CN104091079A

CN104091079A - 一种基于mems imu公交司机驾驶水平评定方法

Info

Publication number: CN104091079A
Application number: CN201410334061.1A
Authority: CN
Inventors: 李绪友; 王岁儿; 于莹莹; 孙波; 严平; 许振龙; 凌卫伟; 郭慧; 唐佳; 管练武
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: CN104091079B

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法。轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴地磁传感器、GPS、温度传感器分别进行数据采集得到公交车状态信息，传送给DSP处理器。DSP处理器判断接收到的公交车状态信息中的每个信息是否超出相对应的阈值，超出阈值的信息记为不当操作数据；根据接收到的公交车状态信息计算加速度的变化率，并将加速度的变化率信息加入到公交车状态信息中；将公交车状态信息和不当操作数据存储到数据存储SD卡中。公交车行车结束后，计算机读取数据存储SD卡中的信息，对公交司机驾驶水平进行评定。本发明实时采集公交车的行车数据，实时报警，提高公交车的行车安全。

Description

一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法

技术领域

本发明涉及一种公交司机驾驶水平评定方法，特别涉及一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定系统及评定方法。

背景技术

公共汽车作为最为普遍的一种大众交通工具，极大的推动了城市化的发展。同时，为了应对环境污染，政府鼓励和倡导公交出行。公共汽车是城市的主动脉，每天给市民出行带来极大的方便，公共汽车一般载客量比较大，这就使得对司机的驾驶水平要求尤其高。在我国，公交车事故时有发生，因而定期对公交司机的驾驶平水的评定显得非常重要，本发明设计了一种针对公交司机驾驶水平评估的系统，可以对公交车司机的驾驶水平进行等级评定，从而选拔出驾驶水平较优异的司机，来提高公交系统的服务水平以及保障市民的出行安全。

公交车行车过程需要重复多次起步、停车，因而司机驾驶平稳性直接影响乘客的舒适度，目前很多城市的公交车司机在驾驶过程中存在随意并线、起步加速过快、紧急制动、紧急转弯等，这样的驾驶行为将会对乘客造成不适，甚至会对乘车的老人和儿童造成碰撞和摔倒的伤害；公交车掉头或转向时，紧急转弯时车速过快，车上的乘客会被甩向另一方向，易伤害乘客，更甚者会出现车体侧翻事故。

发明内容

本发明的目的是提供能够实时采集公交车的行车数据的一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法，包括以下几个步骤：

步骤一：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴地磁传感器、GPS、温度传感器分别进行数据采集得到公交车状态信息，传送给DSP处理器，公交车状态信息包括角速度、加速度、姿态角、位置、速度、时间和温度信息；

步骤二：DSP处理器进行如下操作：

a、判断接收到的公交车状态信息中的每个信息是否超出相对应的阈值，超出阈值的信息记为不当操作数据；

b、根据接收到的公交车状态信息计算加速度的变化率，并将加速度的变化率信息加入到公交车状态信息中；

c、将公交车状态信息和不当操作数据存储到数据存储SD卡中；

步骤三：公交车行车结束后，计算机读取数据存储SD卡中的信息，首先将读取的信息存储于数据库中，然后计算速度信息中的不当操作数据个数占总的速度信息的比例得到速度失误率，分别以相同方法计算加速度、姿态角、位置、时间和温度信息分别的失误率，根据失误率对公交司机驾驶水平进行评定。

本发明一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法还可以包括：

1、DSP处理器连接有语音及报警模块，DSP处理器根据不当操作数据向语音及报警模块发送报警信息，语音及报警模块进行报警。

2、DSP处理器连接有指纹识仪，指纹识别仪产生公交司机的身份信息传送给DSP处理器，DSP处理器将公交司机的身份信息存储到SD卡中，计算机从SD读取到公交司机的身份信息后将其存储在数据库中。

本发明的有益效果为：

本发明采用微机电惯性测量单元(MEMS IMU)，能够实时采集公交车的行车数据，并且存储于SD卡中，有利于后续的数据分析和司机驾驶水平评定；

具有语音及报警模块，当其中任何一个传感器采集的数据超出阈值时就进行语音报警提示，提高了公交车的行车安全。

本发明采用的MEMS IMU，具有体积小，精度高等特点，其他器件和模块均可容易集成在公交车上，成本低，易于实现。相信该系统的应用会约束司机的随意驾驶行为，进一步提高公交车服务水平。此外此系统的应用，利用系统对司机的评定结果，可以筛选出优秀的司机，同时，对某些司机不得当驾驶行为进行指导改正，从而提高公交车的整体服务水平。

附图说明

图1为本发明的系统整体结构原理图。

图2为本发明系统主要原理框图。

图3为水平扶杆与乘客手臂所受拉力示意图。

图4为坡路加速度计的输出与重力加速度的关系图。

图5为指纹认证流程图。

图6整个系统流程图。

图7司机驾驶等级评定流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明包括三轴MEMS陀螺仪、加速度计和地磁传感器构成微机电惯性测量单元(MEMSIMU)，三轴MENS陀螺仪通过RS422串口与DSP处理器相连；三轴MENS加速度计通过RS232串口与DSP处理器相连；地磁传感器通过I²C总线结构与DSP处理器相连；GPS卫星导航芯片、指纹识别仪、语音提示及报警模块、温度传感器、数据存储SD卡直接与DSP处理器相连。

本发明系统主要实现公交车行车数据实时采集、数据处理、数据传输。

公交车实时行车数据包括：(1)公交司机个人身份信息；(2)时间：主要是公交司机上车身份认证时间，MENS IMU系统输出更新时间，公交司机行车工作完成下车时间；(3)公交车实时位置(经度、纬度)(4)公交车的实时速度信息；(5)公交车的实时姿态(航向角、俯仰角、翻滚角)；(6)三个轴向的实时加速度；(7)三个轴向的实时角速度；(8)三个轴向的实时加加速度；(9)公交车实时温度信息等。

公交车实时行车数据测量方法：MEMS陀螺实时的输出公交车的角速度，转向或掉头的转速由z轴的陀螺量测，在不平路面公家车出现颠簸时，前后方向的颠簸由x轴的陀螺敏感，左右方向的颠簸由y轴的陀螺敏感，尤其是在转向或掉头时，测量车体的倾斜角速度；MENS加速度计实时的输出公交车三个轴向的加速度；地磁传感器实时的输出公交车的姿态角，即航向角、俯仰角、翻滚角；GPS实时的给出公交车的位置、速度和精确的时间信息；此外还有温度传感器，实时测量车厢内、外的温度信息，可以为传感器做温度补偿，以便提高器件精度。

将以上这些传感器的输出，通过相应的通信传输协议，输入到DSP处理器内，DSP处理器先将这些传感器数据通过运算处理及加密后保存到SD卡中。

DSP处理器需要计算公交车的实时的加加速度，加加速度是描述加速度变化快慢的物理量。公交车属于时停时走的车辆，需要经常的启动和制动，起动的车厢内站立的乘客会向后倒,前进的车厢突然停止时会向前倒，在紧急起动或突然刹车时,公共汽车中的乘客会因措手不及而失去平衡，则是由于加速度的变化率即加加速度值过大，难以适应。同样，在急速转弯时，公共汽车中的乘客会被推向外侧,则是由于突然出现惯性离心力，法向加加速度过大。可见，公交车的加加速度是非常重要的计算参数。

加加速度计算公式为：

j = \frac{da}{dt} = \overset{\cdot}{a}

DSP处理器对相应输入的数据分析，以实现当某些传感器的输入或解算参数超出已设定的阈值时，DSP处理器驱动语音报警装置，实时的提供语音提示功能，如当公交司机超速行驶时，DSP处理器通过GPS输入公交车行车速度信息，判断超出阈值速度时，驱动语音装置，提示“您已超速行驶，请您减速！”等。

系统硬件部分中的数据传输通信模块，建立通信协议，保障数据的正确传输，减少误码和丢码。

本发明的身份认证采用指纹认证，采用中断查询的方式，DSP处理器处理实时处理公交司机的身份认证，认证目的判断司机是否是该公交车司机，记录并保存该司机身份信息(工序号及姓名)、行车时间、位置信息等；

公交司机驾驶等级评定：通过读取SD卡保存与该公交司机相应的行车数据到计算机，利用滤波算法等进行数据分析处理，根据已建立相应的评分标准，给出公交车司机一段时期内的等级评定，并建立相应的数据库来存储该司机的数据。SD卡保存的公交车实时行车数据，用来交通事故评估，判断事故是否是由司机的违章驾驶造成的。

下面根据具体附图对本发明的原理及方法进行说明。

如图1所示，给出了该系统的结构以及系统安装位置，一般由三轴MENS陀螺1和三轴加速度计和地磁传感器2构成MEMS IMU，安装于车体中间底部位置，需要加装防震隔离，且与乘客站立地板层分开，已减少乘客的走动对引起震动对IMU的干扰。GPS天线应该置于公交车中间顶部位置，以便于增强GPS接受卫星通信信息。MEMS地磁传感器通常是贴片式封装，直接焊接在电路板上。利用以上这些传感器来测量公交司机在驾驶工作时期内公交车的实时行车数据，经过DSP处理器处理后，将该数据传输到计算机，软件部分对数据处理分析后，给出公交车司机驾驶等级评定结果。

如图2所示，该系统的原理框图，首先，公交司先应该进行身份认证，其次，整个系统开始工作。公交司机的身份认证信息先输入到DSP处理器内，三轴MENS陀螺仪和MENS加速度计实时的量测公交车x、y、z轴向的角速度ω和比力f^b数据，通过串口传输到DSP处理器内；三轴地磁传感器实时的量测公交车x、y、z轴向的姿态数据Φ，采用I²C协议将公交车的姿态即航向角、俯仰角和横滚角信息传输到DSP处理器内部；GPS接收机实时接收到实时公交车位置(φ,λ)，φ为纬度，λ为经度；公交车x、y、z轴向速度信息v；温度等其他传感器数据；通过串口传输到DSP处理器内。

DSP处理器接收到传感器传输的数据后，进行相应的处理与运算：

DSP处理器数据处理过程，将输入的传感器数据转换后，与已设定的阈值进行比较，判断有没超出阈值，如果超出，记录时间和地点，并相应超出项的计数加一；例如，公交司机超速行驶时，DSP处理器接收到的GPS输入的公交车速度信息已超出了限速行驶速度时，记录时间和地点，并在超速计数个数增加一；同理，可以相应的处理，公交车转向过快，起步过急，紧急制动等。并且在这些数据超过阈值的同时，DSP处理器同步的驱动语音提示；

公交车需要经常起步、停车，紧急起动的车厢内站立的乘客会向后倒,前进的车厢突然停止时会向前倒；在紧急起动或突然刹车时,公共汽车中的乘客会因措手不及而失去平衡，则是由于加速度的变化率即加加速度值过大，造成乘客难以适应。因而DSP处理器需要计算公交车的加加速度，可以利用MEMS加速度计实时测量公交车加速度计算，并利用下式计算加加速度：

j (t_{k}) = \frac{da}{dt} = \frac{a (t_{k}) - a (t_{k - 1})}{δt}

式中a(t_k)为当前时刻的加速度；a(t_k-1)为前一时刻的加速度，δt为采样时间间隔。

同样，在急速转弯时，转弯前不减速，公共汽车中的乘客会被推向外侧，是由于突然出现惯性离心力，法向加加速度过大。法向加加速度的大小可以利用上式计算。

DSP处理器在实时处理的同时，将传感器的数据和运算的数据经加密处理后实时存储在SD卡中。数据加密主要目的是为了防止别人对已经保存的公交车行车数据的篡改，采用相应的加密算法，对数据进行加密。SD卡保存的已加密的该司机行车数据，读入到计算机中，保存在相应的数据库中。利用相应的软件对数据解密后，经过数据分析与处理一段时期内该司机公交车行车数据，给出公交车司机驾驶等级评定结果。

如图3所示，乘客胳膊与扶手杆关系示意图，假设公交车转弯半径为50m，某站立乘客体重为60kg，手与扶手杆的夹角为θ＝60°，那么他胳膊所受的拉力与角速度的关系为：

如图4所示，利用地磁传感器实时公交车的姿态，在坡路行驶时，公交车俯仰角近似为坡面夹角，以便加速度的测量值值中减去重力加速度的分量。图中β为坡路的夹角，g为重力加速度，gsinβ、gcosβ分别为重力加速度在y、z轴向的分量，a_cey、a_cez为y、z轴向加速度计测量的加速度。

如图5所示，为公交司机身份认证流程图，采用指纹认证形式。公交车启动整个系统上电。首先，系统通过语音提示，“请刷指纹”；其次DSP处理器根据有无指纹信息输入，无指纹信息重复语音提示，有指纹信息时，判断该司机是否是该公交路线司机；如果该司机是该路线司机，认证完成，并保存司机身份信息，如果司机不是的话，重复第一步。

系统的整个流程如图6所示，公交车启动系统上电后先进行自检，司机上车开车前先进行身份认证，指纹认证通过后，身份认证完成，保存司机个人信息，时间、位置等信息；之后在行车过程中，安装于公交车上的MEMS IMU和其他传感器开始工作，DSP处理器对输入的数据进行判断是否超出阈值，在超出阈值时，DSP处理器驱动语音提示报警设备。未超出阈值时，DSP处理器读入下一个时刻传感器更新的数据，并保存这些数据到SD卡。在系统整个行车过程中，利用有无该司机指纹数据读入，判断是否更换司机，无更换司机时，重复以上运行，更换公交司机时，该司机再一次指纹认证，完成公交司机行车的数据存储。开始下一司身份认证，重复以上整个过程。这就是整个系统的工作流程图。

安装于公交车上的MEMS IMU和其他传感器开始上电自检，并开始工作，DSP对传感器输入的数据进行组合系统导航解算，并保存这些数据到SD卡，同时对解算的参数进行判断是否超出设定的阈值，当有导航解算参数超出阈值时，DSP驱动语音提示报警设备；当没有导航解算参数超出阈值时，DSP读入下一个时刻传感器更新的数据。

在系统整个行车过程中，指纹识别仪采用中断查询的方式，通过有无该司机指纹数据读入，判断是否更换司机，若无更换司机时，进入下一查询，重复以上运行；更换公交司机时，该司机再一次指纹认证，完成公交司机的数据存储。开始下一司机身份认证，重复以上整个过程。这就是整个系统的工作流程。

如图7所示，将保存一段时间某司机行车数据的SD卡，与计算机连接，将SD卡保存的数据读入到计算机内，利用与加密算法相应的解密算法，对读入的数据解密处理，首先记录司机个人信息以及行车时间，保存到相应的数据库中。

图7中所示的，读入计算机中经解密得到的的行车数据，与已设定的行车要求的最大阈值进行比较，当行车数据小于，说明该司机在此时刻的行车操作得当；反之，若该司机的行车数据比设定的最大阈值大时，保存该超过阈值数据以及对应的时间、位置，这样可以判断该司机在某时刻的驾驶是否得当。利用获得的该司机行车数据超过阈值数据占行车数据的比例，可以对该司机的某次驾驶给出等级的评定，并保存该评定结果。

利用一段时期内该司机每次驾驶的评定结果，可以统计出该司机在一段时期内的驾驶等级。

本发明系统均采用的MEMS IMU，具有体积小，精度高等特点，其他器件和模块均可容易集成在公交车上，成本低，易于实现。相信该系统的应用会约束司机的随意驾驶行为，进一步提高公交车服务水平。此外此系统的应用，利用系统对司机的评定结果，可以筛选出优秀的司机，同时，对某些司机不得当驾驶行为进行指导改正，从而提高公交车的整体服务水平。

Claims

1.一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤二：DSP处理器进行如下操作：

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法，其特征在于：所述的DSP处理器连接有语音及报警模块，DSP处理器根据不当操作数据向语音及报警模块发送报警信息，语音及报警模块进行报警。

3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS IMU公交司机驾驶水平评定方法，其特征在于：所述的DSP处理器连接有指纹识仪，指纹识别仪产生公交司机的身份信息传送给DSP处理器，DSP处理器将公交司机的身份信息存储到SD卡中，计算机从SD读取到公交司机的身份信息后将其存储在数据库中。