專利名稱：城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛無(wú)線定位的智能裝置，尤其是能夠進(jìn)行城市車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)中定位信息的高精度修正的路標(biāo)傳感器。
2.背景技術(shù)隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化、城市化的進(jìn)程，汽車(chē)擁有量與日俱增。汽車(chē)數(shù)目的增加而引起的交通堵塞、意外事故、以及環(huán)境污染等日趨嚴(yán)重。智能運(yùn)輸系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)致力于實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的信息化、智能化和社會(huì)化，可有效解決車(chē)輛堵塞和交通擁擠的狀況，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)作為ITS的核心部分，是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛管理智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是一種集動(dòng)態(tài)交通分配理論、精密傳感器技術(shù)、電子通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)于一體的地面交通管理和運(yùn)輸信息系統(tǒng)，其發(fā)展與應(yīng)用對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
車(chē)輛定位是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的前提和基礎(chǔ)，其精度也是評(píng)價(jià)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，幾乎都是基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)，輔以其他手段，如航位推算(Dead Reckoning，DR)、地圖匹配(Map Matching，MM)等實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的導(dǎo)航定位。對(duì)于一般性的城市，這些方法能夠基本滿足定位精度的要求，但對(duì)于一些現(xiàn)代化、密集型城市，高樓林立、道路狹窄以及立體式的交通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致GPS衛(wèi)星信號(hào)受遮擋或多路徑效應(yīng)的影響，GPS定位精度及可靠性均嚴(yán)重下降；DR系統(tǒng)雖然是一種自主性的不依賴外部信號(hào)的導(dǎo)航方式，但由于傳感器誤差隨時(shí)間積累，因此定位誤差逐漸發(fā)散，難以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立的工作；數(shù)字地圖匹配算法也只有在車(chē)輛拐彎時(shí)才能提供與地圖精度相關(guān)當(dāng)?shù)亩ㄎ恍畔ⅰＲ虼水?dāng)車(chē)輛在城市中行駛，較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法獲得有效的GPS信號(hào)時(shí)，即使有DR、MM輔助，也難以進(jìn)行高精度的導(dǎo)航定位，即存在導(dǎo)航“盲區(qū)”。
3.實(shí)用新型內(nèi)容為了解決城市車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)定位“盲區(qū)”的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)市區(qū)車(chē)輛的全程高精度導(dǎo)航，本實(shí)用新型提供了一種城市用路標(biāo)傳感器，該路標(biāo)能夠利用短距離無(wú)線通訊技術(shù)和定位誤差修正算法實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在“盲區(qū)”的精確定位，有效提高車(chē)載系統(tǒng)定位精度和可靠性。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案中主要利用短距離無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛和路標(biāo)之間的信息通訊，如藍(lán)牙(Bluetooth)通訊技術(shù)或短距離RF(Radio Frequency，射頻)收發(fā)技術(shù)等。
本實(shí)用新型的城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器，包括12V轉(zhuǎn)3V電源轉(zhuǎn)換電路分別連于路標(biāo)控制處理器、短距離無(wú)線通訊模塊和串口TTL電平與232電平轉(zhuǎn)換電路。串口TTL電平與232電平轉(zhuǎn)換電路串行通訊口分別連于路標(biāo)控制處理器和短距離無(wú)線通訊模塊。
本實(shí)用新型的城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器，實(shí)現(xiàn)了城市車(chē)輛的無(wú)“盲區(qū)”精確的定位和導(dǎo)航。
4.
圖1是路標(biāo)傳感器及通訊原理圖。
圖2是路標(biāo)傳感器定位原理圖。
圖3是路標(biāo)傳感器電路原理圖。
圖4是車(chē)載導(dǎo)航單元與路標(biāo)傳感器通訊流程圖。
圖5是路標(biāo)傳感器軟件設(shè)計(jì)流程圖。
5.具體實(shí)施方式
由圖3可知，本城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器電路包括12V→3V電源轉(zhuǎn)換電路、TTL電平→232電平轉(zhuǎn)換電路、路標(biāo)控制處理器和短距離無(wú)線通訊模塊及接口電路。
圖3表明本路標(biāo)傳感器主要包括短距離無(wú)線通訊模塊和控制處理器兩個(gè)主要器件，具體型號(hào)選取及說(shuō)明如下(1)短距離無(wú)線通訊模塊目前短距離無(wú)線通訊模塊有很多種，如常用的藍(lán)牙通訊模塊和RF收發(fā)模塊等，但路標(biāo)構(gòu)造原理和誤差修正算法相同。本說(shuō)明書(shū)以藍(lán)牙模塊為例進(jìn)行研究，模塊選用全球最大藍(lán)牙芯片供應(yīng)商-英國(guó)CSR公司新型BCM-05芯片組，集成了射頻、基帶以及可運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧和上層應(yīng)用程序的處理器，體積更加小巧(40mm×18mm×2.8mm)，工作電壓為2.7V-3.6V，UART串行口通訊，有效可視通訊距離為100m；(2)控制處理器選用CYGNAL公司8051F021型單片機(jī)作為控制處理器，此單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。由于它本身含兩路UART口，可滿足路標(biāo)系統(tǒng)的要求，芯片上有32位數(shù)字I/O口，工作電壓3.3V。
由于藍(lán)牙模塊通訊串口采用標(biāo)準(zhǔn)232電平，與處理器TTL電平不匹配，因此電路中設(shè)計(jì)了TTL電平和232電平轉(zhuǎn)換電路。
(3)短距離無(wú)線定位技術(shù)及工作原理本實(shí)用新型主要利用短距離無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛高精度的定位誤差修正。下文以實(shí)施例中應(yīng)用的藍(lán)牙通訊技術(shù)為例，介紹路標(biāo)傳感器工作原理。
藍(lán)牙技術(shù)是一種開(kāi)放性的、短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)通過(guò)無(wú)線連接方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，分主模塊和從模塊兩種。藍(lán)牙主模塊被嵌入到路標(biāo)傳感器中并布置于城市導(dǎo)航“盲區(qū)”道路附近，車(chē)載單元?jiǎng)t集成從藍(lán)牙模塊。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)胨{(lán)牙路標(biāo)通訊范圍后，通過(guò)無(wú)線鏈路的建立、通訊握手和數(shù)據(jù)交換，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)可獲得路標(biāo)傳感器提供的當(dāng)前精確的位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)“盲區(qū)”定位誤差的修正。路標(biāo)方案設(shè)計(jì)原理如圖1所示。
其次，路標(biāo)在城市中使用時(shí)信號(hào)易受遮擋和干擾等，通常選用有效距離為100m的藍(lán)牙通訊模塊以確保通訊建鏈的可靠性。假設(shè)圖2中P點(diǎn)布置有一個(gè)藍(lán)牙路標(biāo)，設(shè)P點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，y0)，該藍(lán)牙模塊作用范圍為半徑R的圓?，F(xiàn)有一車(chē)以速度v向前行駛，當(dāng)車(chē)駛至藍(lán)牙路標(biāo)的有效作用區(qū)域(A點(diǎn))時(shí)，兩模塊間開(kāi)始試圖建立通訊，直至車(chē)行駛到B點(diǎn)時(shí)通訊建立完畢，車(chē)輛獲得了P點(diǎn)的坐標(biāo)值(x0，y0)。如果用P點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)修正車(chē)輛的導(dǎo)航定位，則必然會(huì)帶來(lái)一定的誤差，應(yīng)該用B點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)修正車(chē)輛的位置信息才是正確的，為此本實(shí)用新型融入路標(biāo)定位誤差修正算法，以提高路標(biāo)定位的精度，下面對(duì)本實(shí)用新型重點(diǎn)需要保護(hù)的路標(biāo)定位誤差修正算法進(jìn)行介紹。
設(shè)B點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)為(x，y)，由圖2中幾何關(guān)系可以得到x=x0-R2-b2+vty=y0-b---(1)]]>上式中，t表示從A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)的時(shí)間，也即藍(lán)牙模塊建立通訊的時(shí)間；b表示汽車(chē)離BB的垂直距離。
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)載設(shè)備和藍(lán)牙模塊建立通訊的時(shí)間約為2～3s，計(jì)算時(shí)可取時(shí)間為2.5s。上式中P點(diǎn)坐標(biāo)x0、y0以及道路寬都可以由藍(lán)牙模塊發(fā)送給車(chē)載設(shè)備，則車(chē)載設(shè)備可以計(jì)算得到第一次建立通訊時(shí)自己的真實(shí)坐標(biāo)。
由于車(chē)輛行駛中可能沿著道路的內(nèi)側(cè)(慢車(chē)道)或外側(cè)(快車(chē)道)行駛，公式(1)中，b的取值難以確定。而通訊建立時(shí)間t也不是完全相等的，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)t為2～3s，。因此b、t的取值會(huì)給B點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算帶來(lái)定位誤差。
為了進(jìn)一步分析這個(gè)問(wèn)題，下面首先對(duì)藍(lán)牙路標(biāo)定位誤差修正技術(shù)進(jìn)行研究，假設(shè)在車(chē)載設(shè)備計(jì)算B點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，t取為2.5s，b取為道路寬度a的1/2。也即B點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)為x=x0-R2-(a/2)2+2.5vy=y0-a/2---(2)]]>
而當(dāng)車(chē)輛沿道路內(nèi)側(cè)(慢車(chē)道)或外側(cè)(快車(chē)道)行駛時(shí)，b取值為0～a；通訊時(shí)間t＝2～3s。則B點(diǎn)的最大、最小坐標(biāo)分別為xmax=x0-R2-a2+3v]]>ymax＝y(tǒng)0xmin＝x0-R+2vymin＝y(tǒng)0-a則由式(2)計(jì)算B點(diǎn)坐標(biāo)的最大誤差為Δxmax=max(R2-(a/2)2-R2-a2,R-R2-(a/2)2)+v/2]]>=R2-(a/2)2-R2-a2+v/2---(3)]]>Δymax＝a/2 (4)下面通過(guò)對(duì)誤差建模前后的定位誤差的比較來(lái)進(jìn)行分析。首先在誤差建模后，假設(shè)藍(lán)牙模塊作用范圍R＝100m，道路寬10m。分別應(yīng)用公式(3)和(4)可計(jì)算出對(duì)于以速度50km/h行駛的車(chē)輛，最大誤差為Δxmax＝7.3m，Δymax＝5m；對(duì)于以速度120km/h行駛的車(chē)輛，最大誤差為Δxmax＝17m，Δymax＝5m。x方向誤差與行駛速度有關(guān)，y方向誤差與路寬有關(guān)。如果要求10m的定位精度，則要求車(chē)輛速度最大為70km/h。
如果直接用P點(diǎn)的坐標(biāo)(x0，y0)來(lái)修正車(chē)輛的定位信息，則車(chē)速越慢，定位誤差越大，對(duì)于70km/h行駛的車(chē)輛，最大誤差為Δxmax＝51m，Δymax＝10m；而當(dāng)車(chē)速為120km/h時(shí)，最大誤差為Δxmax＝15m，Δymax＝10m?？梢?jiàn)利用路標(biāo)進(jìn)行定位修正是必要的。
最后是根據(jù)路標(biāo)算法設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，并完成藍(lán)牙通訊和誤差修正。圖4為車(chē)載導(dǎo)航單元與路標(biāo)一次有效通訊的流程圖。
路標(biāo)傳感器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。
通過(guò)上述實(shí)施方式，最終實(shí)現(xiàn)路標(biāo)傳感器能夠通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)和車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)之間的通信，實(shí)現(xiàn)了城市車(chē)輛的無(wú)“盲區(qū)”精確的定位和導(dǎo)航。
權(quán)利要求1.一種城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器，其特征在于，包括12V轉(zhuǎn)為3V電源的轉(zhuǎn)換電路分別連于路標(biāo)控制處理器、短距離無(wú)線通訊模塊和串口TTL電平與232電平轉(zhuǎn)換電路，串口TTL電平與232電平轉(zhuǎn)換電路串行通訊口分別連于路標(biāo)控制處理器和短距離無(wú)線通訊模塊。
專利摘要一種城市車(chē)輛定位路標(biāo)傳感器屬城市車(chē)輛無(wú)線導(dǎo)航定位傳感器，該傳感器由12V→轉(zhuǎn)為3V電源的轉(zhuǎn)換電路、TTL電平→232電平轉(zhuǎn)換電路、路標(biāo)控制處理器和短距離無(wú)線通訊模塊及接口電路組成。該路標(biāo)傳感器能夠應(yīng)用短距離無(wú)線定位誤差修正算法實(shí)現(xiàn)城市車(chē)輛的無(wú)“盲區(qū)”定位和導(dǎo)航，精確可靠。
文檔編號(hào)G01S1/00GK2789726SQ200520071759
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者孫永榮, 劉建業(yè), 陳武, 沈雪松 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 香港理工大學(xué)