賈小文，賀秀良

(軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161)

RTK-北斗駕駛員訓(xùn)練考核評判設(shè)計(jì)

賈小文，賀秀良

(軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161)

為提高部隊(duì)駕駛員訓(xùn)練考核信息化、自動化和智能化水平，以RTK-北斗二代定位技術(shù)為基礎(chǔ)，介紹訓(xùn)練考核評判的設(shè)計(jì)方法，包括評判的總體思路，車輛、課目和場地?cái)?shù)字化建模的方法與原理，以及評判的基本思路、程序設(shè)計(jì)方法與考核過程的可視化設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，該方法可靠、迅速，評判精度高，能夠高效地實(shí)現(xiàn)車輛位置信息的自動評判。

載波相位差分(RTK)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；駕駛員培訓(xùn)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，基于載波相位差分(real-time kinematic，RTK) 的多天線定位技術(shù)具有相當(dāng)高的精度，可達(dá)厘米級。2006年賀秀良等[1]就開展了基于RTK-GPS駕駛員訓(xùn)練考核系統(tǒng)研究。2012年北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公布了BII碼，也具備了RTK定位能力。研究結(jié)果證明，定位精度完全不遜于美國GPS系統(tǒng)[2]。厘米級定位精度極大地拓寬了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。在駕駛員考核自動化中，傳統(tǒng)的方法使用了大量的光電傳感器，這種方法的弊端是建設(shè)成本和維護(hù)成本都很高，在應(yīng)用上也存在很大限制。針對駕考訓(xùn)練的實(shí)際特點(diǎn)，提出用RTK衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電傳感器的設(shè)計(jì)思路，以數(shù)字化建模來抽象傳統(tǒng)的考車、課目和場地。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)技術(shù)和原理完全可行，使用這種方法可大大降低訓(xùn)考場的建設(shè)和維護(hù)成本，提高訓(xùn)考的信息化、自動化和智能化水平。2013年以來，基于RTK-GPS技術(shù)的駕駛員訓(xùn)考系統(tǒng)已經(jīng)在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣使用，基于RTK-北斗技術(shù)的駕駛員訓(xùn)考系統(tǒng)則開始用于部隊(duì)[1-5]。本文詳細(xì)介紹了考核評判系統(tǒng)的核心技術(shù)——考核評判的設(shè)計(jì)思路及其原理。

1 評判總體思路

《陸軍軍事訓(xùn)練與考核大綱》[6]規(guī)定了新訓(xùn)運(yùn)輸車駕駛員“場地駕駛技能”的10個必考課目，包括坡道起步、定位停車、通過橫斷路、上坡轉(zhuǎn)彎換擋、通過交叉路口、通過雙邊橋、公路調(diào)頭、上下模擬鐵路平車、倒車移位和綜合技能駕駛。這些課目考核中，絕大多數(shù)考核項(xiàng)目都可以轉(zhuǎn)化為對車輛位置或者速度信息的評判，如“定位停車”要求車輛以30 km/h以上速度進(jìn)入課目在段，進(jìn)入20 m地段采取措施(減速)，停車后車與標(biāo)桿橫向距離不少于0.8 m，利用高精度的RTK-北斗定位技術(shù)，可以很方便地獲取車輛的位置和速度信息。與光電傳感器相比，RTK-北斗技術(shù)思路清晰、硬件架構(gòu)簡單、維護(hù)成本低，并且不受空間和地域的限制，優(yōu)勢非常明顯。

利用RTK-北斗技術(shù)進(jìn)行自動評判，首先要建立車輛、課目和場地的數(shù)字化模型。通過對地面做二維投影，可獲取課目二維幾何平面數(shù)字化模型信息。通過RTK-北斗定位技術(shù)獲取車輛的實(shí)時位置，利用坐標(biāo)變換獲取車輛和課目的相對位置關(guān)系。通過“關(guān)鍵線”和“關(guān)鍵區(qū)”的方法來判斷車輛的運(yùn)行軌跡。通過幾何形狀的碰撞檢測來對車輛駕駛進(jìn)行評判。關(guān)鍵線是一條線段，關(guān)鍵區(qū)是若干個圓形，通過車輛與這些幾何形狀的碰觸來確定車輛的運(yùn)行路徑。評判的總體思路如圖1所示。

圖1 考核評判總體思路

2 數(shù)字化模型

數(shù)字化建模的含義是將車輛、課目和場地抽象為具有一定幾何形狀的二維圖形，并利用數(shù)字坐標(biāo)對幾何圖形進(jìn)行描述。

2.1 數(shù)字化模型的幾何結(jié)構(gòu)

駕駛員訓(xùn)練和考試中，通過車身是否觸碰到課目的區(qū)域邊界來判斷得分與否。這種觸碰一般并不涉及高度方向的檢測，因此可以將車輛和課目建模簡化為其對地面的二維投影。車輛可實(shí)時移動，課目對于不同的場地位置也是不同的，因此數(shù)字化模型中采用相對坐標(biāo)。車輛和課目具有取向?qū)傩?，因此?shù)字化模型應(yīng)包括取向信息，在評判中通過實(shí)時航向信息計(jì)算模型的真正取向。車輛和課目(倒車入庫)的數(shù)字化模型設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 車輛、課目和場地?cái)?shù)字化模型

上述模型中，兩個基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成了模型坐標(biāo)系的x軸，取x軸方向?yàn)檎龞|方向，用右手螺旋系計(jì)算各坐標(biāo)點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)位置的坐標(biāo)值。粗箭頭表示模型的默認(rèn)取向。實(shí)際中，模型取向各不相同，因此模型文件中應(yīng)專門設(shè)一個數(shù)據(jù)項(xiàng)存放模型相對于默認(rèn)取向的偏轉(zhuǎn)角度。數(shù)字化模型以一定格式保存并被評判程序讀取。

2.2 數(shù)字化模型的建立

數(shù)字化模型建立包括3個問題: 一是如何獲取二維投影，二是如何獲取模型關(guān)鍵點(diǎn)位置，三是如何計(jì)算各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值。

獲取二維投影的方法：找一塊開闊的平地，利用鉛錘圍繞車輛旋轉(zhuǎn)一圈，用粉筆在地面上繪制出車輛輪廓即可。對于課目模型的建模，可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)直接在地上畫出課目模型。對于場地模型，只需要確定記錄場地的兩個基準(zhǔn)點(diǎn)即可。

獲取模型關(guān)鍵點(diǎn)位置的方法有兩種：一是用長度測量工具測量關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)位置，二是用RTK-北斗技術(shù)直接測量關(guān)鍵點(diǎn)的位置。前者看似簡單，實(shí)際應(yīng)用中存在困難，因?yàn)椴荒鼙ＷC對模型坐標(biāo)系的準(zhǔn)確投影，得到的測量值有較大誤差。本文采用第2種方法。RTK-北斗技術(shù)獲取的是坐標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，需要將經(jīng)緯度信息換算為長度信息。在將經(jīng)緯度換算為長度的過程中，有一些系統(tǒng)的方法，一般是從WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為本地坐標(biāo)，利用各種修正公式來修正誤差，這種計(jì)算方式在這里并不合適[7]。最簡單可靠的方法是通過實(shí)驗(yàn)來獲取測量點(diǎn)經(jīng)緯度與長度的對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)經(jīng)度的變化為Δθ，對應(yīng)的距離為Δx，二者之間的關(guān)系為

Δx=f(Δθ)

根據(jù)泰勒展開公式得

對于一塊只有幾百米見方的訓(xùn)練場地來說，Δθ是非常小的，因此可以忽略二階以上的項(xiàng)，只保留一次項(xiàng)，即

Δx=f′(θ)Δθ

設(shè)klon=f″(θ)，則Δx=klonΔθ。同理，Δy=klatΔφ，φ為緯度。klon和klat可以通過實(shí)驗(yàn)的方法測量出來。

在開闊平地繪制3個點(diǎn)Q1、Q2和Q3(這3點(diǎn)不共線)，并精確測定Q1和Q2、Q1和Q3之間的距離L1=|Q1Q2|、L2=|Q1Q3|(如圖3所示)。

圖3 經(jīng)緯度與長度換算因子

利用RTK-北斗測量Q1、Q2及Q3的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，分別為(θ1，φ1)、(θ2，φ2)、(θ3，φ3)，于是得到下面的方程：

解上面的方程就可以得到klon和klat。一般而言，場地不同，klon和klat也是不同的，需要重新測量。這兩個參數(shù)非常重要，在評判過程中，所有涉及到地球坐標(biāo)系到場地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，都需要使用這兩個參數(shù)。

計(jì)算各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值可以采用投影法，設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)1坐標(biāo)為(0,0)，基準(zhǔn)點(diǎn)2坐標(biāo)為(X0,Y0)，模型各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)為(X1,Y1)，其中所有坐標(biāo)值都是利用klon和klat計(jì)算的長度值。按照2.1里的課目模型設(shè)計(jì)，模型關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y)可利用如下公式計(jì)算：

2.3 數(shù)字化模型的存儲和使用

數(shù)字化模型的存儲應(yīng)考慮可擴(kuò)展性、易修改性及程序中讀取的方便性，本系統(tǒng)中使用了可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML來存儲模型信息。XML結(jié)構(gòu)主要包括：①模型基本信息描述，如車輛名字、車輛IP信息、車號等；②模型可變信息，如模型基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、模型取向、klon和klat等；③模型不變數(shù)據(jù)信息，如各關(guān)鍵點(diǎn)位置坐標(biāo)。

記錄模型數(shù)據(jù)的XML文本文件作為評判程序的輸入文件，由專門的建模工具自動生成。

3 考核評判過程

在模型建立以后，考核評判就是車輛和課目對應(yīng)數(shù)字化幾何模型之間的相對位置碰撞檢測問題。

3.1 碰撞檢測的算法基礎(chǔ)

幾何碰撞檢測可以簡化為兩個幾何形狀(多邊形和圓)的相對位置檢測。按照由簡單到復(fù)雜的順序，檢測可以分解為以下若干基本元素：點(diǎn)和線段的關(guān)系；兩條線段的相對關(guān)系；點(diǎn)和多邊形的關(guān)系；線段和多邊形的關(guān)系；多邊形和多邊形的關(guān)系；多邊形和圓形的關(guān)系。編寫算法程序，依次實(shí)現(xiàn)這些基本元素關(guān)系的判斷，是考核評判的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)中的點(diǎn)乘和叉乘運(yùn)算是幾何關(guān)系檢測的主要手段。算法設(shè)計(jì)包括以下6個方面。

(1) 點(diǎn)和線段的關(guān)系包括兩種：在線段外和線段上。以線段作為一個矢量，線段的一個端點(diǎn)和待檢測點(diǎn)構(gòu)成一個矢量，通過計(jì)算二者的叉乘結(jié)果是否為0可判斷點(diǎn)是否位于線段上，注意考慮點(diǎn)位于線段延長線上的情況。

(2) 兩條線段的相對關(guān)系包括4種情況：兩條線段有一個交點(diǎn)(交點(diǎn)非端點(diǎn))；重合(部分)；一條線段一個頂點(diǎn)位于另一條線段上；兩條線段沒有交點(diǎn)。同(1)一樣，可用叉乘運(yùn)算來判斷二者關(guān)系。注意線段所在直線的相交和線段相交的區(qū)別，前者是后者的必要不充分條件。

(3) 點(diǎn)與多邊形的關(guān)系包括點(diǎn)在多邊形內(nèi)部，點(diǎn)位于多邊形邊上，點(diǎn)在多邊形外部3種情況。點(diǎn)與多邊形的位置檢測比較復(fù)雜，因?yàn)槎噙呅蔚耐庑慰赡芎軓?fù)雜。由于車輛模型為凸多邊形，課目模型為矩形的集合，考慮這種特殊性后，點(diǎn)與多邊形的位置檢測相對簡化。點(diǎn)位于多邊形邊上是(1)所述情況；點(diǎn)位于多邊形內(nèi)部或者外部時，可利用“有向三角形法”，即將待檢測點(diǎn)與多邊形各頂點(diǎn)連接，形成若干三角形，求有向三角形面積和的絕對值，并與所有三角形面積的絕對值的和比較，二者相等即說明點(diǎn)位于多邊形內(nèi)部，否則位于外部。

(4)線段與多邊形的關(guān)系，可以轉(zhuǎn)化為線段與線段的關(guān)系及點(diǎn)與多邊形的關(guān)系。

(5) 多邊形和多邊形之間的關(guān)系，可轉(zhuǎn)化為線段集合與多邊形之間的關(guān)系。對組成多邊形的所有線段進(jìn)行遍歷檢測，即可獲取兩個多邊形的相對位置關(guān)系。

(6) 多邊形和圓之間的關(guān)系，可以轉(zhuǎn)化為點(diǎn)與多邊形的關(guān)系、點(diǎn)和線段與圓的關(guān)系。點(diǎn)和線段與圓的關(guān)系判斷較為簡單，不再詳述。

以倒車移位為例，倒車移位模型的每個邊框相當(dāng)于一個矩形，每根桿相當(dāng)于一個圓，車輛模型相當(dāng)于一個復(fù)雜多邊形，通過檢測邊框矩形與車輛多邊形之間、圓與多邊形之間的相對關(guān)系，就可以得知車輛是否“觸線”或者“碰桿”，這是考核評判的最基本依據(jù)。

3.2 車輛實(shí)時位置獲取

車輛頂上安裝有兩個北斗天線，一個為基準(zhǔn)天線，一個為航向天線，前者測量車輛實(shí)時位置，數(shù)值為經(jīng)緯度，后者為車輛偏轉(zhuǎn)方向，數(shù)值為航向天線與基準(zhǔn)天線連線與正北方向的夾角。根據(jù)車輛模型的設(shè)計(jì)方法，車輛模型各點(diǎn)的實(shí)時坐標(biāo)可按照如下方法獲取：一是將模型所有坐標(biāo)點(diǎn)都加上基準(zhǔn)點(diǎn)位置；二是以車輛模型原點(diǎn)為頂點(diǎn)，將所有坐標(biāo)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)航向角。

3.3 路徑實(shí)現(xiàn)算法

部分課目考核評判需要獲知車輛的運(yùn)行軌跡路徑，如倒車移位需要駕駛員駕駛車輛首先退入乙?guī)焱Ｕ?，然后二進(jìn)二退進(jìn)入甲庫停正，再穿過乙?guī)扉_至車道，最后倒車進(jìn)入甲庫出庫，全部過程對車輛的運(yùn)行路徑做出了明確規(guī)定。對于路徑的確定，使用了“關(guān)鍵線”和“關(guān)鍵區(qū)”的方法：關(guān)鍵線是一條線段，每一個課目一般都有二條關(guān)鍵線，當(dāng)車輛跨越第一條關(guān)鍵線表示車輛進(jìn)入該課目，跨越第二條關(guān)鍵線表示車輛離開該課目；關(guān)鍵區(qū)是一個圓形幾何區(qū)域，每一個課目都有若干關(guān)鍵區(qū)，關(guān)鍵區(qū)具有順序?qū)傩?，通過記錄車輛跨越關(guān)鍵區(qū)(借助于碰撞算法)的先后順序，就可以得到車輛的運(yùn)行路徑。與課目模型結(jié)合，便可完整地獲取車輛的位置和路徑信息，進(jìn)行評判。

4 考核過程可視化

程序的調(diào)試過程需要可視化，訓(xùn)考過程的實(shí)時監(jiān)控和歷史回放也需要可視化。可視化包括兩個層次：一是簡單可視化，顯示車輛與課目的抽象二維幾何模型及其相對位置變化，這主要用于程序的開發(fā)和調(diào)試階段；二是動態(tài)監(jiān)控，顯示車輛的語音視頻監(jiān)控信息，這主要用于訓(xùn)考過程的可視化管理。動態(tài)監(jiān)控可以通過語音視頻攝錄設(shè)備獲取，也可以通過動態(tài)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這里介紹簡單可視化，動態(tài)及仿真監(jiān)控設(shè)計(jì)另文備述。

簡單可視化涉及的主要技術(shù)是坐標(biāo)變換和計(jì)算機(jī)圖形顯示，核心是坐標(biāo)變換。坐標(biāo)變換包括以下3個步驟。

(1) 車輛實(shí)時位置坐標(biāo)計(jì)算，方法見3.2節(jié)，變換矩陣如下：

式中：(X0,Y0)為基準(zhǔn)實(shí)時坐標(biāo)，其中基準(zhǔn)實(shí)時坐標(biāo)需要由經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為相對于場地原地的距離，方法見2.2；θ為航向角。

(2) 車輛相對于場地的坐標(biāo)變換。步驟(1)所得的坐標(biāo)為相對于地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，即y軸方向?yàn)檎狈较?，x軸方向?yàn)檎龞|方向。而場地取向是完全隨機(jī)的，為了在計(jì)算機(jī)屏幕上看起來直觀方便，需要將車輛的實(shí)時坐標(biāo)切換到場地坐標(biāo)系內(nèi)。場地坐標(biāo)系取直角坐標(biāo)系，若場地二基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,0)，(X0,Y0)(已經(jīng)由經(jīng)緯度切換到長度單位)，車輛某點(diǎn)坐標(biāo)為(X1,Y1)，則相對于場地的坐標(biāo)值(X,Y)可由2.2中的投影公式計(jì)算。通過這一步驟的坐標(biāo)變換，觀察者在場地的觀測角度和計(jì)算機(jī)屏幕上的顯示方向就一致了。

(3) 將車輛相對于場地的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)屏幕像素坐標(biāo)。假定屏幕的像素?cái)?shù)為(p,q)，某一課目的基準(zhǔn)坐標(biāo)位于屏幕正中央，且坐標(biāo)值為(X1,Y1)，車輛坐標(biāo)為(X,Y)，則對應(yīng)屏幕的像素坐標(biāo)可由如下公式計(jì)算，SX和SY是比例尺因子：

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了基于RTK-北斗定位技術(shù)的駕駛員訓(xùn)練考核評判的設(shè)計(jì)方法。這些技術(shù)和方法是RTK-北斗駕駛員訓(xùn)練考核系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵技術(shù)，旨在提高部隊(duì)駕駛員訓(xùn)練的信息化、智能化和自動化水平。

[1] 賀秀良.基于數(shù)字化訓(xùn)考場的駕駛員訓(xùn)練考試裝置： 0025861.6[P].2006-04-25.

[2] 賀秀良，孫麗，劉洋，等.基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的駕駛考試自動化裝置：0509185.5[P]. 2012-09-26.

[3] 王惠南. GPS導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4] 賈小文，賀秀良. CSerialPort類漏洞分析及修正[J]. 軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào),2014,16(11):81-85.

[5] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件[DB/OL]. (2017-03-15)[2107-03-20].http://www.beidou.gov.cn/filedownload.html,

[6] 中國人民解放軍總參謀部.陸軍軍事訓(xùn)練與考核大綱[M].北京：中國人民解放軍總參謀部，2008.

[7] 王利，鄭瑋. RTKGPS測量中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解若干方法討論[J]. 西安工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(1):63-66.

(編輯：史海英)

Design of Training Assessment and Evaluation for RTK-compass Driver

JIA Xiaowen, HE Xiuliang

(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 30016, China)

In order to improve the informatization, automation, and intelligence level of driver training assessment, the paper firstly introduces design methods of training assessment and evaluation based on PTK-compass II location technology, including overall idea of evaluation, digital modeling method and principle of vehicles, subjects, and field, basic ideas of evaluation and programming method, and visual design of assessment process. The test result shows that this method is reliable, fast, and accurate, which can realize the automatic evaluation of vehicle location information efficiently.

real-time kinematic (RTK); compass satellite navigation system; driver training

2016-12-23；

2017-04-15. 作者簡介： 賈小文(1983—)，男，博士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.020

TP274+.2

A

1674-2192(2017)08- 0086- 05

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù) Basic Science & Technology