王藍儀， 劉欣雨， 肖廣兵

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 南京 210037)

0 引 言

為智能車輛提供高精度定位服務(wù)，能夠提高智能出行的安全性，改善交通擁堵[1]。目前，車載定位系統(tǒng)主要通過GPS為智能車輛提供實時地理位置信息，但其有效精度較低，無法滿足智能車輛的高精度定位要求。當(dāng)GPS信號微弱或不可用時，會導(dǎo)致定位誤差過大，甚至無法提供定位服務(wù)，存在較大的行車隱患。郭麗芳等使用GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、機器視覺里程算法定位與UWB定位4 種方式相結(jié)合的定位方式，能夠長期穩(wěn)定地提供高精度定位信息，但其算法復(fù)雜且設(shè)備成本較高[2]；李曉暉等提出了一種基于RNN的高精度定位方法，但其在GPS長期缺失的情況下，定位精度難以滿足智能車輛的要求，在實際應(yīng)用中存在一定的局限性[3]。

本文設(shè)計的車載定位系統(tǒng)，以車載自組織網(wǎng)絡(luò)VANET為交互平臺，車車(Vehicle to Vehicle, V2V)以及車路(Vehicle to Infrastructure, V2I)之間基于交互的地理位置觀測值對車輛的實時定位信息進行調(diào)整，以實現(xiàn)對車輛的高精度定位。車輛間基于位置信息的交互，為車輛提供安全信息廣播與交通堵塞誘導(dǎo)等服務(wù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在GPS信號缺失的條件下為車輛提供高時效性的精確定位服務(wù)，且受環(huán)境因素影響小，能夠有效地保證智能車輛行駛過程中的穩(wěn)定性與安全性。

1 系統(tǒng)模型

基于協(xié)同交互的車載定位系統(tǒng)由車輛定位系統(tǒng)、上位機控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊構(gòu)成。系統(tǒng)通過VANET將實時車速與車輛的實時定位信息發(fā)送到智能路基，數(shù)據(jù)處理模塊基于智能路基對車輛的地理位置觀測值及車輛的實時定位信息進行調(diào)整，并告知其廣播范圍內(nèi)的所有車輛，在計算該路段擁堵度后發(fā)送給上位機終端。一旦該路段擁堵度超過擁堵標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，并將該信息發(fā)送到相關(guān)部門對車輛進行疏導(dǎo)，PC終端能夠與相關(guān)部門取得雙向聯(lián)系，查看道路疏導(dǎo)進度，指導(dǎo)交通精細(xì)化治理?；趨f(xié)同交互的車載定位系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

車載定位系統(tǒng)的硬件電路主要包括：電源模塊、MSP430F149控制模塊和無線通信模塊等。

2.1 電源模塊設(shè)計

考慮到系統(tǒng)使用3.3 V～5 V的電源，本設(shè)計采用穩(wěn)壓元件LM337T通過調(diào)整滑動變阻器阻值，將經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)化為18 V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5 V的直流電壓。其中，D8指示電路是否正常工作，并使用穩(wěn)壓元件ASM1117將5V直流電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，為相應(yīng)的元件供電，電路設(shè)計圖如圖2所示。

2.2 MSP430F149控制模塊

MSP430F149單片機是16位RISC CPU，它具有處理功能、低電壓、超低功耗、快速蘇醒等特點。其擁有豐富的片內(nèi)資源并具有60 KB的Flash。能夠滿足定位系統(tǒng)為多輛智能駕駛汽車提供實時高精度定位的需求[4]。其電路如圖3所示。

圖2 電源模塊電路

圖3 MSP430F149處理器電路

MSP430F149單片機基于智能車輛定位的觀測值，對智能車輛交互的本地定位估計值進行修正，將修正參數(shù)通過串口發(fā)送給Wi-Fi模塊，通過接收的車速信息計算出該路段的擁堵度，并判斷該路段是否擁堵。當(dāng)該路段的擁堵度超過擁堵標(biāo)準(zhǔn)，MSP430F149將該路段的擁堵度通過串口發(fā)送給GSM模塊，以告知上位機以及交通管理部門。

2.3 無線通信模塊

2.3.1 Wi-Fi通信模塊

ESP8266串口Wi-Fi模塊，集成了超低功耗32 位微型處理器，內(nèi)配閃存，具有強大的處理和存儲能力且無需編寫時序信號。片內(nèi)集成了Wi-Fi MAC，板載天線，能夠同時接收和發(fā)送Wi-Fi信號，通訊距離73到337米。智能車輛與智能路基之間通過Wi-Fi通信模塊組網(wǎng)，并實現(xiàn)車路之間的信息之間交互，并將交互信息傳輸?shù)娇刂颇K，其電路如圖4所示。

圖4 Wi-Fi通信電路

2.3.2 GSM通信模塊

本文采用Siemens公司研發(fā)的TC35i芯片，集成度高、兼容性好、重量輕、功耗低、可升級能力強。其主要組成結(jié)構(gòu)分為：GSM基帶處理器、天線接口、GSM射頻模塊、電源模塊、ZIF連接器與Flash。TC35i符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可以工作在EGSM900與GSM1800雙頻段，并且能夠快速安全可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真的遠(yuǎn)距離傳輸，且具有AT命令集接口, 支持雙向傳輸命令與指令。

智能路基與上位機、交通管理部門之間的通信由GSM通信模塊負(fù)責(zé)。電路設(shè)計如圖5所示，接通電源后，對IGN引腳施加一個大于100 ms的低電平，以啟動GSM模塊。電路中，RXD0管腳，TXD0管腳實現(xiàn)TC35i與單片機之間的通信；SYNC管腳接LED用以指示GSM模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)。

圖5 GSM通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件核心是基于車路協(xié)同交互，為智能車輛在GPS信號微弱或缺失路段的定位估計值進行修正。通過向MSP430F149芯片寫入嵌入式代碼實現(xiàn)定位修正、信號調(diào)理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

當(dāng)系統(tǒng)沒有收到智能車輛的無線消息時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。Wi-Fi通信模塊接收到智能車輛的消息后，基于車路協(xié)同定位算法確定定位修正參數(shù)，并將修正參數(shù)通過Wi-Fi通信模塊發(fā)送給智能車輛。根據(jù)智能路基收集到當(dāng)前路段的車速信息，計算該路段的擁堵度，并判斷是否發(fā)生擁堵。智能路基通過GSM通信模塊將實時道路信息告知上位機與交通管理部門，使交通管理部門能夠及時對發(fā)生擁堵的路段進行疏導(dǎo)。

3.2 基于車路協(xié)同定位算法

定義tk為第k輪信息交互的絕對時間，令VANET中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都維護一個線性的時鐘，式(1)：

(1)

δix(tk+1).

(2)

(3)

(4)

Step4基于濾波結(jié)果，通過式(5)和式(6)計算出修正參數(shù)：

(5)

(6)

4 實驗與仿真

在一個路段進行車輛定位的實車道路試驗，如圖7所示。智能車輛沿著虛線路徑駛過該路段，智能車輛與智能路基均裝備有基于協(xié)同交互的車載定位系統(tǒng)，車速v均值為10 m/s，車輛與基站之間具有不超過20 ms的隨機通信時延。

圖7 智能車輛與智能路基協(xié)同定位

基于每輪交互后得到的地理位置修正值，可得定位誤差值，如圖8所示。

圖8 定位誤差

實驗結(jié)果表明，當(dāng)車輛以非勻速行駛在GPS信號微弱或缺失路段時，基于協(xié)同交互的的車載定位系統(tǒng)能夠有效的增加定位的精度。當(dāng)智能車輛駛過200 m時，定位誤差僅為-0.01 m左右，可見該車載定位系統(tǒng)能夠為智能車輛提供實時高精度定位服務(wù)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合基于車路協(xié)同定位算法與無線通信技

術(shù)，設(shè)計了基于協(xié)同交互的車載定位系統(tǒng)。車載定位系統(tǒng)采用MSP430F149與ESP8266模塊實現(xiàn)為智能車輛在GPS信號微弱或缺失環(huán)境下提供高精度的定位服務(wù)，并實時監(jiān)測道路擁堵信息，能夠通過GSM模塊告知交通管理部門實時道路信息。該設(shè)計方案成本低，有效精度高，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，能夠滿足智能車輛對定位精度的要求。