CN109375245B - 基于高精度定位的风险短临预警车载终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于高精度定位的风险短临预警车载终端，终端中的ARM主控单元接收并处理各模块输出的数据，控制模块的动作；GNSS三模定位模块接收差分服务提供的RTK差分改正信息，实现亚米级高精度定位，并以5Hz的更新频率输出定位结果、行驶速度、航向、时间信息；4G无线通信模块负责与差分服务器及预警平台之间的通信；行车记录仪记录行车影像，在车载终端接收到预警信号后将行车影像上传至预警平台；报警模块对不同的风险等级响应相应的预警方式。该终端独立于车辆自身系统，不依赖价格高昂的各类传感器，仅利用高精度定位模块、无线传输模块，采集传输车辆高精度定位信息，并接收平台的预警信息。

Description

基于高精度定位的风险短临预警车载终端

技术领域

本发明属于道路交通安全领域，具体涉及一种基于高精度定位的风险短临预警车载终端。

背景技术

随着经济的发展和人民生活水平的提高，现代社会中汽车已成为不可或缺的交通工具。近年来，公路交通运输量日益增大，汽车工业的高速发展给人们带来方便的同时，交通安全形势也日益严峻。目前，各类道路、车辆的被动安全防护设施与装备已逐渐趋于成熟，但仍无法从根本上解决交通安全问题。研究认为，驾驶员的危险驾驶行为，以及驾驶员心生理状态与道路条件的不协调是导致交通事故主要原因。因此，基于车路协同的车辆主动安全防控系统是提高交通安全水平的根本途径。

目前，部分中高档轿车通过在车辆上加装多元传感器，已经可以实现防碰撞预警、车道偏离预警等主动安全技术，在一定程度上提高了车辆的主动安全性。但由于传感器受行车速度、行驶环境等影响较大，这些预警功能往往只能在一些较简单的工况下实现，并且这种方式仅局限于单一车辆预警，无法实现车路协同，对于道路安全运营管理者，也无法掌握车辆、交通流运行状况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高精度定位的风险短临预警车载终端，主要解决车辆在行驶过程中亚米级高精度定位及基于该高精度定位结果实现运行车辆的风险预警，解决4G网络覆盖不完善状况下车辆的通信问题，为路段或路网运营管理、宏观与微观交通流分析研究提供重要的数据资料。

本发明所采用的技术方案为：

基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

包括ARM主控单元和与其通信的GNSS三模定位模块、4G无线通信模块、行车记录仪、报警模块、电源管理单元、输入输出接口及导航卫星接收天线与无线通信天线；

所述ARM主控单元负责协调各模块间的联系，接收并处理各模块输出的数据，控制模块的动作；

所述GNSS三模定位模块内部与ARM主控单元相连，外部与三模七频测量型天线相连，接收卫星导航电文与差分服务提供的RTK差分改正信息，实现亚米级高精度定位，并以5Hz的更新频率输出定位结果、行驶速度、航向、时间信息；

所述4G无线通信模块负责与差分服务器及预警平台之间的通信；

所述行车记录仪记录行车影像，在车载终端接收到预警信号后将行车影像上传至预警平台；

所述报警模块由ARM主控单元控制，对不同的风险等级响应相应的预警方式；

所述电源管理单元提供各模块工作所需的不同的电压与电流。

ARM主控单元上还连接有UHF无线通信模块，构建另一套无线通信链路，负责在4G通信链路质量不稳定的区域的数据通信。

GNSS三模定位模块接收卫星导航电文与路侧CORS系统提供的RTK差分服务共同实现亚米级高精度定位；

4G无线通信模块访问路侧CORS系统服务器，将CORS系统服务器提供的RTK差分改正数输入到GNSS三模定位模块，GNSS三模定位模块根据内嵌的算法输出亚米级高精度的位置结果。

所述报警模块由语音单元、发光单元组成，语音单元由内置文字的TTS芯片控制喇叭，由ARM主控单元的引脚控制不同风险等级的语音输出，同时控制发光单元的闪烁频率来区分风险等级。

UHF无线通信模块弥补道路上4G公网覆盖不良的情况，分为车载部分与路侧部分。

输入输出接口，是一个MicroUSB接口，其内部实现USB转UART TTL，以及一个矩阵键盘接口，与ARM主控单元相连，是为实现车载终端与上位机通信、车载终端与处置键盘相连的接口。

行车记录仪实时记录车辆的行驶影像，当车载终端接收到预警平台的预警信息后，ARM主控单元控制记录仪的视频向预警平台传送，并将视频保存在预警平台端，当预警平台解除预警后，视频也将停止上传，保存的视频可作为以后交通安全研究使用。

车载终端接收路侧CORS系统提供的RTK差分服务，经过以下3个步骤：

步骤1：车载终端与CORS系统服务器建立网络连接；

步骤2：车载终端向服务器发送认证信息，并接收服务器的应答信息，如应答信息正确，即表明车载终端与CORS服务器建立服务连接，否则需要核实信息重新验证；

步骤3：车载终端发送车辆的实时概率位置到CORS系统服务器，服务器根据车辆的位置，在车辆附近虚拟出一个差分基站，缩短流动站与基站之间的距离，并向车载终端发送精确差分改正数。

车载终端的预警功能，由以下4个步骤实现：

步骤1：ARM主控单元接收定位模块输出的NMEA0183语句，并根据相应语句的格式提取出车辆的高精度位置、速度、航向、时间信息；

步骤2：将提出的信息根据自定义格式封装并通过4G无线通信模块发送至预警平台；

步骤3：预警平台接收所有车辆的位置、速度、航向、时间信息，将上述信息与平台高精度地图相匹配，平台算法根据车辆上传的信息，会预测每辆车在下1秒、2秒、3秒后的位置，如果在这3次预测中，相邻两车的轮廓或车辆轮廓与路侧设施之间有冲突，即判断该车存在风险，根据预测会发生冲突的时间，将风险等级分为三级，1秒后发生冲突为一级，3秒后发生冲突为三级，其中一级为最高级；平台对预测存在风险的车辆下发相应等级的预警信息，不存在风险的车辆不采取任何措施；

步骤4：车载终端ARM主控单元接收到无线通信模块传回来的预警信息，根据预警等级控制TTS语音芯片发出相应的语音；控制发光二极管以相应的频率闪烁，从而实现对驾驶员预警。

本发明具有以下优点：

1、定位精度高，本车载终端采用三模七频定位模块，支持单系统独立定位和多系统联合定位，还可以接收RTK差分服务提供的差分改正数，实现差分定位，静态时定位精度可以达到厘米级，动态时定位精度小于10厘米。配合高精度地图完全可以判断车辆行驶在哪个车道上、车辆与路侧设施的相对位置等。

2、通信链路稳定，本发明的通信链路采用4G公网通信与UHF微波通信相结合的方式，在4G公网覆盖不到的地方建设微波通信基站，基站与预警平台通过有线方式相连，在车载终端进入微波基站覆盖范围后，将通信切换至微波通信，保证链路有效畅通。

3、预警形式多样，本车载终端实时与预警平台通信，预警平台可以监测每辆车的运行情况，并根据风险预警模型判断车辆的风险等级进行预警，其中风险形式有车间距太小、车与路侧间距太小、偏离车道时间过长、行驶方向前方有固定路侧设施等，都可以进行预警。

4、应用范围广，本车载终端不仅可以应用于微观的车与车之间、车与路侧之间的风险预警，更可用于宏观交通流的实时监测，为道路运营管理主动干预提供保障。车载终端上传的定位数据及视频数据还是以后交通安全评价及交通流分析分析研究的重要资料。

附图说明

图1是本发明系统的框架示意图。

图2是访问CORS系统服务器流程图。

图3是车载终端工作流程图。

图4是USB转UART TTL原理图。

图5是预警电路原理图。

图6是GNSS卫星接收天线与车辆相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于高精度定位的风险短临预警车载终端，是道路交通安全主动防控系统中重要的数据采集、传输设备与风险预警响应设备，包括ARM主控单元和与其通信的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）三模（北斗/GPS/GLONASS）定位模块、4G无线通信模块、行车记录仪、报警模块、电源管理单元、输入输出接口及导航卫星接收天线与无线通信天线。所述ARM主控单元负责协调各模块间的联系，接收并处理各模块输出的数据，控制模块的动作；所述GNSS三模定位模块内部与ARM主控单元相连，外部与三模七频测量型天线相连，接收卫星导航电文与差分服务提供的RTK差分改正信息，实现亚米级高精度定位，并以5Hz的更新频率输出定位结果、行驶速度、航向、时间信息；所述4G无线通信模块负责与差分服务器及预警平台之间的通信；所述行车记录仪记录行车影像，在车载终端接收到预警信号后将行车影像上传至预警平台；所述报警模块由ARM主控单元控制，对不同的风险等级响应相应的预警方式；所述电源管理单元提供各模块工作所需的不同的电压与电流。

ARM主控单元上还连接有UHF无线通信模块，构建另一套无线通信链路，负责在4G通信链路质量不稳定的区域的数据通信。

GNSS三模定位模块接收卫星导航电文与路侧CORS系统提供的RTK差分服务共同实现亚米级高精度定位；4G无线通信模块访问路侧CORS系统服务器，将CORS系统服务器提供的RTK差分改正数输入到GNSS三模定位模块，GNSS三模定位模块根据内嵌的算法输出亚米级高精度的位置结果。

所述报警模块由语音单元、发光单元组成，语音单元由内置文字的TTS芯片控制喇叭，由ARM主控单元的引脚控制不同风险等级的语音输出，同时控制发光单元的闪烁频率来区分风险等级。

UHF无线通信模块弥补道路上4G公网覆盖不良的情况，分为车载部分与路侧部分。

输入输出接口，是一个MicroUSB接口，其内部实现USB转UART TTL，以及一个矩阵键盘接口，与ARM主控单元相连，是为实现车载终端与上位机通信、车载终端与处置键盘相连的接口。

行车记录仪实时记录车辆的行驶影像，当车载终端接收到预警平台的预警信息后，ARM主控单元控制记录仪的视频向预警平台传送，并将视频保存在预警平台端，当预警平台解除预警后，视频也将停止上传，保存的视频可作为以后交通安全研究使用。

车载终端实现亚米级高精度定位是通过高精度三模七频定位模块与路侧CORS系统提供的RTK差分服务完成的；定位模块本身可以实现单系统独立定位与多系统联合定位，可以实现伪距差分定位与载波相位差分定位，但其精度只能达到米级精度；4G无线通信模块访问路侧CORS系统服务器，将CORS系统服务器提供的RTK差分改正数输入到定位模块，定位模块根据内嵌的算法输出亚米级高精度的位置结果。

车载终端接收路侧CORS系统提供的RTK差分服务，需要经过以下3个步骤：

步骤1：车载终端与CORS系统服务器建立网络连接；

步骤2：车载终端向服务器发送认证信息，并接收服务器的应答信息，如应答信息正确，即表明车载终端与CORS服务器建立服务连接，否则需要核实信息重新验证；

步骤3：车载终端发送车辆的实时概率位置到CORS系统服务器，服务器根据车辆的位置，在车辆附近虚拟出一个差分基站，缩短流动站与基站之间的距离，并向车载终端发送精确差分改正数。

本发明采用ARM主控单元实现定位模块与4G无线通信模块之间的数据相连，ARM主控单元内嵌程序与上位机通信，完成车载终端的配置，配置信息有：

1）CORS系统服务器的IP地址或域名，以及提供RTK差分服务的端口号；

2）CORS系统提供差分服务的挂载点名称；

3）验证用户合法性的用户名与密码。

这三条配置信息会被保存在ARM主控单元的非易失性FLASH中，保证设备在下次启动后会自动连接服务器并完成验证。

所述车载终端的预警功能，由以下4个步骤实现：

步骤1：ARM主控单元接收定位模块输出的NMEA0183语句，并根据相应语句的格式提取出车辆的高精度位置、速度、航向、时间信息；

步骤2：将提出的信息根据自定义格式封装并通过4G无线通信模块发送至预警平台；

步骤3：预警平台接收所有车辆的位置、速度、航向、时间信息，将上述信息与平台高精度地图相匹配，根据内置风险预警算法，判识车辆运行风险及风险等级，并对相关风险车辆下发不同等级的预警信息；

步骤4：车载终端ARM主控单元接收到无线通信模块传回来的预警信息，根据预警等级控制TTS语音芯片发出相应的语音；控制发光二极管以相应的频率闪烁，从而实现对驾驶员预警。

实现预警功能，需要上位机对车载终端配置车牌信息、预警平台的IP地址或域名以及端口号，这些配置信息会被保存在ARM主控单元的非易失性FLASH中，保证设备在下次启动后会自动连接到预警服务器。

所述车载终端UHF无线通信链路，是为弥补道路上4G公网覆盖不良的情况而设计的，保证车辆定位结果与预警数据能正常通信。UHF无线通信链路分车载部分与路侧部分。

路侧部分是一个通信范围可以覆盖4公里的基站，基站通过光纤与预警服务器相连，负责接收覆盖范围内车辆上传的位置、速度、航向、时间信息，向车辆下发预警信息。

车载部分通过UART接口与ARM主控单元相连，在通信过程中，车载部分实时发送注册信息与路侧基站建立连接，当车辆在两个基站覆盖范围的交叠处，车载部分会根据每个基站信号强度的变化，选择新的基站建立连接。建立连接后路侧基站为其分配时槽，ARM主控单元将数据发送到车载部分的缓冲区，等到自己的时槽工作时，将缓冲中的数据发送出去。车载部分的天线用磁铁吸在车顶上，车顶的金属面可以增强天线的接收灵敏度。

所述输入输出接口，是一个MicroUSB接口，其内部实现USB转UART TTL，以及一个矩阵键盘接口，与ARM主控单元相连，是为实现车载终端与上位机通信、车载终端与处置键盘相连的接口。车载终端与上位机通信完成对终端与预警服务器、CORS系统服务器通信的参数配置；外置键盘是用来输入要安装车辆的长与宽以及GNSS卫星接收天线中心相对车辆的位置（如图6），以便更好地从定位结果反算出车辆的轮廓位置，从而保证预警的准确性。

键盘输入的信息会被保存在ARM主控单元的非易失性FLASH中，GNSS卫星接收天线的位置有变化，需要重新输入新的位置，覆盖以前的数据。

本发明提出的车载装备，独立于车辆自身系统，不依赖价格高昂的各类传感器，仅利用高精度定位模块、无线传输模块，采集传输车辆高精度定位信息，并接收平台的预警信息。上传的车辆轨迹大数据，既可用于风险车辆判识，也可用于交通流运行状态的监控与分析。基于此方法的车路协同车辆防撞预警技术，在国内外还鲜有研究。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

包括ARM主控单元和与其通信的GNSS三模定位模块、4G无线通信模块、行车记录仪、报警模块、电源管理单元、输入输出接口及导航卫星接收天线与无线通信天线；

所述ARM主控单元负责协调各模块间的联系，接收并处理各模块输出的数据，控制模块的动作；

所述GNSS三模定位模块内部与ARM主控单元相连，外部与三模七频测量型天线相连，接收卫星导航电文与差分服务提供的RTK差分改正信息，实现亚米级高精度定位，并以5Hz的更新频率输出定位结果、行驶速度、航向、时间信息；

所述4G无线通信模块负责与差分服务器及预警平台之间的通信；

所述行车记录仪记录行车影像，在车载终端接收到预警信号后将行车影像上传至预警平台；

所述报警模块由ARM主控单元控制，对不同的风险等级响应相应的预警方式；

所述电源管理单元提供各模块工作所需的不同的电压与电流；

输入输出接口，是一个MicroUSB接口，其内部实现USB转UART TTL，以及一个矩阵键盘接口，与ARM主控单元相连，是为实现车载终端与上位机通信、车载终端与处置键盘相连的接口；

车载终端的预警功能，由以下4个步骤实现：

步骤1：ARM主控单元接收定位模块输出的NMEA0183语句，并根据相应语句的格式提取出车辆的高精度位置、速度、航向、时间信息；

步骤2：将提出的信息根据自定义格式封装并通过4G无线通信模块发送至预警平台；

步骤3：预警平台接收所有车辆的位置、速度、航向、时间信息，将上述信息与平台高精度地图相匹配，平台算法根据车辆上传的信息，会预测每辆车在下1秒、2秒、3秒后的位置，如果在这3次预测中，相邻两车的轮廓或车辆轮廓与路侧设施之间有冲突，即判断该车存在风险，根据预测会发生冲突的时间，将风险等级分为三级，1秒后发生冲突为一级，3秒后发生冲突为三级，其中一级为最高级；平台对预测存在风险的车辆下发相应等级的预警信息，不存在风险的车辆不采取任何措施；

步骤4：车载终端ARM主控单元接收到无线通信模块传回来的预警信息，根据预警等级控制TTS语音芯片发出相应的语音；控制发光二极管以相应的频率闪烁，从而实现对驾驶员预警。

2.根据权利要求1所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

ARM主控单元上还连接有UHF无线通信模块，构建另一套无线通信链路，负责在4G通信链路质量不稳定的区域的数据通信。

3.根据权利要求1所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

GNSS三模定位模块接收卫星导航电文与路侧CORS系统提供的RTK差分服务共同实现亚米级高精度定位；

4G无线通信模块访问路侧CORS系统服务器，将CORS系统服务器提供的RTK差分改正数输入到GNSS三模定位模块，GNSS三模定位模块根据内嵌的算法输出亚米级高精度的位置结果。

4.根据权利要求1所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

所述报警模块由语音单元、发光单元组成，语音单元由内置文字的TTS芯片控制喇叭，由ARM主控单元的引脚控制不同风险等级的语音输出，同时控制发光单元的闪烁频率来区分风险等级。

5.根据权利要求2所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

UHF无线通信模块弥补道路上4G公网覆盖不良的情况，分为车载部分与路侧部分。

6.根据权利要求1所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

行车记录仪实时记录车辆的行驶影像，当车载终端接收到预警平台的预警信息后，ARM主控单元控制记录仪的视频向预警平台传送，并将视频保存在预警平台端，当预警平台解除预警后，视频也将停止上传，保存的视频可作为以后交通安全研究使用。

7.根据权利要求6所述的基于高精度定位的风险短临预警车载终端，其特征在于：

车载终端接收路侧CORS系统提供的RTK差分服务，经过以下3个步骤：

步骤1：车载终端与CORS系统服务器建立网络连接；

步骤2：车载终端向服务器发送认证信息，并接收服务器的应答信息，如应答信息正确，即表明车载终端与CORS服务器建立服务连接，否则需要核实信息重新验证；

步骤3：车载终端发送车辆的实时概率位置到CORS系统服务器，服务器根据车辆的位置，在车辆附近虚拟出一个差分基站，缩短流动站与基站之间的距离，并向车载终端发送精确差分改正数。

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