（机械电子工程专业论文）电动汽车整车参数采集与分析处理系统.pdf

摘要 摘要 本文是针对国家8 6 3 科技攻关项目电动汽车主课题下电 动汽车整车运行参数车载记录装景进行的，论述了系统研制的背景 及意义，g p s 测速测距方法的设计及实现，车载p c i 0 4 显示与记录 装置及p c 机数据处理与分析系统的软件设计，s o ls e r v e r 数据库的 设计与数据管理，并给出了全系统在广东省汕头市国家电动汽车运行 试验基地试验的报告。 系统采用g p s 测速测距法。多熏滤波的方法保证了速度测量的 准确性；距离的测量采用速度积分的间接测量方式，g p s 时间和 p c i 0 4 时间的融合保证了时间的准确性，加上距离的定点修正，实现 了距离的高精度测量。 车载p c i 0 4 装置基于w i n d o w s 9 8 操作系统，完成了实时多任务 的可视化程序设计，研究了“非定长”数据压缩及解压缩算法，实现 了对1 3 9 项参数的数据接收、处理、多样化显示、记录的功能。 p c 机数据处理与分析系统基于s o ls e r v e r 数据库，能实现对数 据库的更新、查询。与车载p c i 0 4 装置配合实现的试验参数设置功 能增强了系统的适应性，随动试验功能增强了现场的数据可视性。 a b s t r a c c a b s t r a c t t h i sp a p e ri sw r i t t e nf o rt h es u b s y s t e mn a m e do n b o a r dd e v i c eu s e d i nm e a s u r e m e n ta n dr e c o r d a t i o no ft h ew h o l ep a r a m e t e r so fe l e c t r i c v e h i c l e ，w h i c hb e l o n g st ot h ee l e c t r i cv e h i c l es y s t e m ，k n o w na sn a t i o n a l 8 6 3p r o j e c t i td i s c u s s e st h eb a c k g r o u n da n d m e a n i n g o ft h ed e v e l o p m e n t ， t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ev e l o c i t ya n dd i s t a n c em e a s u r e m e n t b y g p s t h es o f t w a r eo fo n b o a r dp c i 0 4d i s p l a y & r e c o r du n i ta n dp cd a t a p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m ，t h ed a t a b a s ep r o g r a m m i n gb a s e do n s q ls e r v e r ，f o l l o w e db yt e s t i n gr e p o r tf r o mn a t i o n a le v - r u n n i n gp r o v i n g g r o u n di ns h a n t o uc i t y ，g u a n g d o n gp r o v i n c e i tm e a s u r e sv e l o c i t ya n dd i s t a n c ew i t hg p s t h ev e r a c i t yo ft h e v e l o c i t yv a l u ei se n s u r e dw i t hs e v e r a lf i l t e r s t h ed i s t a n c ev a l u ec o m e s f r o m v e l o c i t yi n t e g r a li n d i r e c t l y g p s t i m ea n dp c i 0 4 s y s t e m t i m e c o m b i n et oe n s u r et h ev e r a c i t yo ft h et i m e ，a d d i t i o n a l l y ，t h ed i s t a n c e v a l u ei sm o d i f i e do ns e t t i n gp o 血t h e nw eo b t a i n e dt h eh i g l lp r e c i s i o n d i s t a n c ev a l u e o nw i n d o w s 9 8o p e r a t i n gs y s t e m ，t h eo n b o a r dp c i 0 4d i s p l a y r e c o r du n i th a sav i s u a ls o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，c o m p r i s i n gn o n l e n g t h d a t ac o m p r e s sa n dd e c o m p r e s sa r i t h m e t i c i ta c h i e v e sd a t a r e c e i v i n g ， p r o c e s s i n g ，d i s p l a y i n gd i v e r s i f i e d l ya n dr e c o r d i n g o f1 3 9 p a r a m e t e r s t h ep cd a t ap r o c e s s i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e m c a n u p d a t ea n di n q u i r e d a t a b a s eb a s e do ns q ls e r v e r w o r k i n gi nw i t ht h eo n b o a r dp c i 0 4 ，i t i m p r o v e st h ea d j u s t a b i l i t yb e c a u s eo f t h es e t t i n go ft h et e s t i n gp a r a m e t e r s a n dt h ed a t av i s u a l h e s so n l i n eb e c a u s eo ft h ef o l l o w a c tf u n c t i o n 第1 章概述 第1 章概述 “电动汽车整车参数采集与分析处理系统”是为了能够准确的 掌握电动汽车的各项性能而设计的，系统最终的研究对象是电动汽 车。所以本章先从介绍电动汽车的发展现状出发，阐述课题选定的背 景及意义；然后介绍一下电动汽车监测装置的发展现状；最后简单介 绍一下本系统的总体设计。 1 1 研究的背景及意义 1 1 1 电动汽车的发展 现代科技带动交通运输业的迅猛发展，当今世界汽车保有量正 与日俱增。而汽车的心脏部分一发动机在提供强大动力的同时，也 消耗大量的能源，并产生大量的尾气污染物，导致严重的大气污染， 由此引起的能源与环境问题显得更加严重。以汽车为主的运输部门因 其急速普及，能源的消费比其它部门大，占总能源消费的2 4 ；据 统计，从全世界汽车排出的c 0 2 为6 4 亿标准炭吨，由c 0 2 引起的 大气污染及地球温暖化已对人类的生活环境产生深刻的影响。当今世 界面临的能源与环境的双重危机，要求汽车工业提高汽车的能源使用 效率，减少污染物质的排出量。怎样才能有效的节能、减少大气环境 污染，已经提到议事日程上。但仅通过改善现有汽车的性能来解决这 一问题是很困难的。开发电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是解决这一问题 的有效途径之一。 电动汽车是全部或部分由电能驱动的汽车，包括纯电动汽车、 混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型，具有效率高、环境污染 低、可使用多种能源、噪音低等特点。 第1 章概述 近1 0 年来，电动汽车逐步成为国际汽车工业竞争的焦点。美 国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司己投入超过1 0 0 亿美元的资 金，并且以每年不少于1 0 亿美元的力度继续开发。欧共体的“明日 汽车”行动计划，美国的“新一代汽车伙伴计划”，都旨在抢占电动 汽车产业的制高点。 在世界范围内，电动汽车的研究都是从单独依靠蓄电池供电的 纯电动汽车开始的，但是由于动力电池的性能和价格还没有取得重大 突破，因此纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。 混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场 化而产生的一种新车型，日本丰田公司开发的p r i u s 和本田公司开发 的i n s i g h t 两种混合动力电动汽车已开始小批量投放市场。欧洲各大 汽车厂商也争先恐后的推出了本公司研制的混合动力电动汽车。 在燃料电池汽车方面，世界各大汽车公司相继推出了以甲醇或 汽油为燃料的燃料电池汽车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中 提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1 倍，而产生的污 染则只有内燃机的5 。估计在5 年内可研制出使用该种动力系统的 电动汽车，并有望于2 0 0 5 年投入商业化生产。 我国自1 9 8 0 年以来，专门从事电动汽车研究的机构就相继成 立。2 0 0 1 年1 0 月2 日，中国8 6 3 计划电动汽车重大专项可行性研究 报告在科技部组织召开的论证会上获得与会专家通过。这标志着对中 国汽车产业发展具有重大战略意义的电动汽车专项正式启动。经过多 年探索与努力，中国电动汽车电池、电机、电控三大关键技术相继取 得突破。 可以说，在电动汽车这一新的领域我们与国外处于相近的起跑 线，技术水平与产业化水平的差距相对较小。因此，我们必须抓住机 遇，下大决心，对我国汽车工业的发展战略和总体技术路线，以及组 织管理模式进行重大调整，把混合动力电动汽车作为现阶段我国电动 汽车发展的重点和方向，这不仅为我国汽车工业带来了一次技术革命 第1 章概述 和产业突破，而且带动我国电子机械、精密加工、新材料等相关产业 实现了次飞跃和大发展。 1 1 2 电动汽车监测装置的发展现状 电动汽车的发展带动了电子机械、精密加工、新材料等相关产 业的发展，同时，电动汽车的发展也必须有随之发展的监测技术的发 展。 在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是作为一种过渡 产品。但作为电动汽车发展的起步阶段，混合动力型汽车在整个电动 汽车发展过程中起着熏要作用，因此掌握混合动力汽车运行过程中的 各种运行状态和性能参数对于研究电动汽车就显得尤其重要。这些参 数不仅包括传统燃料汽车的运行速度、行驶里程、油耗指示、柴油机 转速等，还包括电动汽车独有的电能指示、电源电压、电流及电机转 速等参数。掌握这些参数能为正确的分析电动汽车的相应性能，制定 正确的改善方案提供有力的依据，对研究开发电动汽车具有一定的指 导意义，对电动汽车的发展必将起到推动作用。 国际各大汽车公司在集中力量研制新的电动汽车的同时，也都 研究出了符合自身要求的电动汽车监测系统。其中瑞士p i t a g o r as a 公司已开发出道路上监测电动汽车性能的数据采集系统( d a s ) ，该 系统最初应用于大型电动汽车领域，目前己具备商业化可能性。 d a s 系统包括车载数据采集模块、可装卸式存储器模块装置、 非车载存储、分析模块和数据显示。非车载存储、分析模块和数据显 示是数据采集和处理的中心。可装卸式存储器模块装置存储车速和电 池充电性能、电流、温度等原始数据。 车载模块由两部分组成：安装在驾驶室的主模块；安装在电池 附近的卫星接收模块。驾驶员可观测到诸如电池续航能力、瞬时能量 消耗、电池充电水平等信息。数据收集情况如下： 第1 章概述 表卜ld a s 系统数据收集表 数据范围 电池电压0 4 0 0 v 电池电流 一4 4 0 4 0 0 a 环境温度 一2 5 十7 0 海拔变化 0 5 0 0 0 m 车速o 2 5 5 k m h 电池的电荷容量 o 2 0 0 0 a h 系统输出信息为： 行驶距离、平均温度、平均速度和加速度； 速度与加速度频谱； 每百公里行驶状况； 行驶、再充电和停车的总时间分配； 再启动最大与最小加速度： 电池总充电量、百公里平均充电次数、昼夜充电分配情况； 百公里电池平均能量供给、消耗、能量再生、初始容量和再充电 后的变化情况。 针对这一新兴课题，国内许多高校和科研院所投入了大量资金 和人力物力，并取得了一定的成果。但对于电动汽车参数的检测主要 集中于对电池充、放电参数检测和记录，而对于整车的运行参数没有 统一的记录，这不利于事后分析电动汽车运行过程中的各种性能。就 算是很先进的d a s 系统，从它的数据收集情况和系统的输出信息不 难看出，也是针对电动汽车“电动”部分设计的，忽略了对传统汽车 那部分性能的监测。并且，随着现代汽车制造技术发展，对汽车控制 系统及各种参数检测精度和速度提出了更高要求，同时在试验现场也 急切需要一个友好的人机交流通道。 第1 章概述 针对上述情况，我校承担了国家8 6 3 科技攻关项目电动汽车主课 题下电动汽车整车运行参数车载记录装置研制的子课题研究。 1 2 系统的总体设计 本文介绍一种基于c a n 总线的汽车智能监测系统设计实例。该 系统采用了先进的计算机技术、传感器技术和总线技术，集信号采 集、数据处理、通信、显示记录、查询和智能分析于一体，控制实时 性好，人机界面友好，实现了整车监测智能化和多传感器之间的有效 融合。 系统的软、硬件均采用了模块化的设计思想，便于系统的扩 展。在硬件上，采用开放式的现场c a n 总线网络，任何符合c a n 协议的其它模块，只要挂接到网络中即可。在软件中采用模块设计思 想，v c + + 类封装模式保证了系统软件的通用性。车载p c i 0 4 数据显 示和记录装置部分既为司机提供了友好的界面，反映电动汽车各个部 分的实时性能参数，又可以记录运行数据，还可以根据需要遥过串行 通讯实时发送数据便于跟踪显示。p c 机数据处理与分析系统将从车 载p c i 0 4 装置转载下来的车载记录转换成电动汽车运行参数数据 库。分析汽车整个运行过程中的各项参数，并提供数据查询和报表打 印功能。 整体系统采用现场c a n 总线的方式组织整个检测网络。系统包 括七大部分：电能模块、车辆模块、电机模块、电池状态采集模块、 p c i 0 4 车载主机模块、g p s 接收模块及p c 机数据处理与分析系统。 整体系统结构框图如图l - l 所示。 前四个模块作为终端数据采集单元，采用8 0 c 1 9 6 k b 作为c p u 实时采集各个终端的参数。分别为： 电能模块：采集动力电池和辅助电池的电压、电流、充电量、放 电量等状态值及环境温度； 第l 章概述 车辆模块：采集车辆的启动、制动和空调启停状态，电机和柴油 机的转速； 电机模块：采集电机电压、电流、用电量和反馈电量； 电池模块：采集4 0 组电池的电压、温度和传感器状态。 两个软件模块： 车载主机模块：接收终端数据采集单元发送来的数据，进行实时 显示，并以合理的压缩算法对大量数据进行记录，以各进行地面 分析与处理。必要时以串行通讯方式向便携式p c 机实时发送数据 以进行随动试验跟踪显示。 p c 机数据处理与分析系统：对数据进行离线式处理与分析，查询 图1 1 整体系统结构框图 第1 章概述 电动汽车整个运行过程中任意时刻的各种运行参数，并绘制出参 数曲线，并做一定的数据分析。 另外还有一个“g p s 接收模块”，它的任务就是接收g p s 数据 信息，用作测速测距研究。 图1 - 1 中的虚线框内的内容就是本文要详细介绍的内容。课题组 研究的目标就是研究开发对采集的电动汽车的主要运行状态及参数进 行实时接收、处理、记录以及数据可视化及图形化显示、统计分析、 汇总报表、存档、打印等工作的软件系统，以形成对电动汽车主要运 行工况进行实时监测以及对其产品进行检测、试验和认证的能力。研 究的主要内容包括两大部分，可具体用图1 2 表示出来： i p c i 0 4 车载部分 图1 - 2 研究内容结构设计框图 第1 章概述 数据的接收及显示：实时读取双口r a m ，接收数据并做好处理 以供后续使用。 数据的显示：采用多种显示方式实时显示各项参数。 数据的记录：数据的记录文件为二进制文件，记录算法采用非定 长压缩算法，数据变化则做一次记录。 数据的转储：数据的转储介质选用移动闪盘。 2 p c 机数据处理与分析系统 试验参数的设置：设置必要的参数，为试验做准备。 数据库的转换：将从p c i 0 4 车载装置上转载下来的二进制记录文 件转换成s q ls e r v e r 数据库。 记录的查询：随时查阅s q ls e r v e r 数据库，打印报表。 随动试验：在现场可以启动串行通讯，接收实时传送的数据并绘 制同步曲线图。 试验自动评判专家系统：建立专家系统，对电动汽车性能进行评 价，这是课题组在今后的工作中要加以完善的部分。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 车辆行驶速度及行驶距离是车辆运行中的基本参数，也是分析车 辆性能的主要依据，所以必须提供高精度、高可靠的速度和距离参 数。如何精确的测量这两项参数就是本章将要解决的问题。 2 1 电动汽车测速测距方法研究 2 1 1 电动汽车测速测距的常用方法 我国汽车上的测速方式一直沿用测量车轮转速与车轮圆周作乘 积的方法，其中车轮转速的测量( 即测频) 是测量的重点。 关于测频的方法通常有以下四种： 频率法( “f ”法) 即定时计数法，它需要设置一个时间闸门t ，然后在这个时间t 范围内计数，主要用于测量高频信号。 周期法( “t ”法) 即测脉冲宽度法，主要用于测量低频信号。 多倍精度周期法( “m t ”法) 即根据不同的频率选择不同的被测信号周期数。这种方法实现 时不易编制统一的程序，因此使用很少。 f r 法 在时间t 内记下每一个脉冲的输入实时时间t m 及输入脉冲的个 数n ，用最后一个脉冲输入实时时间减去第一个脉冲输入的实时时间 就得到实际的时间闸门t 。实际处理时采用精确的t 和t 时间内准 确的脉冲个数( n 一1 ) 来计算脉冲频率。f t 法对于高频低频信号均适 用，且测量精度高。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 有了车轮转速n ( 转分) ，设车轮直径为d ( 米) ，则车辆行 驶速度v ( 于米d 时) 由下式可求出 v = 0 0 6 7 r d - n 可以看出，车辆的行驶速度还与车轮直径有关，不同的车辆车 轮直径是不相同的。如果装置安装在不同的车辆上，试验前必须设定 车轮直径，并且车轮直径的值不一定很精确，极大的影响了速度的测 量精度。并且一旦车轮出现空转、蠕滑、蛇行和抱死等现象，也会引 起很大的误差。因此，这就迫使我们打破常规的测量方法选用新的方 法。 g p s 测速测距法是课题组选用的新方法。它利用g p s 系统精确 的授时、定位和跟踪特性，通过接收g p s 系统测定的目标运行速度 及位置测量值来完成测速测距工作。下厦就g p s 系统做一下简单介 绍。 2 1 2g p s 简介 航天技术是加世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影 响的科学技术领域，它对人类社会的进步和现代科学技术的发展有着 重要的促进作用。全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国国防部为陆、海、空三军研制的卫星导航定位系统。它采用 “多星、高轨、高频、测时测距”体制，具有全球覆盖、全天候、 高精度、连续实时的精密三维导航与定位能力，有着广泛的应用价值 和发展潜力。 1 g p s 的组成 g p s 主要由三大部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用 户设备部分。 ( 1 ) 空间卫星星座 g p s 卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中包括3 颗备用卫星。工作 卫星分布在6 个等间隔的轨道面内，每个轨道面分布4 颗卫星，保障 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 在地球上和近地空间任一点、任何时刻均可至少同时观测4 颗g p s 卫星，便于进行实时定位。 其主要功能为：接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接 收并执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行必要的数据 处理；通过星载高精度原子钟产生基准信号和提供精确的时间标准； 向用户连续不断地发送导航定位信号：接收地面主控站通过注入站发 送给卫星的调度命令。 ( 2 ) 地面监控系统 地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断 等设备。监测站配有g p s 接收机、环境数据测量仪、原子频标和处 理机等。五个监测站均为无人值守的数据采集中心。 地面监控系统的主要作用是：跟踪观测g p s 卫星，计算编制卫 星星历；监测和控制卫星的“健康”状况；保持精确的g p s 时间系 统，向卫星注入导航电文和控制指令。 跟踪观测g p s 卫星：各监测站g p s 接收机对g p s 卫星进行连续 观测，同时收集当地的气象数据。 收集数据：主控站收集各监测站所测得的伪距和积分多普勒等观 测值，气象要素，卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状 态数据，以及海军水厦兵器中心发来的参考星历。 编算导航电文：根据所收集的数据，计算每颗g p s 卫星的星 历、时钟改正、状态数据和信号的电离层延迟改正等参数，并按 一定格式编制成导航电文，传送到注入站。 诊断状态：主控站还肩负监测整个地面监控系统是否正常工作， 检验注入给卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文 发送给用户等任务。 注入导航电文：注入站在主控站的控制下，将卫星星历、卫星时 钟钟差等参数和其它控制指令注入给各g p s 卫星。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 调度卫星：主控站能够对g p s 卫星轨道进行改变和修正，还能 进行卫星调度，让备用星去取代失效的卫星。 ( 3 ) 用户设备 用户设备的核心是g p s 接收机。它是由主机、天线、电源和数 据处理软件等组成。其主要功能是，接收卫星发播的信号，获取定位 的观测值，提取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数，经数据 处理而完成导航定位工作。 当前，g p s 用户设备发展的主要趋势是：集成化、小型化；高 动态、多通道；采用差分g p s 接收机，可进行实时差分导航定位， 以消除定位误差，提高定位精度；以g p s 为中心的组合导航系统； 高精度动态接收机，以满足高精度要求的用户需要；g p s 与通信结 合，目前很多国家在研究将移动通信结合到g p s 中去。 2 g p s 的特点 g p s 系统最基本的特点是以“多星、高轨、高频、测时一测 距”为体制，以高精度的原子钟为核心，由此产生下列主要特点： ( 1 ) 全球覆盖连续导航定位 由于g p s 有2 4 颗卫星，且分布合理，轨道高，所以在地球上和 近地空间上任何一点，均可连续同步地观测4 颗以上卫星，实现全 球、全天候连续导航定位。 ( 2 ) 高精度三维定位 g p s 能连续的为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间 信息。伪距观测的单点实时定位事后处理精度可达3 5 m 。载波相位 测量相对定位精度可达1 0 - 7 1 0 。 ( 3 ) 实时导航定位 利用g p s 进行导航定位，1 秒即可完成一次定位。 ( 4 ) 被动式全天候导航定位 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 用户设备只需接收g p s 信号就可进行导航定位，而不需发射任 何信号。这种被动式导航定位不仅隐蔽性好，而且可容纳无数多用 户。 ( 5 ) 抗干扰性能好、保密性强 g p s 采用数字通讯的特殊编码技术，即伪噪声码技术，具有良 好的抗干扰性和保密性。 3 g p s 的用途 g p s 性能优异，应用范围极广。可以说，凡是需要导航和定位 的部门都可以采用g p s 。g p s 的建成和应用，是导航技术的一场革 命，对定位技术也是一次巨大的推动。 ( 1 ) 导航定位应用 g p s 是空中、海洋和陆地导航定位最先进、最理想的技术。它 可以为飞机、舰船、车辆、坦克、炮兵、陆军部队和空降兵提供全天 候连续导航定位。它是航天飞机和载人飞船最理想的制导、导航系 统，为其起飞、在轨运行和再入过程连续服务。 ( 2 ) 精密定位应用 应用g p s 载波相位测量技术可以精确地测定两点间的相对位 置，精度可达1 0 _ 7 1 0 培，为大地测量、海洋测量、航空摄影测量和地 震监测、地球动力学测量提供了高精度、现代化的测量手段。 ( 3 ) 精密授时、大气研究 g p s 时与u t c 时是同步的，是当今精度最高的全球授时系统。 一般接收机测时精度为l o o n s ：专用定时接收机达n s 级。 利用g p s 所测定的电离层延迟和多普勒频移延迟，可用来研究 电离层的电子积分浓度、折射系数、电子浓度随高度的分布，以及上 述电离层参量在时间和空间上的相关性等。 ( 4 ) 为武器精确制导 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 应用c p s i n s 组合制导系统时，g p s 不断修正导弹飞行中惯 性导航误差，提高制导精度，增强武器的“精确打击”能力。 ( 5 ) 航天与武器试验中的应用 g p s 在各类航天器定轨和导弹、常规武器试验中有着广泛的应 用。g p s 可为各类卫星测定精密轨道，用差分g p s 完成飞船的交会 和对接。在武器试验中，应用g p s 可精确测定弹道，具有不受天气 条件、发射场区、射向、射程和发射窗口的限制；可实现连续、全程 跟踪测量，可跟踪低飞和多个目标，且精度高、费用低。 g p s 还可用于飞行器姿态测量。采用g p s 载波相位测量技术， 在卫星或其它航天器的适当位置上安装多副天线，用g p s 测定各天 线的精确位置，从而确定航天器的姿态。 鉴于g p s 有精确的授时、定位和跟踪特性，我们就可以利用它 来完成测速测距工作。 2 2 电动汽车6 p s 测速测距法的实现 确定了采用g p s 测速测距法后就应选择理想的g p s 接收模块， 装置中选用的是m o t o r o l a 公司生产的o n c o r e 系列的m 1 2 接 收器。 2 2 1m 1 2 简介 m 1 2 接收器是o n c o r e 家族中的最新成员，具有极低的功耗； 1 2 个并行通道，外形尺寸仅为4 0 6 0 1 0m i l l ，提高了在城市中抗 树荫和楼群遮挡的性能；拥有全g p s 行业内摄快的初次定位时间 哪和重捕获卫星的时间：提供2 7 5 至3 2 伏的电压，包括支持逆 向差分的能力；在诸如汽车定位和调度系统中，为了获得更高的精 度，可以通过设置差分基站的方法来改良定位效果；支持r t c m 格 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 式的差分功能；双通讯串v i ；用户可控制的速度滤波器和一个天线检 测回路。其产品主要性能指标如表2 - 1 所示： 表2 - 1 m 1 2 主要性能指标 1 2 个并行通道 接收器结构 c a 码( 1 0 2 3 m h z 码片速率) 基本特征 码+ 载波跟踪( 载波辅助跟踪) 跟踪能力同时跟踪1 2 颗卫星 唧典型值 1 5 秒( 当拥有当前的天 捕获时间 历、位置、时间和星历数据时1 瞬时被遮挡，小于1 0 秒 被遮挡6 0 秒后，2 0 秒 饿能酶赢 定位精度 小于2 5 米，s e p ( 无s a 时1 速度精度无s a 时0 0 2 米秒 定时精度 5 0 0 纳秒( 有s a 时) 天线 接收器提供电源( 1 5 r n a 、3 v d c ) ( n 选 5 v d c ) 纬度，经度，高度，速度，航向，时间 摩托罗拉二迸制，9 6 0 0 波特率 胄程通谲输出信息输出速率可由软件选择( 连续输出或询 问输出) 1 几接口电平( 0 至3 v ) 尺寸接收器：4 0 0 x 6 0 0 x 1 0 0 毫米 j 槐城特性 接收器：2 5 克 重量 有源天线 4 0 克 环境特性操作温度 4 0 。c + 8 5 。c 操作湿度9 5 不冷凝+ 3 0 。c + 6 0 。c 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 1 8 公里( 最大) 操作高度 当速度 1 8 公里 2 7 5 至3 2 v d c ，5 0 m v 峰问波纹电压 电源规格 ( 最大) 电气特性后备电池 外部2 7 5 v d c 至3 2 v d c ；5 r t a ( 标准 电源 2 7 5 v d c ) 功耗 0 2 2 5 w 3 v d c ，不含天线2 0 m a m 1 2 模块的串行i o 口电平定义为0 v 到3 v ，波特率为 9 6 0 0 b p s ，8 个数据位，1 个停止位，无奇偶校验。输入输出信息参 数更新频率最大1 h z ，响应的信息包括位置、速度、时间、卫星状 态、接收状态、天线状态等。参数单位列举如下： 纬度经度1 毫秒 高度0 0 1 米 速度0 0 1 米秒 方位0 1 度 时间1 纳秒( n s ) m o t o r o l a 二进制命令主要用于初始化、设置、控制和监视 g p s 接收器。二进制命令支持9 6 0 0 b p s 串1 ：3 通信。命令有： 表2 - 2m o t o r o l a 二进制命令表 命令含义 a g 卫星屏蔽启 a o数据身份代码 a p 用户可定义d a t u m 的坐标系 a q 电离层修正选项 a s位景保持参数 a u海拔保持高度 a y 1 p p s 时间补偿 a z1 p p s 电缆延迟 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 a m 位置锁存参数信息 a n 航海滤波器信息 a q位置滤波器选择 a s位置锁存选择信息 b b 可见卫星数据信息 b e星历数据请求( 响应c b ) b ou t c 补偿输出信息 c b 星历数据( 输出响应b e ) 或( 输入响应c h ) c f设置为不履行责任状态 c h星历数据响应( 回应c b ) c ii o 格式开关 c j接收器代码 c k伪距相关输入( 回应c e ) e q a s c 码位置信息 g a位置信息 g d位置控制信息 g b时间信息 g j 跳秒悬空 g k用户自定义编号代码 h a位置状态数据( 1 2 通道) h b短位置信息 i a自检信息( 1 2 通道) 启动程序的初始化目的是为了获得可利用的基本信息，例如想 要获得时间、位置( 纬度经度) 、速度，初始化时必须输入命令h a 。 完整的命令共8 个字节，格式为： h a r c h a ：命令符。 r ：数据响应输出频率，取值范围为0 - 2 5 5 。值为“0 ”表示只输 出一次数据，然后停止输出，“1 ”表示每秒输出一次数 据，“2 ”表示每两秒输出一次数据，依此类推。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 c ：前5 个数的异或校验和。 ：回车。 ：换行。 对应于 h a 的初始化后，数据的输出格式为： h amdy y h ms f f f fa a a a o o o oh h h h n l m m ma a a ao o o oh h h h m m m m v v w h hd dn t i ms id d ( 余下的1 1 个通道重复响应的数据) s sr fc c 0 0 0 0 t r u sh i l l w w w c ，共1 5 4 个字节，其中的常用字符代表含义详 细说明如下： h a ：命令符，数据帧首。 m ：日期中的月，取值范围为1 1 2 。 d ：日，取值范围为1 3 1 。 y y ：年，取值范围为1 9 8 0 - 2 0 7 9 。 h ：时间中的时，取值范围为0 2 3 。 m ：分，取值范围为o 一5 9 。 s ：秒，取值范围为0 6 0 。 f f f f ：纳秒，取值范围为0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 。 a a a a ：纬度，取值范围为一3 2 4 0 0 0 0 0 0 3 2 4 0 0 0 0 0 0 ( 9 0 o 一9 0o 、。 o o o o ：经度，取值范围为6 4 8 0 0 0 0 0 0 - - - 6 4 8 0 0 0 0 0 0 ( - 1 8 0o 1 8 00 1 。 h h h h ：高度，取值范围为1 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 0 ( 1 0 0 0 1 8 0 0 0 m 、。 w ：三维速度，取值范围为0 5 1 4 0 0 ( 0 0 t o5 1 4 m s ) 。 w ：二维速度，取值范围为0 5 1 4 0 0 ( 0 0 t o5 1 4 m s ) 。 l l h ：二维朝向，取值范围为0 3 5 9 9 ( 0 o - - 3 5 9 90 1 。 c ：前1 5 1 个数据的异或校验和。 ：回车。 ：换行。 在 h a 数据帧后往往还跟随有以 h b 为首的数据帧，共5 4 个字节，它的格式为： i - t o n ld y yh n lsf f f fa a a ao o o oh h h hm m m m 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 w v v l l hd dn ts sr r w v w v c ，其中的常用字符代表含义 为： h b ：命令符，数据帧首。 m ：日期中的月，取值范围为1 1 2 。 d ：日，取值范围为1 3 1 。 y y ：年，取值范围为1 9 8 0 2 0 7 9 。 h ：时间中的时，取值范围为0 2 3 。 m ：分，取值范围为0 - 5 9 。 s ：秒，取值范围为0 6 0 。 f 砸：纳秒，取值范围为0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 。 a a a a ：纬度，取值范围为一3 2 4 0 0 0 0 0 0 3 2 4 0 0 0 0 0 0 ( 一9 0 o 9 00 1 。 o o o o ：经度，取值范围为6 4 8 0 0 0 0 0 0 6 4 8 0 0 0 0 0 0 ( 1 8 0 o 1 8 0o ) 。 h h h h ：高度，取值范围为一1 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 0 ( 一1 0 0 0 1 8 0 ( 0 ) o1 。 w ：三维速度，取值范围为0 - 5 1 4 0 0 ( 0 0 t o5 1 4 m s ) 。 w ：二维速度，取值范围为0 - 5 1 4 0 0 ( 0 0 t o5 1 4i n s ) 。 h h ：二维朝向，取值范围为0 - 3 5 9 9 ( 00 3 5 9 9o ) 。 c ：前5 1 个数据的异或校验和。 ：回车。 ：换行。 为了尽量保证装置一秒钟能收到一次正确的数据，就必须保证 收到的数据包头为“ h a ”，这就要求有同步工作，即收到一次 正确的数据后就初始化一次g p s 接收模块，但这势必影响程序执行 的速度。并且研制中发现，如果将串行通讯的r t h r e s h o l d 值设为 2 0 8 ( “ h a ”与“ h b ”两帧数据字节数之和) ，在接收到的数 据中，肯定会有一帧完整的数据，要么是“ h a ”数据帧，要么 是“ h b ”数据帧，它们都包含有我们所需要的完整的数据信 息。因此就产生了一种新的解决方法： 第2 章电动汽车钡i 速测距系统的设计 程序启动时将g p s 接收模块初始化一次，将串行通讯的 r t h r e s h o l d 值设为2 0 8 ，每接收到一包数据时，在接收到的数据包中 查找“ h a ”或“ m ”数据帧首。若先找到“ h a ”，则 可以肯定“ h a ”数据帧信息是完整的，读取此帧数据即可；若 先找到“ n b ”，则可以肯定“ h b ”数据帧信息是完整的， 读取此帧数据。然后对正确的数据帧进行处理。 如果连续三秒内未收到一次正确的数据，则将g p s 接收模块初 图2 - 1 a 主程序流程图 串行中断 图2 - 1 c 串行中断流程图 定时中断 图2 - 1 b 定时中断流程图 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 始化一次。 这种方法可以有效的保证装置一秒钟能收到一次正确的数据， 程序设计的流程图如图2 - 1 所示。 2 2 2 电动汽车的测速 当g p s 接收模块收到正确的数据后，此后的工作是如何提炼正 确的速度值和计算车辆行驶距离。 经讨论后确定的接收到的正确数据必须满足以下四个条件： 1 通过异或校验和：求出收到的一帧完整的数据的异或和，然后与 收到的异或和比较，两个数据相等则通过验证。 2 由于电动汽车的速度取值范围为0 - 3 0 0 千米，j 、时，所以收到的速 度值也应该在此范围内。 3 汽车行业发展到现今阶段，世界上加速度最大的是f e r r a r ie i i z o 跑 车，它的最大加速度为：3 6 5 秒百公里，意即车辆从静止加速至 1 0 0 千米d 时需3 6 5 秒。暂且认为它是匀加速运动，已知 v o 一0 ，e = 1 0 0 ，t 一3 6 5 由 口；! 监( 公式2 - 1 ) t 得到它的加速度为a 一7 6 1 m l s 2 ，为了简化计算，将它换算成 口一2 7 4 0 k i n i h s ，因此将加速度的上限值定为3 0 k m h s ，当由前 后两次接收到的g p s 数据求出的加速度值a s3 0 k m h s 时，才认 为收到的速度值正确。 4 另外，在解决速度测量的零漂问题上，将速度小于1 5 千米孙时 的情况视为速度为零。 同时满足以上四个条件，就能得到精确的速度值。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 2 2 3 电动汽车的测距 测距法有两种，一种是经纬度测距法，一种是速度积分法。 1 经纬度测距法 由于g p s 有精确的定位特性，所以可以采用经纬度测距法，即 由经纬度求出两点间的球面距。球面距a b 是指过球面a 、b 和球心 o 的大圆劣弧长a 口。假设a 点的纬度为妒。，经度为p 。，b 点的纬 度为，经度为，那么a 、b 两点间的经度差a 8 为 肌 0 a _ 0 b l 刮, 若1 0 划a - 0 嚣o c 蛾彩 在平面几何中，要求出劣弧a b ，只需求出弦a b 所对的圆心角 “即可，其范围限定在0 。1 8 0 。经过一系列推导，a 可由下式求出 c o s ats i n q o a s i n t p b + c o s 吼c o s c o s p ( 公式2 3 ) 如果已知地球半径为r ，那么所求的球面距a b 为 a b r a r c c o s( 公式2 _ 4 ) 但由于地球并非一个标准的球体，所以球半径r 的值是不一定 的。由此计算出来的球面距a b 存在着( 2 0 3 0 ) 米的误差，如果让 此误差累加，会极大的影响测量精度。因此课题组选用了速度积分 法。 2 速度积分法 速度积分法是综合考虑各方面因素后最终选用的方法。由公式 s ；v ( 公式2 - 5 ) 很容易知道，要想求出准确的距离s ，必须以准确的速度v 与时间t 为前提。 在前面的论述中已经确保了速度v 的准确性，现在就应该谈谈 如何确保时间t 的准确性。在前面求加速度a 时也涉及到时间准确性 的问题。 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 首先表示时间的数据必须在它们各自的取值范围内，然后就是 和车载p c i 0 4 的系统时间的融合问题。由于求距离使用的是时间， 所以不必刻意去追求时刻的精确性，只要保证时间的精确性就够了。 在程序初始化阶段，先确定一组正确的g p s 时间，然后把它与 p c i 0 4 的系统时间做差得到差值瓯，确定g p s 时间与p c i 0 4 的系统 时间之间的差值绝对值范围为 a ；a o + 5 0 0 ( 单位毫秒) 以后每收到一次认为是正确的g p s 时间数据，都与p c i 0 4 的系统时 间做一次差值，设差值的绝对值为6 ，审视是否满足条件 6 a 如果满足条件才能最后认为收到的g p s 时间是正确的，可以进行距 离的累加计算。 距离的计算公式为： s ；v 8 i 白 s t v f “- t , 一1 ) 百： ( 公式2 6 ) ( 公式2 7 ) ( 公式2 8 ) 公式二7 表示每段时间内行驶的距离，速度是此段时间内的平均 速度i ，具体求法如公式2 - 8 所示。然后由公式2 - 6 将每段距离s i 累 加得到总距离s 。 如果试验场地固定为环形跑道，那么还可以加入对s 的修正工 作。假设环形跑道周长为c ，当某时刻采集到的经纬度与初始经纬度 在误差范围内相等，并且计算而来的s 与c 也在误差范围内相等时， 就认为此段时间内的行驶距离为n c ( n 为出现经纬度与初始经纬度 相等情况的次数) 。 系统中对距离的计算是用时间乘以速度的方法得到的。由于 g p s 接收模块向p c i 0 4 发送数据的频率是1 h z ，所以先设车辆一秒 第2 章电动汽车测速测距系统的设计 内行驶的子距离为s i 。时间的测量精度为5 0 0 纳秒，可以认为是精确 值；速度的测量精度为0 0 2 米，秒，则距离的精度为 0 0 2 x l = o 0 2 ( m ) 再假设分区长度为1 0 k r a ，车辆以平均2 0 k m h 的速度行驶，则 行驶时间为 f ：! ：1 0 3 6 0 0 ：1 8 0 0 ( s 、 v2 0 7 且行驶时间随着速度的提高而减小，所以理论计算上的测距误 差为 0 0 2