第二篇系统篇

1、第二篇第二篇 系统系统用第一篇介绍的各个模块来构造可运行的系统.自主式: 定位和导航功能在车内(移动端)实现而不涉及远程中心主机或中心式计算设备的系统称为自主式系统.中心式:中心式定位系统是利用中心主机的计算设备和通信设施在特定区域内远程定位或跟踪车队的系统.良好的系统结构对于成功的定位和导航系统来说十分的重要. 第九章第九章 自主式定位和导航自主式定位和导航9.1 引言 系统的复杂性通常取决于结构和设计的权衡.如定位精度要求,单位成本,支持导航功能的复杂性是否需要无线通信接收机来支持定位功能等. 例如:徒步旅行或野营者使用的低成本,手持式,自主式定位装置. 廉价的定位技术 GPS 显示单元限

2、于文本的单色的LED显示设备,显示经度和纬度. 又如较复杂的系统,采用多种集成定位技术. 采用与GPS相结合的推算定位,复杂的地图匹配功能,CD-ROM,硬盘驱动器或基于内存技术的地图数据库.用户界面采用同时显示文本和地图的平面显示器.9.2 车辆定位车辆定位 定位系统结构包括两个主要模块: 定位模块 用户接口模块 定位人机接口 推算定位 说明 地图匹配 声频输入/输出 信标信号 文本显示 地面无线电信号 方位显示 卫星信号 地图显示图9.简单的车载定位系统根据用户的需求可以从每一模块选择一种或几种不同技术来构造可运行的车载定位系统例如：徒步者（卫星信号）文本显示.独立的卫星定位技术独立的卫星

3、定位技术（）推算定位使用传感器的数据融合来确定车辆位置相对距离测量通常从车辆里程计来推算，方位信息一般由磁罗经，差分里程计或陀螺仪提供缺点：传感器噪声引入的误差或初始确定的车辆位置的不精确而造成的误差，使得精度成为这类系统的问题高定位精度的系统不可用推算定位技术作为唯一的定位源优点：不需要通信接收机，减少成本地图匹配算法可用于解决推算方法所造成的不精确性多传感器融合（.节）技术有助于补偿推算定位的不精确性（）采用计算机视觉系统基本原理是在实际出发前存储沿途采集的图象，然后在行程中将摄象机捕获的图象与之匹配来识别车辆位置缺点：不能用于数据库中没有包含的区域优点：不需要通信接受机进行位置确定.地面

4、无线电定位技术三类常用的地面定位测量技术：到达时间（）到达角度（）到达时间差（）均利用（射频）信号以恒定速度传播以及传播信号的路径是可预测性的原理：通过测量从多个已知位置的发射机广播信号到达接收端的传播时间来确定移动设备或车辆的位置，同定位一样：利用三角测量来计算车辆位置单元点1单元点2a1a2d无线2无线1图9.3由到达角（AOA）确定位置缺点：对信号的阻挡和多经反射的敏感性,误差可达几百米;优点:需要两点就可确定车辆的位置，无需在单元小区间保持时间同步.TDOA：利用RF三边测量来计算车辆的位置=a rc sin (/)ctd（-P，O）（P，0）d1d3(0.2)h1d2h2基站1基站2

5、基站3图9.4 到达时间差(TDOA)定位或双曲线定位22221xyba121 2ddct(x, y)其中:以两个站点为焦点的双曲线方程(基站1，基站2）以上的几种无线电定位技术精度较低还有OMEGA 为美国潜艇导航; LORAN-C 为美国海岸警备队服务大多数地面无线电定位系统,最小定位误差为150M，最坏定位误差为2000M，不适于车辆定位，适于海运和航空。120.5ac t12222120.5(4)bdc t9.2.3 卫星定位技术卫星定位技术 GPS 自己复习9.2.4 接口技术 LED LCD 9.3 车辆导航接收机存储器声音设备计算机控制可视显示位置传感器安全传感器图9.5 复杂的

6、车载导航系统9.3.1 解决复杂的技术要求 选择和继承适当的导航模块时，我们必须对用户的需求有深入的了解。 以出租车辆为例（自主式导航系统），系统的能力需求： 1、系统必须有能力在90%的行程时间里确定车辆当前位置，与实际位置的偏差小于20米； 2、系统必须有能力将车辆当前的位置转换成地图坐标，接着转换到最吻合的路段位置；3、系统能将车辆当前位置显示在地图上并能让驾驶者看到；4、系统能够接受旅行目的地的请求并给出到达目的地的最佳路线；5、系统能根据整个规划路线的相关方向的行驶指令输出语音和视觉指示；6、系统能确定车辆显示“偏离路线”，即偏离规划路段；7、系统能从当前错误位置开始重新规划路段来纠

7、正“偏离路段”状态。需求分析：1、GPS接收机可工作于小于20M的误差范围内，上面90%的要求全得到满足。卫星信号被遮挡的时间不超过10%的运行时间，在郊区是可行的方向，行程的大多数时间在城区，可能不满足这一需求。因为高楼、立体交叉路及隧道会在行程中的重要时段遮挡GPS信号，使信号被遮挡的时间超过10%。需要采用辅助的定位系统对GPS系统来补偿GPS在城区环境的缺点。 当GPS系统和推算定位子系统的位置输入不一定时，需通过仲裁来确定优先采用哪一个位置输入。2、没有无线电通信链的中心连接，地图数据库必须用于车载的海量存储设备中。 CD-ROM 硬盘 PCMCIA缺点： 移动的读写头 容量小 将位

8、置转换成地图数据库使用的格式，地图数据库是可导航的，提供用来规划路径和引导车辆的信息。 若选择的地图数据库不使用像GPS一样作为其椭球基准，将GPS坐标转换为地图数据库使用的坐标。 系统利用地图匹配算法确定最恰当的路段，系统使用的数据库实际是静态的。 因为修筑道路、关闭道路、开拓新路造成规划出的路径中断或耽误。思考题：如何解决静态数据库？3、是否显示应该背光？ 白天受光影响如何？ 显示器应放在哪里？ 是否会阻挡驾驶者的视线？ 背光 彩色的LCD4、最佳路线（1）是否需要文字表达？ 是否可用开关设置或触摸屏模拟键盘输入目的地？如果输入目的地，数据库中不含此地址如何处理？（2）规划标准：最快行程

9、最短距离 最多或最少的高速公路 不同的规划标准需要地图数据库中的不同属性及在算法中定义不同的评价函数。5、输出语言和视觉指示语言系统：是否有音量控制视觉上：如何指示车辆的驾驶者“大幅度”或“小幅度”转弯？6、偏离规划路段 定位子系统提供的位置报告表明车辆已不在路段上，需用启发式算法来确定是车辆定位测量产生误差还是车辆有目的地离开道路，停靠路边。7、纠正“偏离路线”状态 系统应如何向驾驶者报警？ 重新规划的路线是以时间形式，是否需要延长时间？9.3.2 导航和娱乐共用部件导航和娱乐共用部件 扬声器可用于听依次引导行驶指令，普通AM/FM广播或免提蜂窝电话。第10章 中心式定位和导航10.1 引言

10、实现中心式定位和导航需三个高层次功能模块。无线通信主机设备（服务器）移动设备（客户）图10.1 中心式定位和导航系统结构 中心主机可提供全双工导航支持，并基于实时交通信息完成交通数据融合以提供动态路线引导，由通信网来提供中心主机与移动设备间的传输通道。系统设计三个主要问题：定位和导航功能模块放置何处定位精度和定位更新频度无线通信技术的选择各种定位技术的性能比较：书P260，表10.110.2 自动车辆定位（自动车辆定位（AVL） 自动车辆定位（AVL Automatic Vehicle Location)系统在特定区域内跟踪车队的位置并将此信息通过通信设施报告给中心主机。 如调度中心、交通信息

11、中心或交通管理中心。10.2.1 中心控制方式 中心式定位系统是利用中心主机的计算设备和通信设施在特定区域内远程定位或跟踪车队的系统。 地图匹配数字地图数据库无线通信人机接口移动客户主机服务器图10.2 一般中心式AVL系统（所有定位功能将由中心主机固定设施来完成）TOA AOA TDOA 智能单元位于中心主机及通信网络10.2.2 分布式控制方式分布式控制方式 分布式定位系统是基于移动端上的设备向中心主机设备报告的信息在特定区域内跟踪车队位置的系统。 各车辆或移动设备自主来定位。 中心主机可为各种形式，但无定位能力。主机服务器无线通信数字地图数字库人机接口地图匹配定位移动客户图10.3分布式

12、AVL系统例子： 定位部件为车载GPS接收机，车上不安装地图数据库及地图匹配模块。 移动单元采用40字符LCD显示信息和调度信息。-显示器 移动单元每5分钟查询GPS接收机的位置并在接收到中心主机消息时报告这一位置。 基本工作过程：初始化通信频道，进入轮询循环，定期地读通信频道的信息。移动单元发送中心主机：车辆标识：经度、纬度中心主机发送到移动单元：信息消息：要求移动单元返回当前位置；调度消息：左拐弯等。10.3 动态导航动态导航 动态导航系统采用实时交通信息帮助用户在道路网中行驶。-又称动态路径引导。10.3.1 中心动态控制方式中心动态控制方式 路遇到智能化模块放在中心主机设备上的系统。中

13、心式动态导航系统依靠多车辆（系统范围内）路径规划模块以实现交通信息引导行驶在路上的车辆。 中心主机在特定道路网络内为所有车辆优化各自的路线。中心服务器数字地图数据库人机接口路径接口无线通信人机接口定位移动客户图10.4 一般的中心式动态引导系统 驾驶员用车载导航设备进行选择目的地，通过无线通信送到中心服务器。 路径规划 最优化的路径数据 通过无线通信送到车载导航设备（驾驶员） 注：中心数据库是综合了实时交通信息的动态数据库。10.3.2 典型应用：无线电话呼救系统典型应用：无线电话呼救系统 无线电话呼救系统提供的服务； 提供定位的应急服务； 提供定位的路边援助；路径帮助和引导；远程闭锁车门；防

14、盗、盗失报警和盗失车辆跟踪；里胎破裂报警；旅行信息（交通、天气、加油站、餐饮、旅馆等）；免提和声控移动电话或传呼机。数字地图数据库人机接口无线通信人机接口定位中心主机服务器移动客户图10.6 无线电话呼救系统的简单结构 中心主机功能简化为具有人机接口的地图数据库和无线通信接口 车载系统可由控制GPS接收的微机控制器和无线通信设备，如蜂窝收发机组成。 书P280 无线电话呼救系统的车载设备RESCL（远程应急卫星蜂窝设备） 按下一个按钮，车上的蜂窝电话自动地呼叫服务中心。并向中心发送车辆的标识码和位置信息。中心接电话或利用地图数据库 确定车辆位置，通知援助去救援。 当然车载计算机还可以与发动机相

15、关，与门、报警装置等相关。 若车辆被盗，激活一个报警器，让发动机同时向中心发送报警信息、车辆标识，位置这样便于分配警力来抓捕盗贼。应用举例（综合设计）GPS/GSM车辆定位系统一、系统的结构管理中心SMS车载台1、车载台的设计GSMGPSLCD遥控遥控MCS-518052具体是ATMEL的AT89C522、中心服务器GSM大屏幕CRTAT89C52：与MCS-51兼容8K字节 flash memory串口 32I/O线3个16位定时计数器多路功能转换：解决8052只有一个串口，分时复用电平转换：TTL（0-5V） RS232MAX202或1488，1489YaoRXDYaoRXD1(RS232

16、)二、软件GSM 07.07, GSM 07.05GSM 07.07 AT蜂窝电话指令:AT+CGMI 查询厂家身份AT+CGMM 查询模块型号AT+CREG 网络注册AT+CHUP 挂机AT+CPAS 电话状态解释：AT+CHUP 挂机检测： 响应：OKAT+CHUP=？执行 响应：OK/ERROR注：例返回OK时实际的返回字节为：13H，10H，4FH（O），4BH（K），13H，10H其中13H为回车，10H为换行，在每个响应项的前后都有回车换行符。SMS AT指令（GSM 07.05）AT指令 功能AT+CSMS 选择SMS服务AT+CPMS 首选信息存储类型AT+CMGF SMS格式

17、AT+CSCA SMS服务中心地址AT+CNMI 新SMS指令TEAT+CNMA 新SMS回应到ME/TAAT+CMGL 列SMSAT+CMGR 读SMS AT+CMGS 发送SMSAT+CMSS 从SMS存储器中发送SMSAT+CMGW 写SMS到SIMR中AT+CMGD 从SIMR中删除短信息三三 、利用、利用AT指令收发指令收发SMS的格式及过程的格式及过程 手机收发短信息时，有两种格式：文本格式和二进制格式（PDU）1、发送SMS SMS的数据结构：短信息服务中心地址+PDU数据AT指令：AT+CMGS=Length为PDU数据字节长度（不包括服务中心地址长度）（1）短信息服务中心地址

18、：字节数+号码类型+电话号码例：139北京短信中心地址：+8613800100500 0891683108100005 FO08表示后面为8个字节（不包括08H）91为电话号码类型：91H 145 国际 81H 129 国内该中心电话号码为11位（不包括86），根据IEC标准不够偶数位后面补F这样8613800100500 8613800100500F 683108100005F0为8613800100500的压缩BCD码（2）PDU数据格式SMS类型（1B）+SMS参考号（1B）+目的地址+数据协议（1B）+编码格式（1B）+有效期（1B）+TPDU数据长度（1B）+TPDU数据SMS类型：

19、11HSMS参考号：59H目的地址：+8613901135933 0E91 683109115339F3 7个字节91H 国际0EH 14表示国内电话号码为14位（7个字节） 不包括91H数据协议：0DH编码格式：00H 文本 F5H 8位 数据有效期：0BHTPDU数据长度：真正所发数据的字节长度TPDU数据：所传送的数据例如：短信中心地址：139北京短信中心地址 ：+8613800100500 0891683108100005F0目的地址：+8613901135933 0E91683109115339F3（9个字节）TPDU：AB 41H，42H则length=6个字节+目的地址字节数+传

20、送数据 字节数Length=17个AT+CMGS=170891683108100005F0 1159 0E91683109115339F3 00F50B 02 4142 1AH发送成功时：13H，10H+CMGS：（13H，10H，13H，10H，4FH，4BH，13H，10H）+CMGS： O K OK如果发送不成功：（13H，10H）+CMS：ERROR：（13H，10H，13H，10H，4FH，4BH，13H，10H） +CMS：ERROR： OK2、接收SMS：短信中心地址+SMS类型（1B）+源地址+数据协议（1B）+编码格式（1B）+邮政时间+TPDU数据长度（1B）+TPDU数据

21、邮政时间：10018190519200 01年10月18日 9：15 29：00例如：接收到单元一条SMS0891683108100005F0 04 0E91683109115339F3 00F5 10018190519200 02 4142TPDU数据长度：02 2个字节TPDU数据：4142 AB对于短消息而言，国际标准，按8位数算，对多可传送140个字节，发文本字符，最多可传送160个字符。最小二乘：Least squares ARMA model:.( )()(, )Ty nNe N视测值：参数值：12111( )(1)(2) .()(1) .()( ; )(

22、0),(1),.(), (0), (1). () . ( )( )( ; )(1)(1)(1, )nnTnnTTy ka y ka y ka y knbu kb u kne k nyyy N uuu Naa bby nne ny nne n11( ) (1)(2). (1). ()( ) ( )( )( ) ( ) (1). ( )( , ) ( ). ( ) . ( ; )( )( ; ) ( ; )TTTTTnnTky ky ku ku k nY Ny ny NNnnNNe n e Na ab bYNJNN 其中矩阵：最小TTTTTTYYYYYJ)(2)()(YJYYJTTLSTTTTTT

23、1)(22)()(2取得极小值：使智能运输系统1 美国智能运输系统的发展研究始于60年代末电子线路导航系统(ERGS:Electronic Route Guidance System)80年代 智能化车辆 道路系统（IVHS：Intelligent Vehicle Highway System)1990年 成立IVHS组织1992年 制定了“智能运输系统”发展战略计划 补充补充 ITS （intelligent transportation system)1994年 IVHS更名为ITS America(Intelligent Transportation Society Of America

24、)2 美国智能运输系统的研究内容7个基本系统 29个用户服务功能(子系统)(1)出行和交通管理系统 6个 途中驾驶员信息系统 线路引导系统 出行人员服务系统 交通控制系统 突发事件管理系统 排放测试和污染防护系统(2)出行需求管理系统 3个 出发前的出行信息系统 合乘配载和预约系统 需求管理与运营系统(3)公共交通运营系统 4个 公共运输管理系统 途中换乘信息系统 满足个人需求的非定线公共交通系统 出行安全系统(4)商用车辆运营系统 6个 商用车辆电子通关系统自动化路侧安全检测系统商用车辆管理程序系统车载安全监检系统商用车辆交通信息系统危险品应急反应系统(5)电子收费系统(6)应急管理系统 2

25、个 紧急通告与人员安全系统 应急车辆管理系统(7)先进的车辆控制和安全系统 7个纵向避撞系统侧向避撞系统交叉口避撞系统视觉强化避撞系统事故前乘员安全保护系统危险预警系统自动公路系统3 欧洲的交通运输系统与ITS的发展ITS的主要内容:(1)交通管理 (2)行前信息(3)行程中的信息 (4)车辆控制(5)货物及车队管理 (6)自动收费1969年 交通控制的相关电子技术1986年 建立欧洲智能道路网1995年 PROMOTE (Program For Mobility In Transportation In Europe)车辆的交通管理系统和安全系统4 日本智能运输系统的发展4.1 1973年

26、汽车综合控制系统 CACS: (Comprehensive Automobile Traffic Control System)1984年 路车间信息系统(RACS: Road/Automobile Communication System)1987年 AMTICS: Advanced Mobile Traffic Information&Communication system)先进的车辆交通与通信系统1991年 先进的安全汽车ASV: Advanced safety vehicle1994年 日本成立ITS促进机构4.2目前主要做的三方面工作汽车信息和通信系统:VICS: Vehi

27、cle Information and Communication System)不停车收费 ETC (Electronic Toil Collection)先进的道路支援系统 AHS(Advanced Highway System)2001年 Smartway和Smartcar促进ITS发展4.3 日本日本ITS体子结构体子结构先进的导航系统ETC系统安全驾驶支援系统交通管理最优化系统道路交通管理高效化系统先进的公交系统车辆运营管理系统行人诱导系统紧急车辆支援系统5 中国中国ITS发展发展20年代末开始 交通控制电子设备80年代 引进国外先进的交通控制系统90年代 建设交通指挥中心2002年

28、 ITS+协调指导小组和办公室成立研究的主要内容:交通控制系统交通监视系统交通管理系统交通信息动态显示系统交通诱导系统交通运输安全报警系统:GPS/GIS闯红灯违章监视系统驾驶员考试系统交通事故快速勘察系统电子收费系统6 ITS未来发展方向(1)协调ITS的综合性(2)ITS的集成性(3)ITS的标准性(4)降低ITS应用成本7 经济效益:减少交通拥挤和行车延迟减少交通事故的发生率和死亡率社会经济效益增加能源消耗减少,污染程度降低8 ITS标准 国际国际标准体制,ISO1992年成立TC204工作组推动城市,郊区及高速公路一体化的智能交通的发展,第一次全体会议于1993年在美国华盛顿召开ISO

29、/TC204下设16个工作组,分别如下:第一组 体系结构 由英国及ISO牵头第二组 质量及可靠性要求 由美国及ISO牵头第三组 TICS(交通信息与控制系统)数据库技术 日本及ISO牵头第四组:车辆及设备的自动识别, 挪威及ISO牵头五组: 车辆电子收费, 荷兰及ISO牵头六组: 货物运行管理, 美国及ISO牵头七组: 商业车辆通行管理, 加拿大及ISO牵头八组: 公共交通及应急处理, 加拿大及ISO牵头九组: 集成的交通信息管理与控制, 美国及ISO牵头十组: 出行者信息系统, 澳大利亚及ISO牵头 十一组: 引导与导航系统,英国及ISO牵头十二组:十三组:十四组: 车辆与道路的报警与控制系

30、统,德国及ISO牵头十五组: DSRC(专用近距离通信)在TICS中应用,日本及ISO牵头十六组: 广域网通信的协议及接口,美国及ISO牵头Kalman Filter考虑线性离散时间定常随机系统:(1)( )( )( )( )( )x kx kw ky kHx kv k (KF-1)(KF-2)其中,状态( )nx tR观测( ), ,ny tRH为常阵，( ), ( )nnw tRv tR W(t)和 v(t)是零均值,方差各为和R的独立白噪声: (1)( )0Ewt ( ) 0, ( ) () 0,TEv tEwt v it j ( )0, ( )( )0,TEv tE w t vit j

31、1,0 ,tjtjtj(KF-3)(2)初试状态X（0）独立于W(t)和V(t),且0000(0), ( (0)( (0) TEXX E xx xxP(KF-4)Kalman滤波问题是：基于观测y(k),y(k-1),y(1),求状态x(j)的线性最小方差估计值 ，它极小化性能指标： 对j=K, jk 或jk，分别算 为Kalman滤波器，预报器或平滑器。 卡尔曼滤波器能用来融合多传感器的测量结果，提供系统当前状态的估算和系统未来状态的预测。( / )x j k( ( )( / ) ( ( )( / )TJE x jx j kx jx j k(/)xjk(5)KF (6)(1/1)( / )(

32、1) (1)( / )KFx kkx k kK ky kH x k k式中，K（k+1）称为滤波增益阵， 式中， 为一步预测误差的协差阵而， 为滤波误差的协方差阵(1/ )( / )x kkx k k 1(1)(1/ )(1/ )TTK kp kk H HP kkHR(1/ )P kk(1/1) (1) (1/ )nPkkIK kH pkk (9)K F (7)KF (1/)(/)TP kkP kkQ (1/1)P kk(8)KF Kalman滤波器是一种推算法:P0 P(1/0) P(1/1) P(2/1) X0 X(1/1) X(2/2) Y(1) Y(2) 测量得到00(0 / 0),(

33、0 / 0)xxpp(KF-8)(KF-8)(KF-7)(KF-9)K(1/1)(KF-9)(KF-7)K(2/2)(KF-6)例 已知离散时间随机状态标量方程式中, 相互独立,试求最优滤波误差的方差阵P(k/k) (k=1,2,3,4);并求定态值 解:(1)()()()()()x kx kwky kx kv k( )(0,25), ( )(0,15)(0)(10,100)w kNv kNxN(/)PP 001,1,25,15,100,10, (0/0) 100HRPxP(1/ )1( / )1 25( / )25(1/ )(1)(1/ ) 15(1/1)1(1)(1/ )15(1/ )(1

34、/ ) 15P kkP k kP k kP kkK kP kkP kkk kP kkP kkP kk(1)ex (2)ex (3)ex 计算结果:K P(K/K-1) K(K) P(K/K)0 0 0 1001 125 0.89 13.40 2 38.40 0.72 10.803 35.80 0.70 10.574 35.80 0.70 10.55 由(ex-1),(ex-2)和(ex-3)15 ( / )25(1/1)( ( / )25)1515( ( / )25( / )40,(1/1)( / )10.55,35.55 4,P(4/4)P k kP kkP k kP k kP k kkP

35、kkPP k kPPk 略去负根说明当时已达定态稳态Kalman滤波器.补充:数据融合(多传感器信息融合技术)(information fusion) or (data fusion)1.引言 多传感器信息融合技术不论在军事领域还是在民事领域受到广泛的关注,70年代末80年代初 美国战场监视,自动飞行器导航,机器人,遥感,图象处理,模式识别和复杂工业过程控制等领域. 多传感器数据融合:指对不同知识源和传感器采集的数据进行融合,以实现对观测现象更好地理解.1传感器1 传感器2冗余信息互补信息图DF-1 多传感器融合示意图 传感器之间的冗余数据增强了系统的可靠性,传感器之间的互补数据扩展了单个的性能. 多传感器融合系统的优点:1)提高系统的可靠性和鲁棒性,2)增强数据的可信任度,3)增强系统的分辨能力,4)扩展时间上和空间上的观测范围. 数据融合,一门跨学科的综合信息处理理论,涉及到系统论,信息论,控制论,人工智能和计算机通信等领域和学科.与经典信号与信息 处理理论存在着本质的区别,不同之处在于数据融合所处理的多传感器信息