新型智能交通車(chē)載信息采集系統的研究(圖)

　　獲得實(shí)時(shí)可靠的交通信息一直是智能交通系統發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，建立智能交通車(chē)載信息采集系統，可以為智能交通系統中駕駛行為特性的研究、交通數據采集、現場(chǎng)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多功能實(shí)驗車(chē)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(chē)載信息采集系統的設計和研究。

　　智能交通車(chē)載信息采集平臺主要是采用衛星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)和數據采集技術(shù)，建立智能交通系統相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)、研究和實(shí)驗所必需的環(huán)境，為智能交通系統中駕駛行為特性研究、交通數據采集和現場(chǎng)測試提供良好的輔助測試和驗證平臺。其主要功能為：實(shí)時(shí)同步采集各種車(chē)載傳感器數據，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)傳感器數據進(jìn)行離線(xiàn)處理，從而驗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果可以用來(lái)改善定位系統的精度，提高系統可靠性，通過(guò)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。

　　本設計的智能交通車(chē)載信息采集平臺的硬件主要包括各種車(chē)載傳感器、I/O接口設備和車(chē)載計算機三個(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(kāi)發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺，可以在多操作系統下運行。整個(gè)數據采集平臺的軟件設計采用了模塊化、結構化的設計思想，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接口設備初始化模塊、數據采集模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊和移動(dòng)檢測模塊、數據讀取模塊和多傳感器信息融合模塊。

　　系統硬件的設計

　　本系統硬件由GPS OEM板、MicroGyro100雙軸陀螺儀、ADXL202EA雙軸加速計、SCC信號調理模塊、數據采集卡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信號調理后，利用DAQpad-6015進(jìn)行數據采集。系統結構框圖如1所示。

　　圖1 系統結構框圖

　　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，統一選取輸出5V的電源作為供電電源。GPS ITrax02輸出的數據通過(guò)RS232輸入計算機完成時(shí)間和位置信息的提取，加速度計與陀螺儀信號通過(guò)信號調理電路SCC完成放大與隔離，再利用DAQpad-6015完成A/D轉換輸入計算機，從而計算出車(chē)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(gè)關(guān)鍵性元件，它是用來(lái)測量運動(dòng)車(chē)輛相對慣性坐標系運動(dòng)的。加速度在載體坐標系的分量經(jīng)過(guò)捷聯(lián)矩陣變換到沿地理坐標系的分量，再經(jīng)過(guò)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(zhù)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(guò)載能力強。

　　盡管中、低精度陀螺不能滿(mǎn)足慣性測量系統的要求，但可以同全球衛星定位系統組合成造價(jià)低廉的微型組合導航系統，這是一個(gè)發(fā)展方向。在這樣的組合導航系統中，陀螺儀和GPS相互取長(cháng)補短，組合導航系統的長(cháng)期精度由誤差不隨時(shí)間積累的GPS來(lái)保證，當短時(shí)間失去GPS信號時(shí)，由微慣性元件提供運動(dòng)的動(dòng)態(tài)參數和狀態(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，因此本系統采用微機械陀螺儀作為車(chē)載傳感器。

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

　　本系統選用的數據采集卡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，該器件還具有內置的螺紋終端連接，不必額外購置線(xiàn)纜和接線(xiàn)塊。

　　系統軟件設計

　　本系統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據采集與處理模塊的軟件設計。

　　通常GPS定位信息接收系統主要由GPS接收天線(xiàn)、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定位信息內容較少，因此多用RS-232串口將定位信息（NEMA0183語(yǔ)句）從GPS接收機傳送到計算機中進(jìn)行信息提取處理。GPS接收機只要處于工作狀態(tài)就會(huì )源源不斷地把接收并計算出的GPS導航定位信息通過(guò)串口傳送到計算機中，從串口接收數據并將其放置于緩存。在沒(méi)有進(jìn)一步處理之前，緩存中是一長(cháng)串字節流，這些信息在沒(méi)有經(jīng)過(guò)分類(lèi)提取之前是無(wú)法加以利用的，因此，必須通過(guò)程序將各個(gè)字段的信息從緩存字節流中提取出來(lái)，將其轉化成有實(shí)際意義的、可供高層決策使用的定位信息數據。同其他通信協(xié)議類(lèi)似，根據幀結構利用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設置，包括串口號、數據位、停止位、奇偶校驗位、數據流量控制和波特率等。根據串口緩沖區中的字符數來(lái)判斷信號是否到達串口，即硬件電路是否正常。如果正常，則讀串口數據。

　　圖2 串口信息讀取的流程圖

　　慣性測量單元通過(guò)數據采集卡采集的數據進(jìn)入計算機的程序流程圖如圖3所示，首先從數據采集卡讀入慣性測量單元采集的數據，進(jìn)行初始對準、解算捷聯(lián)矩陣初值，然后進(jìn)行捷聯(lián)矩陣更新，得到地理坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角度，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(guò)這個(gè)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(jìn)行補償，就得到載體沿地面的運動(dòng)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(guò)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(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

　　結束語(yǔ)

　　智能交通車(chē)載信息采集系統的實(shí)現，大大加快了智能交通系統相關(guān)技術(shù)的研究和開(kāi)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)應用于智能交通車(chē)載信息采集系統，不僅可以滿(mǎn)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技術(shù)發(fā)展的需要進(jìn)行功能擴展。所以，對于發(fā)展迅速的智能交通技術(shù)來(lái)說(shuō)，這種基于虛擬儀器技術(shù)的信息采集系統具有十分現實(shí)的意義。