智能交通系統(tǒng)和GPS導航

1、智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)和和GPS導航導航 1 ITS的發(fā)展及基礎(chǔ)技術(shù) 發(fā)起于20世紀90年代，并迅速發(fā)展， 用于研究開發(fā)投入很大。 美國 1990年1997年 129億美元 歐洲 1984年1998年 280億歐元 日本 1996年1997年 161億日元 一、ITS目的效益 利用信息技術(shù)，綜合人、車、路， 系統(tǒng)地管理交通。 美國ITS效益分析（鼓勵公私合作） 交通阻塞降低25-40% 每年 減少交通死亡萬人以上， 減少交通事故600億次。 減少能源消耗和大氣污染。 相關(guān)產(chǎn)品的市場效益200億美元/年。 歐洲目標： 2000年交通死亡事故減少50%， 降低交通對環(huán)境的污染。 日本政府國策 3

2、0年目標： 嚴重交通事故 50% 降低油耗和CO2排量15% 減少NO2排放在空氣中含量30% 消除交通阻塞 投資/收益分析 階段投資（兆元） 收益（兆元） 收益/投資 1995-20001.01.21.2 2001-20053.24.41.37 2006-20153.69.62.67 中國 制定發(fā)展戰(zhàn)略 單項研究：交通信號控制（無序狀態(tài)），高速公路 監(jiān)控，GPS調(diào)度。20世紀末開始研究ITS發(fā)展戰(zhàn)略。 中國中國ITS系統(tǒng)服務功能系統(tǒng)服務功能 名稱功能 交通監(jiān)控與管理交通監(jiān)視、交通控制、城市出入口控制 信息服務路線引導、出行信息、駕駛員信息、旅行信息 安全保障 事故報警及響應、應急支援、安全警

3、報、防撞、 自動駕駛 電子收費 人工、半自動、不停車 運輸管理 快速客貨運服務、電子數(shù)據(jù)交換、運營調(diào)度、 自動調(diào)度、公交服務 二、ITS的主要內(nèi)容 信息服務系統(tǒng) 交通管理系統(tǒng) 公交管理系統(tǒng) 電子收費系統(tǒng) 車輛控制系統(tǒng) 緊急支援系統(tǒng) 三、ITS的基礎(chǔ)技術(shù) 1.計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡相互連接起來的，獨立自治 的計算機群。 將地域上分散且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過 通信設(shè)備和線路按不同的拓撲結(jié)構(gòu)連接起來，能以功能 完善的網(wǎng)絡軟件（網(wǎng)絡協(xié)議、信息交換方式和網(wǎng)絡操作 系統(tǒng)）實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享的系統(tǒng)稱為計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。 廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)共享資源為主要目的，通過網(wǎng)絡操作系統(tǒng)實現(xiàn)。 局域網(wǎng)局域網(wǎng)有限地理范圍內(nèi)信

4、息傳輸通道，部門間共同擁 有。 互連網(wǎng)互連網(wǎng)不同網(wǎng)絡之間的互連（一致的方式，相互之間 交換數(shù)字數(shù)據(jù)）。 2.通訊技術(shù)通訊技術(shù) 固定通訊： 微波：（0.3300GHZ） 光纖：光波為載頻光導纖維為介質(zhì) 衛(wèi)星：做為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號 移動通訊：移動中進行數(shù)據(jù)交換 由移動臺、基地站、交換中心、中繼線等 部分組成。 公用數(shù)據(jù)通訊（通訊網(wǎng)絡） 基礎(chǔ)網(wǎng)絡、信息網(wǎng)絡、增值網(wǎng)絡平臺（電 子信箱等）。 公共移動通信網(wǎng)：數(shù)字無線系統(tǒng)（蜂窩拓撲） 3.傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 感知某一物理量的信息，并將它轉(zhuǎn)化為有 用信息的裝置（非電量電信號） 傳感元件 被測非電量 敏感元件 輔助電路 轉(zhuǎn)換電路 電量 車輛檢測：磁頻

5、波頻 視頻 車輛識別：光 磁 車輛控制：發(fā)動機管理 車輛控制 環(huán)境信息 危險警告 用于： 4.顯示技術(shù)和人工智能顯示技術(shù)和人工智能 大屏幕顯示： LED 發(fā)光二極管、點陣模塊 LCD 液晶顯示器件 人工智能： 用計算機模擬，延伸和擴展的智能。 其中： 智能控制模式控制、知識控制、 專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制。 地面控制站 和網(wǎng)站控制 用戶接收機 選擇信號算出導航解顯示輸出定位 識別：長、寬、高、重的車輛屬性；車載標志及身份屬性。 IC卡：一卡多用，安全性、機讀性、存儲量大（靜態(tài) 數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)） 定位：全球定位系統(tǒng)（GPS） 5.車輛識別和自動定位車輛識別和自動定位 導航衛(wèi)星 發(fā)射波段 1575.

6、42MHZ 1227.60MHZ 三部分組成三部分組成 6.地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng) 由計算機程序和地理數(shù)據(jù)組織而成的地 理空間信息模型。 在ITS上應用采集、顯示、查詢、分 析地理位置信息。 2 ITS的主要內(nèi)容 一、信息服務系統(tǒng) 1. 車輛信息通信系統(tǒng)（VICS）是一種典 型的實時交通信息提供系統(tǒng)。 VTCS使用-FM多頻廣播系統(tǒng)，微波 和紅外線信號的路側(cè)發(fā)射器（信標）向 駕駛員提供旅行時間、交通擁擠、交通 事故、施工路段、交通控制等實時信息。 VICS系統(tǒng)概念如下圖 VICS中心 交通信息中心 道路管理 FM多頻道廣播 駕駛員（車載機） 信標 GPS 信息收集 信息處理、編輯 信息發(fā)布

7、信息利用 系統(tǒng)功能 2.車載導航 GPS導航26dB有源天線通道GPS接收板 自律導航：微機（MPU） 陀螺傳感器 地圖匹配器：薄膜晶體管有源矩陣液晶顯 示器 CD-ROM驅(qū)動器：8倍速，650MB （DVD-ROM） CPU：嵌入式，數(shù)字信號處理技術(shù)（DPS） GPS天線 GPS接收VICS導航接收 CD-ROM 驅(qū)動器 電子地圖數(shù)據(jù)庫 MPU 微機 地圖匹配器 導航軟件 TFI LCD 顯示 陀螺傳感器語音電路車速傳感器遙控 二、交通管理系統(tǒng)TMS 1.功能：交通監(jiān)視、交通控制、事故管理 需求管理、排放管理、交叉口管理 2.結(jié)構(gòu)特點：應用計算機通信和傳感器技術(shù)，將 車輛、道路和交通管理系統(tǒng)

8、聯(lián)接為一體，對交通進 行實時監(jiān)測，智能控制和主動管理。 通過網(wǎng)絡連接如下部分： 信息收集裝置 控制信號機 交通管理中心 信息提供裝置 通過網(wǎng)絡是通過光纜、電纜、微波等傳輸媒介 在上述各部和交管中心之間傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像。 交通管理 中心 信息收集 信息分析 光信標 紅外探測器 攝像探測器 交通流量探測 人行道信號機 控制 其它中心 交通信號機 VICS車載裝置 各種信息板 車輛誘導系統(tǒng) 路測通信裝置 信息提供 ATMS結(jié)構(gòu)圖 三、公交運營系統(tǒng) 1.功能構(gòu)成 車輛定位及車載設(shè)備；通訊網(wǎng)絡及通訊方式； 網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)庫；運營調(diào)度管理；乘客信息服 務。 1996年亞特蘭大奧運會 差分GPS導航接收機和

9、車載元件 自動乘員計數(shù) 車載廣播及顯示設(shè)備 實時公交信息服務 允許使用IC卡付費 北京公交智能化調(diào)度系統(tǒng)（七個子系統(tǒng)） 計算機網(wǎng)絡； 通信； GPS； 調(diào)度平臺； 大屏幕顯示； 電子站牌； 會議電視 2. 車載設(shè)備：可實現(xiàn)定位，車載外圍設(shè)備 的控制 包括控制模塊，通信模塊，計劃模 塊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，控制模塊是核心， 要與處于監(jiān)控下的每輛車保持聯(lián)系，不 僅記錄車輛實際地理位置，還要與計劃 的位置進行比較，得出 車輛是否準時 ， 并通過公交站轉(zhuǎn)給轉(zhuǎn)乘的乘客。 3.電子站牌 向乘客顯示正向本站行駛的運營車狀態(tài)位置，來 源于公交運營中心，電子站牌由無線信號接收 器，顯示控制器，光帶式車輛位置顯示器和

10、LED時間顯示單元，電源及防護外殼以及有源 式ID碼發(fā)射器等部分組成。 電子站牌能定時接收GPS時間信息，對內(nèi)部時鐘 進行校正，通過LED顯示時間信息，及離本站 最近車輛位置，到站時間等。 四、電子收費系統(tǒng)（ETC） 每小時放行能力是人工收費的6倍。 在網(wǎng)絡環(huán)境下，彩電子標簽作為通行 卡，收費過程由計算機及其外圍設(shè)備與 通告卡，自動交換信息，實現(xiàn)車輛自動 認別，金額自動收取，自動結(jié)帳。 1. 系統(tǒng)構(gòu)成及原理：構(gòu)成車載處理單元； 車道處理單元，收費站計算機管理單元， 中央計算機管理系統(tǒng)。 2. 收費中心計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫 外圍設(shè)備 攝像機 讀寫器 警察局車輛 戶口數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)主機銀行聯(lián)網(wǎng) 賬

11、單寄出 五、車輛控制系統(tǒng)VCS 借助車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備檢測行駛環(huán)境變化 幫助駕駛員控制車輛，即是智能汽車的研究 與應用。 1.主要功能：道路障礙自動識別，自動報警， 自動轉(zhuǎn)向，自動制動，自動保持安全距離和 車速以及巡航控制功能。 2.效益：增強公路通行能力，減少道路阻塞， 縮短行車時間，降低事故率，提高行車安全， 降低行車成本，提高行車效率，降低廢氣排 放量減輕環(huán)境污染。 3.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 天線 攝像 磁性傳感器 車間距掃描 同軸電纜 磁性標記 電子數(shù)字地圖 車輛行駛狀傳感器 輪速、振動、油門 加速度、制動力 信息處理、 交通、環(huán)境、 車距、道路 行駛控制 方向 輔助 傳動裝置 油門、剎車 轉(zhuǎn)

12、向 信息顯示 駕駛轉(zhuǎn)換 行駛控制 速度 航向 4.日本的先進安全汽車ASV（以安全技術(shù) 為中心，謀求汽車智能化的國家項目） 事故預警技術(shù)：事故預警技術(shù)：危險狀態(tài)報警，提高可視性，環(huán)境信息， 減輕駕員負擔。 事故規(guī)避技術(shù)：事故規(guī)避技術(shù)：提高運動控制性能，危險狀態(tài)規(guī)避，環(huán)境 引發(fā)事故規(guī)避。 自動駕駛技術(shù)：自動駕駛技術(shù)：自律型自動駕駛技術(shù)，新設(shè)施下自動駕駛 系統(tǒng)。 沖擊安全技術(shù)沖擊安全技術(shù)：沖擊吸收、司乘人員保護，減輕步行者被害。 防止災害技術(shù)防止災害技術(shù)：緊急門鎖解除，減小二次沖擊，火災撲滅， 自動通報。 汽車底盤技術(shù)汽車底盤技術(shù)：數(shù)字速度變化記錄，車輛識別卡，GPS定位， 高齡疲勞對應。 3.

13、GPS導航及車載設(shè)備 一、GPS定位 .GPS的發(fā)展 古代導航是星歷導航，即通過觀察天空星座位置變化來確定 自己位置。中國指南針的發(fā)明也一直為人們所用。世紀人 造衛(wèi)星的發(fā)射成功，為衛(wèi)星電子導航打下基礎(chǔ)。 年代美國的“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”用于海軍導航。 年代有了全球衛(wèi)星導航，由個衛(wèi)星組成。 年代建成了GPS由個衛(wèi)星組成，全球任何地點可同 時觀測到個衛(wèi)星，可實現(xiàn)實時定位。 美國從年到年用了近二十年，耗資億美元完 成。 GPS首要目的是軍用，民用為副產(chǎn)品，設(shè) 計兩種服務： P碼：軍用，基頻10.23Mz。 C/A碼：民間用戶，1.023Mz。 3. GPS的組成 空間衛(wèi)星部分：互成60的個橢圓軌道上，各

14、布個衛(wèi)星。 地面控制部分：向衛(wèi)星提供要廣播的星歷。 用戶接收機部分：供用戶使用。 4.GPS定位的基本原理 GPS 為高軌測距體制：以觀測站至GPS 衛(wèi)星間距離做為基本 觀測量，可采用兩種觀測方法。 測衛(wèi)星發(fā)射的信號到達接收機的時間（數(shù)據(jù)處理簡單）。 測接收到載波信號與接收機產(chǎn)生的參考信號之間相位差。 在導航和動態(tài)定位時定位方式： 單點定位獨立確定待定點在地心坐標中的絕對位置，只需一 臺接收機，但定位精度低。 差分定位地面已知點上設(shè)一接收機作為基準點，與所有待測 點的接收機進行同步觀測，基準點求出的定位坐標改正數(shù)（用 定位差分法或偽距差分法求得）實時傳給相關(guān)用戶（待測接收 機），從而提高定位結(jié)

15、果的精度（可達10m水平定位誤差）。 衛(wèi)星 GPS差分基準站 衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 差分定位差分定位 差分改正數(shù) GPS差分站的組成 硬件部分 由差分無線，基準GPS接收機，基準站機（ ）電平轉(zhuǎn)換模塊、直流電源和組成。其系統(tǒng)連接 如下圖所示。 差分GPS天線 基準GPS 接收處 直流電源 基準站PC機 UPS 電平轉(zhuǎn)換用戶 用戶 差分站GPS天線是抗干擾的高增益天線，安裝 于無遮擋的高處，基準GPS接收機是差分站的核心 組成，其功能是將天線接收信號放大處理并進行轉(zhuǎn) 換生成差分改正數(shù)，直流電源和UPS可提供標準電 源，電平轉(zhuǎn)換模塊可延長信號傳輸距離。 軟件功能 GPS差分基準站軟件功能表現(xiàn)在能實時讀

16、取 GPS接收機數(shù)據(jù)，提供并顯示差分站的運行狀態(tài)； 讀取標準格式的差分數(shù)據(jù)，并解算接收機監(jiān)測衛(wèi) 星的數(shù)目和差分信息長率；時實判斷GPS接收機 工作狀態(tài)，異常時提供報警。 GPS/DR組合定位 車載設(shè)備中的定位裝置，多采用GPS和DR組合的 方法。（ GPS正常定位輸出并做為DR初始點)航位推 算（DR）是根據(jù)汽車角速度傳感器（舵螺儀）和顯 程儀的信號，推算車輛由起始位置（X0,Y0）和初始 方位角下一時刻的位置。下圖示出了DR推算原理。 車速傳感器： 電磁式交流信號頻率，可轉(zhuǎn)換成車速前進速度。 V V V 氣體陀螺儀 X1=x0+S0sin0 Y1=Y0+S0cos0 1=0+0 X2=X1+

17、S1sin1 Y2=Y1+S1cos1 2=1+1 依次推算得： Xk=X0+Sisin2 Yk=Y0+Sicos2k= k-1+k-1 DR推算原理 k=1、 應用舉例（本田汽車導航系統(tǒng)） 系統(tǒng)構(gòu)成（自主導航系統(tǒng)） CD-ROM 人機接口顯示 操作 位置判斷 慣性導航 CD-ROM 驅(qū)動器 車速傳感器 陀螺儀 GPS/DR/地圖匹配組合定位系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)據(jù)處理過程為每個采樣時刻是由濾 波器處理傳感器和GPS測量值后組成優(yōu)化值，后輸出車輛位 置估計值并與定位濾差和行車方向一并輸入地圖匹配模塊， 算出地圖上的匹配位置坐標，濾波器的結(jié)構(gòu)原理如下： 里程儀 陀螺儀 GPS接收機 導航地圖數(shù)

18、據(jù)庫 濾 波 器 地圖匹配 模塊 位 置 估 計 組 合 DR 信息 GPS信息 車輛位置估算 行車方向估算 誤差估算 定 位 輸 出 二、車載設(shè)備 車載設(shè)備由定位模塊（GPS 接收機和DR傳感器）、通 信控制器、收發(fā)信機（集群電臺）、駕駛員接口和電源模 塊組成，其原理圖如下： 駕駛員接口 數(shù)碼 顯示 語音 提示 短信息輸入 定位模塊 角速度 傳感器 GPS 接收機 里程儀接口 通訊控制器 單片機 系統(tǒng) 無線 MODEM 時序邏輯電路 集群電臺 電源模塊 里程儀信號輸入 GPS接收機接收GPS所發(fā)導航電文，經(jīng)處理 后形成一定格式的綜合數(shù)據(jù)流（位置、時間、 速度）經(jīng)串口送至通信控制器。 通信控制

19、器將綜合數(shù)據(jù)流和本車身份及 其它數(shù)據(jù)經(jīng)通訊協(xié)議重構(gòu)后由收發(fā)信機發(fā)射 到控制中心，并將充分基準站發(fā)來的修正信 息送至GPS接收機提供司駕人員。 車載終端和傳感器 車載終端功能： 提供實時交通信息、 導航。 為信息中心提供原 始信息。 車輛定位。 操作 面板 GPRS 收發(fā)機 GPS 接收 導航計算機 語音芯片 無線 揚聲器 顯示器 導航計算機是車載終端為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與處理、電子地 圖應用程序的存儲與執(zhí)行，其顯示屏顯示地圖和車輛位置。 自主導航系統(tǒng)由車速傳感器和方向傳感器檢測汽車瞬 時速度與前進方向的變化，送入CPU可求出行車軌跡和 當前位置，并在電子地圖上顯示，此外，電子地圖上還 標有道路、設(shè)施、地名。 里程儀 陀螺儀 GPS接收機 導航地圖數(shù)據(jù)庫 聯(lián)邦 濾波器 地圖匹配 模塊 位 置 估 計 組 合 DR 信息 GPS信息 車輛位置估算 行車方向估算 誤差估算 定 位 輸 出 方向傳感器（羅盤式、方向盤式和陀螺儀） 羅盤式傳感器 當以角作用時，x、y有： 故測得和就可得汽車行駛方向與地磁場的夾角 缺點：車輛通過環(huán)境磁場時有較大誤差。 Vx=KHcos Vy=KHsin 則 =aectgn(Vy/Vx) x y 地磁場 方向盤傳感器 又稱車輪