量測(cè)量，將移動(dòng)站接收機(jī)置于待測(cè)車輛上實(shí)時(shí)接收車輛位置信息，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)計(jì)算跑偏量，同時(shí)建立車輛速度波動(dòng)誤差修正模型，將修正后的結(jié)果與傳統(tǒng)陀螺儀檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：車速的波動(dòng)是導(dǎo)致車輛行駛跑偏量測(cè)量誤差大、重復(fù)性低的主要因素，通過(guò)車輛速度波動(dòng)修正模型修正后的百米跑偏量結(jié)果誤差<5cm，且離散程度明顯減小，提高檢測(cè)的可重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)車輛行駛跑偏量的高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：車輛工程；車輛行駛跑偏；衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位；速度修正模型；誤差分析

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0016-04

0引言

GB 7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中第6.7條對(duì)車輛行駛跑偏給出了定性的規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在平坦、硬實(shí)、干燥和清潔的道路上行駛不應(yīng)跑偏，其方向盤(pán)（或方向把）不應(yīng)有擺振、路感不靈或其他異?，F(xiàn)象。而在即將修訂的版本中，GB 7258-2012將對(duì)車輛的行駛跑偏量給出定量的規(guī)定，因此對(duì)車輛行駛跑偏量檢測(cè)的精度和重復(fù)性要求極高。

目前車輛行駛跑偏量檢測(cè)的方法相對(duì)較多，常見(jiàn)的有機(jī)器視覺(jué)、光纖傳感器、激光掃描和測(cè)距、GPS檢測(cè)法和傳統(tǒng)的陀螺儀檢測(cè)，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，并且這5種方法都不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。廣泛使用的主要是GPS檢測(cè)法和陀螺儀，而單純的GPS測(cè)量誤差可達(dá)5～10m，陀螺儀安裝十分復(fù)雜，不適合流水線式檢測(cè)。在已有的GPS檢測(cè)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出RTK（real timekinematic）檢測(cè)方法，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)車輛行駛跑偏量的全天候高精度流水線式實(shí)時(shí)檢測(cè)。

由于采用GPS-RTK技術(shù)檢測(cè)車輛行駛跑偏對(duì)試驗(yàn)精度要求較高，采樣頻率高達(dá)20hz，文中針對(duì)衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)測(cè)量結(jié)果誤差大、重復(fù)性低的問(wèn)題，提出了控制該誤差的方法。

1車輛跑偏檢測(cè)原理及方法

1.1GPS-RTK系統(tǒng)的基本原理

GPS-RTK系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站兩部分組成，基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)試道路旁的固定位置，基準(zhǔn)站接收機(jī)通過(guò)輸入一個(gè)高精度的已知坐標(biāo)值，完成基準(zhǔn)站接收機(jī)模式初始化和定位解算，基準(zhǔn)站接收機(jī)在完成定位解算后，會(huì)根據(jù)這個(gè)已知坐標(biāo)值實(shí)時(shí)解算出偽距修正量、載波修正量、坐標(biāo)修正量的差分改正數(shù)，并通過(guò)串口輸出差分改正數(shù)，移動(dòng)站主機(jī)內(nèi)置電臺(tái)接收到所述差分改正數(shù)，并發(fā)送到移動(dòng)站主機(jī)，移動(dòng)站主機(jī)安裝在被測(cè)車輛上，實(shí)時(shí)進(jìn)行移動(dòng)站主機(jī)的位置、速度和時(shí)間解算，在接收到基準(zhǔn)站接收機(jī)發(fā)送的差分改正數(shù)后，實(shí)時(shí)對(duì)移動(dòng)站主機(jī)的位置、速度和時(shí)間解算結(jié)果進(jìn)行修正，以達(dá)到高精度相對(duì)于基準(zhǔn)站的位置差分，獲得高精度移動(dòng)站主機(jī)坐標(biāo)。在40km范圍內(nèi)，衛(wèi)星差分定位技術(shù)的精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

1.2車輛行駛跑偏檢測(cè)方法

GPS-RTK系統(tǒng)檢測(cè)方法如圖1所示，首先在檢測(cè)路段邊架設(shè)RTK基準(zhǔn)站及基準(zhǔn)站電臺(tái)，當(dāng)被測(cè)車輛進(jìn)入到待測(cè)區(qū)時(shí)，將移動(dòng)站接收機(jī)固定在被測(cè)車輛上，并將便攜式計(jì)算機(jī)以及無(wú)線AP放置在待測(cè)車輛內(nèi)，啟動(dòng)工作電源，等待1-2min讓GPS接收機(jī)鎖定衛(wèi)星，保證至少能夠接收到5-12顆衛(wèi)星信號(hào)以確保檢測(cè)的順利完成。被測(cè)車輛在測(cè)試準(zhǔn)備區(qū)沿道路中心線加速到待測(cè)速度（待測(cè)速度參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)），進(jìn)入跑偏測(cè)試區(qū)后駕駛員不對(duì)方向盤(pán)施加任何外力讓車輛保持速度自由行駛至測(cè)試區(qū)終點(diǎn)。便攜式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收移動(dòng)站采集的車輛行駛軌跡點(diǎn)。計(jì)算機(jī)通過(guò)分析車輛各軌跡點(diǎn)處的速度、位置和方向等信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到車輛的百米行駛跑偏量和跑偏角并在顯示器中顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)AP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖纸K端。

1.3跑偏量的計(jì)算

計(jì)算機(jī)接收到移動(dòng)站發(fā)送的車輛各檢測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，記各檢測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)依次為（X₀，Y₀），（X₁，Y₁），（X₂，Y₂），…，（X_n，Y_n），對(duì)應(yīng)的車速依次為V₀，V₁，V₂，…，V_n，對(duì)應(yīng)的航向角為θ₀，θ₁，θ₂，…，θ₀，記GPS接收機(jī)采樣頻率為f，則接收信號(hào)的時(shí)間間隔為△T，被測(cè)車輛在△T內(nèi)的跑偏角依次為△θ₁=θ₁-θ₀，△θ₂=θ₂-θ₁，…，△θ_n=θ_n-θ_n-1，被測(cè)車輛單位時(shí)間內(nèi)的跑偏量△L由下式求得：

2誤差分析

大量的試驗(yàn)表明同一車輛行駛跑偏的測(cè)量結(jié)果具有一定的離散性，存在一定的誤差，以東風(fēng)某一乘用車型為例，試驗(yàn)車上安裝有GPS-RTK檢測(cè)系統(tǒng)和陀螺儀。在某一路面平整且縱向坡度不超過(guò)0.10%、橫向坡度不超過(guò)0.50%的汽車試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行跑偏測(cè)試。

分別計(jì)算10組同向且車速為60km/h的百米跑偏量，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖2所示，GPS-RTK系統(tǒng)的跑偏量試驗(yàn)結(jié)果在50～70cm范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度最大可達(dá)11.5cm，而陀螺儀檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果集中在50cm上下，波動(dòng)幅度很小，兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)GPS-RTK系統(tǒng)與陀螺儀的跑偏測(cè)試結(jié)果最大相差20.8cm，由此可見(jiàn)采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行車輛行駛跑偏量的檢測(cè)存在測(cè)試結(jié)果誤差大、重復(fù)性低等問(wèn)題。

2.1速度修正模型的建立

由于車輛在行駛過(guò)程中，車速一直處于波動(dòng)狀態(tài)而無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到規(guī)定速度，且大量試驗(yàn)表明在進(jìn)行跑偏量試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)車輛跑偏較嚴(yán)重時(shí)，駕駛員由于不能對(duì)方向盤(pán)施加外力，總是會(huì)無(wú)意識(shí)地松開(kāi)油門(mén)導(dǎo)致車速遠(yuǎn)低于待測(cè)車速，通過(guò)分析跑偏試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境、駕駛員操作以及車輛自身狀態(tài)等因素發(fā)現(xiàn)車速是導(dǎo)致車輛行駛跑偏量測(cè)量重復(fù)性低的主要因素，因此有必要研究跑偏量測(cè)量試驗(yàn)中車速的修正算法。

2.3修正算法驗(yàn)證試驗(yàn)

東風(fēng)某一乘用車型以60km/h的速度在給定的跑偏量測(cè)量路段進(jìn)行10次單向跑偏量測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)的過(guò)程中盡量保證相同的車型在不同次測(cè)量過(guò)程中的環(huán)境及操作人員相同，分別計(jì)算車速修正前后車輛行駛跑偏量，表1為速度修正前后的行駛跑偏量試驗(yàn)結(jié)果，由表可以看出，同種車型不同次測(cè)量所得車輛百米行駛跑偏量相差較大，與陀螺儀的檢測(cè)結(jié)果相差可達(dá)20cm，經(jīng)速度波動(dòng)修正后的試驗(yàn)結(jié)果均方根誤差由3.711減小為0.879，說(shuō)明速度波動(dòng)修正可以在一定程度上減少速度波動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，且相對(duì)于陀螺儀的測(cè)量誤差在5cm以內(nèi)。

由此證明，速度的波動(dòng)是影響GPS-RTK系統(tǒng)跑偏量測(cè)試結(jié)果的重要因素。通過(guò)速度修正模型對(duì)車速進(jìn)行修正后，大大減小了多次測(cè)量中車輛百米行駛跑偏量的離散程度，同時(shí)試驗(yàn)誤差得到了有效控制，在一定程度上提高了跑偏量檢測(cè)的可重復(fù)性。驗(yàn)證了該修正模型的有效性。

3結(jié)束語(yǔ)

1）采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行車輛行駛跑偏量的檢測(cè)，克服了傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)檢測(cè)精度低、誤差大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)車輛行駛跑偏量的全天候高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明車速的波動(dòng)是GPS-RTK系統(tǒng)中車輛行駛跑偏量結(jié)果誤差的主要來(lái)源，同時(shí)也是導(dǎo)致測(cè)量重復(fù)性低的主要因素。

3）通過(guò)建立速度波動(dòng)誤差修正模型，減小了多次測(cè)量中車輛百米行駛跑偏量的離散程度，提高了跑偏量檢測(cè)的可重復(fù)性。修正后的結(jié)果趨于穩(wěn)定并且誤差在5cm內(nèi)。