無線通信-利用GPS技術研制的公路測速系統(tǒng)速度標準裝置

1、 項目名稱:機動車超速監(jiān)測記錄系統(tǒng)檢測方法標準研究;編號:2007DIA10-3 基金申請人:劉美生基于GPS技術的速度標準裝置研究趙軍,劉美生,楊春生,江東(中國測試技術研究院,成都 610021摘 要:本文介紹了一種利用GPS技術研制的公路測速系統(tǒng)速度標準裝置,通過GPS接收處理模塊,采用多普勒頻移變換速率的測量方式,可直接輸出與速度成比例的數(shù)字脈沖頻率信號,經(jīng)濾波、放大、整形后,送入單片機運算處理,以實現(xiàn)對機動車速度和里程的測量。本標準裝置適用于各種具有超速拍照功能的機動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)的檢定與校準。關鍵詞:GPS;單片機;機動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng);測速中圖分類號:TP391;TP368

2、.1 文獻標識碼:AResearch on standard equipment of speed based on GPS technologyZHAO Jun,LIU Mei Sheng, YANG Chun-Sheng,JIANG Dong, (National Institute of Measurement and Testing Technology,ChengDu 610021Abstract:A standard equipment of highway speed measurement system using GPS technology introduced in th

3、is paper. Through the GPS receiver module, using Doppler frequency shift transform the rate measurement method, Digital pulse-frequency signals proportion to the number of vehicle speed can be output directly. By filtering, amplifing and adjusting,then into the microcontroller processing, to achieve

4、 the vehicle speed and mileage measurement. The standard equipment applied to test and calibration of all kinds of automatic devices with overspeed and camera monitoring functions.Key words:GPS;single chip microcomputer;vehicle overspeed auto-monitoring system; speed measurement1 引言安裝在高速公路和城市道路上的機動車

5、超速自動監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)具有超速監(jiān)測和執(zhí)法取證雙重功能,是道路交通執(zhí)法和交通管理的主要技術設備。目前國內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的測速原理大多為雷達測速、地感線圈測速、激光測速原理等。針對不同測速原理的監(jiān)測系統(tǒng)通常使用專用的檢定裝置進行檢定。本文介紹了一種基于GPS技術的高精度公路測速系統(tǒng)速度標準裝置研制,它適用于所有具備超速拍照功能監(jiān)測系統(tǒng)的檢定與校準。2 GPS概述及設計基本思路GPS全稱“Global Positioning System”,即“全球定位系統(tǒng)”。整個系統(tǒng)由空間GPS 衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設備GPS 接收機三大部分組成。該系統(tǒng)具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的

6、導航、定位和定時的功能,能為各類用戶提供精密的三維位置、三維速度。公路測速系統(tǒng)速度標準裝置(以下簡稱速度標準裝置是用來對安裝在公路上的機動車測速系統(tǒng)(雷達測速系統(tǒng)、地感線圈測速系統(tǒng)、激光測速系統(tǒng)等進行現(xiàn)場實車路試綜合檢測/校準速度量值的專用儀器設備,亦可用于行駛里程的測量。它通過儀器內(nèi)部的GPS衛(wèi)星接收處理模塊接收GPS衛(wèi)星信號,采用多普勒頻移變換速率的方式輸出車輛的自身運行速度脈沖信號,該信號通過儀器內(nèi)的信號處理模塊處理后,送至單片機處理,進而計算出速度和里程,并顯示于外掛顯示屏,進而檢測校準公路機動車測速系統(tǒng)。其現(xiàn)場檢測示意圖如圖1所示。 圖1 現(xiàn)場實車路試檢定/校準示意圖速度標準裝置通過

7、GPS天線接收衛(wèi)星信號后,實時處理并顯示汽車運行的速度、里程以及北京時間等參數(shù)。當檢測車通過公路測速系統(tǒng)且超速時,則監(jiān)測系統(tǒng)自動拍攝檢測車,并給出該車的速度值。外掛顯示屏上的檢測車自身標準速度值也一并被拍攝,因此,只需將兩個速度值進行比較,即可實現(xiàn)對公路機動車測速系統(tǒng)的檢測/校準。3 系統(tǒng)構(gòu)成及原理分析速度標準裝置主要由GPS接收處理模塊、信號處理模塊、MCU數(shù)據(jù)處理、鍵盤顯示輸入輸出模塊、打印輸出模塊和外掛顯示模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖3.1 GPS接收處理模塊GPS接收處理模塊屬于GPS系統(tǒng)中的用戶設備部分,由GPS接收天線和GPS處理模塊組成。它像“收音

8、機”一樣接收、解調(diào)衛(wèi)星的廣播C/A碼信號。該模塊利用多普勒頻移測速原理通過運算與每個衛(wèi)星的偽距來求解空間待測點的坐標參數(shù)。特點是定位速度快,能到達米級定位。為了能解算出運動載體的速度,需要保證最少要觀測到4顆衛(wèi)星。GPS模塊通過串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息,供接收者使用。本系統(tǒng)采用的是高精度 GPSTran無線速度傳感器模塊(由GPS接收天線和GPS處理模塊組成。GPSTran模塊是用來為其它裝置提供機動車速度信號的傳感器。該模塊可直接輸出與速度成比例的數(shù)字脈沖頻率信號。該速度量是根據(jù)GPS衛(wèi)星運載信號的多普勒頻移 法解算得到。當GPS接收模塊接收到4顆衛(wèi)星時,按照多普勒

9、頻移算法解算得到的速度值的精度可達到0.3km/h。3.2 信號處理模塊由于從GPS接收處理模塊輸出的信號是微弱的毫伏級脈沖信號,同時還存在一定的干擾信號,在送到單片機進行運算處理前,需經(jīng)過信號處理模塊進行處理。其信號處理模塊原理圖如圖3所示。 圖3 信號處理模塊原理圖圖3中,GPS接收處理模塊輸出的微弱毫伏級數(shù)字脈沖信號經(jīng)插座2腳接入信號處理模塊,兩個濾波電容濾去輸出信號中的干擾信號,然后經(jīng)TLC2252運算放大器放大后,得到放大的脈沖信號,然后接入LM339比較器的同相端,輸出5V的方波信號,接著經(jīng)74HC14施密特觸發(fā)器整形處理后得到邊沿陡峭穩(wěn)定的5V的方波,最后送至AT89C52單片機

10、進行的運算處理,得到相應速度和里程值。3.3 鍵盤顯示輸入輸出模塊傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示和鍵盤接口一般直接采用MCU的I/O口對鍵盤或數(shù)碼管進行動態(tài)掃描的方法,硬件上需要較多的外圍部件,且占用MCU大量I/O口,軟件上則浪費CPU資源,且給編程人員帶來很大的不便。這里使用數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片BC7281A。BC7281A與MCU之間的通訊是采用2線高速串行接口,這兩個連線分別是數(shù)據(jù)線DAT和同步時鐘線CLK,其中DAT為雙向數(shù)據(jù)傳輸線,BC7281A既用該線從MCU接收數(shù)據(jù),也用該線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。BC7281A的DAT引腳為漏極開路輸出結(jié)構(gòu),使用時須在該線上加20K左右的上拉電阻。3

11、.4 外掛高亮顯示模塊考慮到實際天氣條件的影響,在強日照下,普通的數(shù)碼管顯示在拍攝的照片中顯示的數(shù)據(jù)難以辨認,為此,這里設計了專用高亮LED發(fā)光二極管顯示屏,保證在強日照的天氣也能使拍攝的照片中的數(shù)據(jù)清晰顯示。4 數(shù)據(jù)驗證實驗本速度標準裝置利用GPS技術對車身速度進行高準確度的實時動態(tài)測試,但GPS系統(tǒng)本身的技術性能也需要驗證和檢驗。這里我們研制了一種光電測試系統(tǒng),來驗證GPS速度標準裝置的測試結(jié)果。該光電測試系統(tǒng)運用最基本的速度=位移/時間關系來得到汽車車身速度。實現(xiàn)車身速度與GPS速度標準裝置測得速度的數(shù)據(jù)比對。4.1 車身速度測量基本原理如圖4所示,汽車(1頂部安裝好刻有等間距光縫(4的

12、遮光屏(3,光發(fā)射器(2和光接收器(5分別安裝在汽車前進方向的垂直線上,并根據(jù)光縫的位置調(diào)節(jié)好高度。當汽車通過測量點時,光接收器收到在光縫作用下產(chǎn)生的脈沖信號,該脈沖信號的頻率正比于汽車通過的速度。光接收器將脈沖信號送計時裝置處理后即得到脈沖頻率的準確值,隨后速度測試系統(tǒng)根據(jù)已知的光縫間距離計算出汽車的運行速度。圖4車身速度測試原理示意圖4.2 GPS測速的比對驗證實驗依據(jù)圖4所示的GPS測速驗證實驗原理,我們在野外場地進行了實車測速結(jié)果比對實驗。當標準車以某一速度穿過光束通道時,光探測器的脈沖信號接入速度測試裝置立即測得汽車穿過光束通道時的瞬時速度并通過外接顯示屏顯示,此時用照相機將兩套裝置

13、的顯示屏顯示數(shù)據(jù)同時拍下,即可進行兩套裝置的數(shù)據(jù)比對。實驗數(shù)據(jù)如表1-1所示。序號 光電測試裝置測得的速度(km/hGPS標準裝置 測得的速度(km/h偏差(km/h1 27.9 27.80 0.102 33.2 33.47 -0.273 32.25 32.00 0.254 18.0 18.22 -0.225 42.5 42.41 0.096 49.2 49.10 0.107 47.7 47.56 0.148 60.0 59.92 0.089 46.8 46.70 0.1010 58.1 58.36 -0.2611 64.5 64.34 0.1612 54.3 54.41 -0.1113 14

14、.2 14.13 0.0714 63.5 63.30 0.2015 56.0 56.23 -0.23標準方差 0.18表1-1 GPS測速驗證實驗數(shù)據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)表明,光電測試裝置測得的速度與GPS 速度標準裝置測得的速度吻合 較好,標準偏差在0.2km/h以內(nèi),相對誤差僅0.4%。5 結(jié)束語利用監(jiān)測系統(tǒng)的拍照功能可以實現(xiàn)標準速度與監(jiān)測系統(tǒng)的測量速度比對。本速度標準裝置由基于GPS技術的測速模塊和速度顯示模塊構(gòu)成,測速模塊實現(xiàn)高精度的實時速度測量,速度顯示模塊在特殊設計的顯示屏顯示當前速度。只要監(jiān)測系統(tǒng)具有拍照功能就可以實現(xiàn)在線檢定,適用于各種測速原理的系統(tǒng),且能確保監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測、拍照取證

15、唯一性。本文的創(chuàng)新點:將高精度、全天候、高性能的GPS技術應用于公路測速系統(tǒng)檢定工作,實現(xiàn)了各類具有拍照功能的監(jiān)測系統(tǒng)對速度的在線實車的檢定。參考文獻1 王惠南.GPS導航原理與應用M.北京:科學出版社.2003.2 何其畏,高利. GPS定位精度的提高及其應用. 微計算機信息, 2006,5-1: 282-283.3 苗作華,劉耀林.GPS智能車輛監(jiān)控信息服務系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)J.微計算機信息.2008,3-1:151-152.4 劉美生.全球定位系統(tǒng)及其應用綜述J.中國測試技術. 2006,Vol.32(05.5 周建鄭. GPS測量定位技術M. 北京:化工工業(yè)出版社.2004.6 Greenspan R L,Donna J I.Measurement Errors in GPS ObservablesJ.Navigation:Journal of The Institute of Navigation.1995,33(4.7 吳正毅.測試技術與測試信號分析處理M.北京:清華大學出版社,1991.8 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計M.北京:北京航空航天大學出版社.2001.作者簡介:趙軍(1973-,男(漢,四川德陽人,中國測試技術研究院,碩士,現(xiàn)主要從事交通檢測及其產(chǎn)品的開發(fā)和科研工作。Biography: ZhaoJun