CN101059916A

CN101059916A - 基于无线传感器定位的汽车桩考系统及桩考方法

Info

Publication number: CN101059916A
Application number: CN 200710022484
Authority: CN
Inventors: 夏娜; 蒋建国; 齐美彬; 黄越; 张祺; 安宝磊; 于春华; 徐普君
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2007-10-24

Abstract

基于无线传感器定位的汽车桩考系统及桩考方法，其特征是在考车车顶上按一前一后布置两个车载节点；桩考场地外围布置至少三个不在同一直线上的锚节点，车载节点及锚节点均为无线传感器节点，以其中之一锚节点配置与上位机进行通信的接口构成基站；随着考车在场地上的移动，以固定位置上的多个锚节点对车载节点进行实时定位，由车载节点的位置信息结合考车的轮廓信息获得考车轮廓位置信息，再将考车轮廓位置信息与场地各边线位置进行比较，进而判断考车是否有犯规动作。本发明在保证检测精度的前提下，能大幅度降低设备成本、并且能实时显示考车行进轨迹。

Description

基于无线传感器定位的汽车桩考系统及桩考方法

技术领域：

本发明涉及汽车桩考系统及桩考方法。

背景技术：

汽车桩考是我国公安部71号令、关于《机动车驾驶证申领及管理规定》中的科目考试。目前使用的汽车桩考系统主要是采用如下相关技术：

采用远距离红外线检测器进行车身压线检测，采用振动传感器进行碰擦桩杆检测，采用考车上的传感器和无线发射装置进行停车和发动机熄火检测。该系统存在的问题包括：

1、系统设备庞大、价格昂贵。需要设置场地龙门架、7～8对远距离高精度红外探头，该红外探头通常是采用德国Banner公司的产品，一套车管所考试用的JW-S2A报价达到14～18万；

2、整个系统的设置需要大量布线；

3、系统本身无法记录考车的行进轨迹。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种在保证检测精度的前提下，能大幅度降低设备成本、只需少量布线、并且能实时显示考车行进轨迹的基于无线传感器定位的汽车桩考系统及桩考方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于无线传感器定位的汽车桩考系统的特点是：

在考车车顶上按一前一后布置两个车载节点；在桩考场地外围布置至少三个不在同一直线的上锚节点，所述车载节点及锚节点均为无线传感器节点，并以其中之一的锚节点配置与上位机进行通信的RS232接口或USB接口，构成能够收集其它节点的传感信息并与上位机进行通信的基站；

所述各无线传感器节点为小型嵌入式系统，其系统构成包括中央控制器(MCU)、通信模块、超声模块、存储器以及电源，其中，

中央控制器采用可实现射频控制、超声控制和数据处理的中央处理芯片；

通信模块由射频通信电路和外置天线构成，实现传感器节点之间的数据通信；

超声模块实现超声波的发送或接收，并与通信模块中的射频通信电路协同工作，完成锚节点与车载节点之间的测距。

本发明基于无线传感器定位的汽车桩考方法的特点是：

随着考车在场地上的移动，以固定位置上的多个锚节点对车载节点进行实时定位，由车载节点的位置信息结合考车的轮廓信息获得考车轮廓位置信息，再将所述考车轮廓位置信息与场地各边线位置进行比较，进而判断考车是否有犯规动作。

本发明基于无线传感器定位的汽车桩考方法的特点也在于：

在桩考场地所在平面上设置XOY坐标系，确定桩考场地在该坐标系中的位置，获得场地上各边线的固定坐标值，以及场地外围各锚节点A、B、C的固定坐标值；

设定：锚节点A、B、C的坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，通过传感器实测车载节点D与各锚节点A、B、C之间的距离分别为d₁、d₂、d₃，令任一车载节点的D的坐标为(x，y)，因此获得如下关系式：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2}} = d_{1} \\ \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2}} = d_{2} \\ \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2}} = d_{3} \end{matrix}

由上式得到节点D的坐标为：

[\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}] = {[\begin{matrix} 2 (x_{1} - x_{3}) & 2 (y_{1} - y_{3}) \\ 2 (x_{2} - x_{3}) & 2 (y_{2} - y_{3}) \end{matrix}]}^{- 1} [\begin{matrix} x_{1}^{2} - x_{3}^{2} + y_{1}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{1}^{2} \\ x_{2}^{2} - x_{3}^{2} + y_{2}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{2}^{2} \end{matrix}]

根据一前一后两只车载节点在同一时刻的坐标位置，配合考车外轮廓，获得考车轮廓线在所述XOY坐标系中的位置信息，进而判断考车犯规与否。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明将无线传感器网络(WSN)技术应用于汽车桩考，基于到达时间差TDOA的精确测距方法、三边定位法以及极大似然估计法保证检测精度，同时能够大幅度降低设备成本，传感器节点布置方便，无需布线，并能实时显示和记录考车行进轨迹。

附图说明：

图1为本发明系统设置示意图。

图2为本发明无线传感器节点结构示意图。

图3为本发明车载节点定位示意图。

图4为本发明所应用的极大似然估计法示意图。

图5为本发明车载节点信号发射电路原理图。

图6为本发明锚节点信号接收电路原理图。

图7为本发明系统结构示意图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述：

具体实施方法：

参见图1，系统场地按《机动车驾驶证申领和使用规定》进行设置，包括：

1、桩长：两倍车长，前驱动车，加50cm。

2、桩宽：大型客车、大型货车、中型客车为车宽加70cm，小行车为车宽加60cm。

3、路宽：车长的1.5倍。

4、起点：距甲库外边线1.5倍车长。

图1所示，基于无线传感器定位的汽车桩考系统的设置包括：

在考车车顶上按一前一后布置两个车载节点；在桩考场地外围布置至少三个不在同一直线的上锚节点，所述车载节点及锚节点均为无线传感器节点，并以其中之一的锚节点配置与上位机进行通信的RS232接口或USB接口，构成能够收集其它节点的传感信息并与上位机进行通信的基站。具体实施中，为了保证精度，要求各车载节点与锚节点在同一水平高度上。

参见图2，各无线传感器节点为小型嵌入式系统，其系统构成包括中央控制器(MCU)、通信模块、超声模块、存储器以及电源，其中，

中央控制器采用可实现射频控制、超声控制和数据处理的中央处理芯片ATMELMEGA128芯片；

通信模块由射频通信电路和外置天线构成，实现传感器节点之间的数据通信；采用射频通信芯片CC1000。

超声模块实现超声波的发送或接收，并与通信模块中的射频通信电路协同工作，完成锚节点与车载节点之间的测距。超声模块用作发送时，包括超声波发射探头SZW-S40-16P及其驱动电路；而用作接受时，包括超声波接收探头SZW-R40-16P及检波电路。无线传感器节点由电池供电。

本实施例中，基于无线传感器定位的汽车桩考方法是随着考车在场地上的移动，以固定位置上的多个锚节点对车载节点进行实时定位，由车载节点的位置信息结合考车的轮廓信息获得考车轮廓位置信息，再将所述考车轮廓位置信息与场地各边线位置进行比较，进而判断考车是否有犯规动作。这一方法是将无线传感器网络WSN目标定位技术应用于汽车桩考系统。

参见图3，在桩考场地所在平面上设置XOY坐标系，确定桩考场地在该坐标系中的位置，获得场地上各边线的固定坐标值，以及场地外围各锚节点A、B、C的固定坐标值；

设定：锚节点A、B、C的坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，通过传感器实测车载节点D与各锚节点A、B、C之间的距离分别为d₁、d₂、d₃，令任一车载节点的D的坐标为(x，y)，根据三边定位法获得如下关系式：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2}} = d_{1} \\ \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2}} = d_{2} \\ \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2}} = d_{3} \end{matrix}

由上式得到节点D的坐标为：

[\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}] = {[\begin{matrix} 2 (x_{1} - x_{3}) & 2 (y_{1} - y_{3}) \\ 2 (x_{2} - x_{3}) & 2 (y_{2} - y_{3}) \end{matrix}]}^{- 1} [\begin{matrix} x_{1}^{2} - x_{3}^{2} + y_{1}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{1}^{2} \\ x_{2}^{2} - x_{3}^{2} + y_{2}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{2}^{2} \end{matrix}]

三边定位法的前提是测距，为了能够精确定位，本实施例中采用了基于到达时间差TDOA的精确测距方法，具体为：

车载节点D同时发射无线射频信号和超声波信号，锚节点接收并记录两种信号到达的时间差(T₂-T₁)，已知无线射频信号和超声波的传播速度分别为C₁(光速)、C₂(331.4m/s)，那么两节点之间的距离为：

d = (T_{2} - T_{1}) \times \frac{C_{1} C_{2}}{C_{1} - C_{2}} \approx (T_{2} - T_{1}) \times C_{2}

实验结果表明，在10米范围内，采用上述方法，节点间测距的平均误差小于1.5厘米。

表1给出四组测距的实验数据：

表1 测距实验数据

车载节点D同时发射无线射频信号和超声波信号的电路如图5所示，MEGA128是中央处理芯片；CC1000是射频通信芯片，通过天线发射无线射频信号；三极管2SC2712可驱动换能器SZW-S40-16P发射超声波信号。MEGA128的OC3A管脚提供40kHz的脉冲信号作为超声波激励信号。

锚节点接收两种信号的电路如图6所示。一方面，换能器SZW-R40-16P接收超声波信号，经过两级LM324放大器、检波二极管IN4148和整流电路，送MEGA128的中断口INT7；另一方面，CC1000通过天线接收无线射频信号。

参见图4，为进一步提高定位精度，可以采用极大似然估计法。

增加锚节点数，锚节点1，2，3，…，n；坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)，…，(x_n，y_n)；它们到节点D的距离分别为d₁、d₂、d₃，…，d_n，联列n个方程，可以对节点D的坐标(x，y)进行求解，提高定位精度。

参见图7，系统是由上位机完成数据滤波、误差处理、定位计算、加载考车轮廓、实时显示、犯规判断和报警等，上位机对考试过程中出现的：不按规定路线、顺序行驶；碰擦桩杆；车身压线；移库不入等犯规情况进行自动监测和喇叭报警，并在考试记录表上打印结果。

Claims

1、基于无线传感器定位的汽车桩考系统，其特征是：

所述各无线传感器节点为小型嵌入式系统，其系统构成包括中央控制器MCU、通信模块、超声模块、存储器以及电源，其中，

2、基于无线传感器定位的汽车桩考方法，其特征是：

3、根据权利要求2所述基于无线传感器定位的汽车桩考方法，其特征是：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2}} = d_{1} \\ \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2}} = d_{2} \\ \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2}} = d_{3} \end{matrix}

由上式得到节点D的坐标为：

[\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}] = {[\begin{matrix} 2 (x_{1} - x_{3}) & 2 (y_{1} - y_{3}) \\ 2 (x_{2} - x_{3}) & 2 (y_{2} - y_{3}) \end{matrix}]}^{- 1} [\begin{matrix} x_{1}^{2} - x_{3}^{2} + y_{1}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{1}^{2} \\ x_{2}^{2} - x_{3}^{2} + y_{2}^{2} - y_{3}^{2} + d_{3}^{2} - d_{2}^{2} \end{matrix}]