智能交通系統(tǒng)-2課件

1、智能交通系統(tǒng)主講 周大森GPS導(dǎo)航和和第一章第一章 ITSITS的發(fā)展及基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展及基礎(chǔ)技術(shù)一、一、ITSITS的發(fā)展的發(fā)展 發(fā)起于20世紀(jì)90年代，并迅速發(fā)展，用于研究開(kāi)發(fā)投入很大。 美國(guó) 1990年1997年 129億美元 歐洲 1984年1998年 280億歐元 日本 1996年1997年 161億日元二、二、ITSITS目的效益目的效益 利用信息技術(shù)，綜合人、車、路，系統(tǒng)地管理交通。 美國(guó)ITS效益分析（鼓勵(lì)公私合作） 交通阻塞降低25-40% 每年 減少交通死亡萬(wàn)人以上， 減少交通事故600億次。 減少能源消耗和大氣污染。 相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)效益200億美元/年。歐洲目標(biāo)：2000年

2、交通死亡事故減少50%，降低交通對(duì)環(huán)境的污染。日本政府國(guó)策30年目標(biāo)： 嚴(yán)重交通事故降低50% 降低油耗和CO2排量15% 減少NO2排放在空氣中含量30% 消除交通阻塞投資/收益分析階段投資（兆元）收益（兆元）收益/投資1995-20001.01.21.22001-20053.24.41.372006-20153.69.62.67中國(guó)制定發(fā)展戰(zhàn)略 單項(xiàng)研究：交通信號(hào)控制（無(wú)序狀態(tài)），高速公路監(jiān)控，GPS調(diào)度。20世紀(jì)末開(kāi)始研究ITS發(fā)展戰(zhàn)略。中國(guó)ITS系統(tǒng)服務(wù)功能名稱功能交通監(jiān)控與管理交通監(jiān)視、交通控制、城市出入口控制信息服務(wù)路線引導(dǎo)、出行信息、駕駛員信息、旅行信息安全保障事故報(bào)警及響應(yīng)、應(yīng)

3、急支援、安全警報(bào)、防撞、自動(dòng)駕駛電子收費(fèi)人工、半自動(dòng)、不停車運(yùn)輸管理快速客貨運(yùn)服務(wù)、電子數(shù)據(jù)交換、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、自動(dòng)調(diào)度、公交服務(wù)三、三、ITSITS的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容 信息服務(wù)系統(tǒng) 交通管理系統(tǒng) 公交管理系統(tǒng) 電子收費(fèi)系統(tǒng) 車輛控制系統(tǒng) 緊急支援系統(tǒng)四、四、ITSITS的基礎(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接起來(lái)的，獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)群。 將地域上分散且具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)通信設(shè)備和線路按不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來(lái)，能以功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息交換方式和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)共享資源為主要目的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。局域網(wǎng)局域網(wǎng)有限

4、地理范圍內(nèi)信息傳輸通道，部門(mén)間共同擁有?；ミB網(wǎng)互連網(wǎng)不同網(wǎng)絡(luò)之間的互連（一致的方式，相互之間交換數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)）。2.通訊技術(shù) 固定通訊： 微波：（0.3300GHZ） 光纖：光波為載頻光導(dǎo)纖維為介質(zhì) 衛(wèi)星：做為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào) 移動(dòng)通訊：移動(dòng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 由移動(dòng)臺(tái)、基地站、交換中心、中繼線等部分組成。 公用數(shù)據(jù)通訊（通訊網(wǎng)絡(luò)） 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、增值網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（電子信箱等）。公共移動(dòng)通信網(wǎng)：數(shù)字無(wú)線系統(tǒng)（蜂窩拓?fù)洌?.傳感器技術(shù)感知某一物理量的信息，并將它轉(zhuǎn)化為有用信息的裝置（非電量電信號(hào)）傳感元件 被測(cè)非電量 敏感元件輔助電路轉(zhuǎn)換電路電量 車輛檢測(cè)：磁頻 波頻 視頻車輛識(shí)別：光磁車輛控制

5、：發(fā)動(dòng)機(jī)管理環(huán)境信息危險(xiǎn)警告用于：4.顯示技術(shù)和人工智能 大屏幕顯示： LED 發(fā)光二極管、點(diǎn)陣模塊 LCD 液晶顯示器件 人工智能： 用計(jì)算機(jī)模擬，延伸和擴(kuò)展的智能。 其中： 智能控制模式控制、知識(shí)控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。地面控制站和網(wǎng)站控制用戶接收機(jī)選擇信號(hào)算出導(dǎo)航解顯示輸出定位 識(shí)別：長(zhǎng)、寬、高、重的車輛屬性；車載標(biāo)志及身份屬性。 IC卡：一卡多用，安全性、機(jī)讀性、存儲(chǔ)量大（靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)） 定位：全球定位系統(tǒng)（GPS） 5.車輛識(shí)別和自動(dòng)定位三部分組成三部分組成6.地理信息系統(tǒng) 由計(jì)算機(jī)程序和地理數(shù)據(jù)組織而成的地理空間信息模型。 在ITS上應(yīng)用采集、顯示、查詢、分析地理位置信

6、息。第二章第二章 ITS ITS的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容一、信息服務(wù)系統(tǒng)車輛信息通信系統(tǒng)（VICS）是一種典型的實(shí)時(shí)交通信息提供系統(tǒng)。 VTCS使用-FM多頻廣播系統(tǒng)，微波和紅外線信號(hào)的路側(cè)發(fā)射器（信標(biāo)）向駕駛員提供旅行時(shí)間、交通擁擠、交通事故、施工路段、交通控制等實(shí)時(shí)信息。VICS系統(tǒng)概念如下圖VICSVICS中心中心交通信息中心道路管理FM多頻道廣播駕駛員（車載機(jī)）信標(biāo)GPS信息收集信息處理、編輯信息發(fā)布信息利用系統(tǒng)系統(tǒng)功能功能2.車載導(dǎo)航 GPS導(dǎo)航26dB有源天線通道GPS接收板 自律導(dǎo)航：微機(jī)（MPU） 陀螺傳感器 地圖匹配器：薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器 CD-ROM驅(qū)動(dòng)器：8倍速，6

7、50MB（DVD-ROM） CPU：嵌入式，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DPS）GPS天線GPS接收VICS導(dǎo)航接收CD-ROM驅(qū)動(dòng)器電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)MPU微機(jī) 地圖匹配器導(dǎo)航軟件TFI LCD顯示陀螺傳感器語(yǔ)音電路車速傳感器遙控二、交通管理系統(tǒng)TMS功能：交通監(jiān)視、交通控制、事故管理、需求管理、排放管理、交叉口管理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：應(yīng)用計(jì)算機(jī)通信和傳感器技術(shù)，將車輛、道路和交通管理系統(tǒng)聯(lián)接為一體，對(duì)交通進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，智能控制和主動(dòng)管理。 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接如下部分： 信息收集裝置 控制信號(hào)機(jī) 交通管理中心 信息提供裝置 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)光纜、電纜、微波等傳輸媒介 在上述各部和交管中心之間傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像。交通管理中

8、心信息收集信息分析光信標(biāo)紅外探測(cè)器攝像探測(cè)器交通流量探測(cè)人行道信號(hào)機(jī)控制其它中心交通信號(hào)機(jī)VICS車載裝置 各種信息板車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)路測(cè)通信裝置信息提供ATMS結(jié)構(gòu)圖三、公交運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)功能構(gòu)成 車輛定位及車載設(shè)備；通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊方式；網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)；運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理；乘客信息服務(wù)。 1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)差分GPS導(dǎo)航接收機(jī)和車載元件自動(dòng)乘員計(jì)數(shù)車載廣播及顯示設(shè)備實(shí)時(shí)公交信息服務(wù)允許使用IC卡付費(fèi)北京公交智能化調(diào)度系統(tǒng)（七個(gè)子系統(tǒng)） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 通信； GPS； 調(diào)度平臺(tái)； 大屏幕顯示； 電子站牌； 會(huì)議電視2. 車載設(shè)備：可實(shí)現(xiàn)定位，車載外圍設(shè)備的控制 包括控制模塊，通信模塊，計(jì)劃模塊和數(shù)據(jù)管理系

9、統(tǒng)，控制模塊是核心，要與處于監(jiān)控下的每輛車保持聯(lián)系，不僅記錄車輛實(shí)際地理位置，還要與計(jì)劃的位置進(jìn)行比較，得出 車輛是否準(zhǔn)時(shí) ，并通過(guò)公交站轉(zhuǎn)給轉(zhuǎn)乘的乘客。3.電子站牌 向乘客顯示正向本站行駛的運(yùn)營(yíng)車狀態(tài)位置，來(lái)源于公交運(yùn)營(yíng)中心，電子站牌由無(wú)線信號(hào)接收器，顯示控制器，光帶式車輛位置顯示器和LED時(shí)間顯示單元，電源及防護(hù)外殼以及有源式ID碼發(fā)射器等部分組成。 電子站牌能定時(shí)接收GPS時(shí)間信息，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校正，通過(guò)LED顯示時(shí)間信息，及離本站最近車輛位置，到站時(shí)間等。四、電子收費(fèi)系統(tǒng)（ETC） 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，彩電子標(biāo)簽作為通行卡，收費(fèi)過(guò)程由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備與通告卡，自動(dòng)交換信息，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)認(rèn)

10、別，金額自動(dòng)收取，自動(dòng)結(jié)帳。每小時(shí)放行能力是人工收費(fèi)的6倍。 1、系統(tǒng)構(gòu)成及原理：構(gòu)成車載處理單元；車道處理單元，收費(fèi)站計(jì)算機(jī)管理單元，中央計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。2. 收費(fèi)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫(kù)外圍設(shè)備攝像機(jī)讀寫(xiě)器警察局車輛戶口數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主機(jī)銀行聯(lián)網(wǎng)賬單寄出五、車輛控制系統(tǒng)VCS借助車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備檢測(cè)行駛環(huán)境變化幫助駕駛員控制車輛，即是智能汽車的研究與應(yīng)用。主要功能：道路障礙自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)轉(zhuǎn)向，自動(dòng)制動(dòng)，自動(dòng)保持安全距離和車速以及巡航控制功能。2、效益：增強(qiáng)公路通行能力，減少道路阻塞，縮短行車時(shí)間，降低事故率，提高行車安全，降低行車成本，提高行車效率，降低廢氣排放量減輕環(huán)境污染。3

11、.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)天線 攝像磁性傳感器車間距掃描同軸電纜 磁性標(biāo)記 電子數(shù)字地圖車輛行駛狀傳感器輪速、振動(dòng)、油門(mén)加速度、制動(dòng)力信息處理、交通、環(huán)境、車距、道路行駛控制方向輔助傳動(dòng)裝置油門(mén)、剎車轉(zhuǎn)向信息顯示駕駛轉(zhuǎn)換行駛控制速度航向4.日本的先進(jìn)安全汽車ASV（以安全技術(shù)為中心，謀求汽車智能化的國(guó)家項(xiàng)目） 事故預(yù)警技術(shù)：危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警，提高可視性，環(huán)境信息，減輕駕員負(fù)擔(dān)。 事故規(guī)避技術(shù)：提高運(yùn)動(dòng)控制性能，危險(xiǎn)狀態(tài)規(guī)避，環(huán)境引發(fā)事故規(guī)避。 自動(dòng)駕駛技術(shù)：自律型自動(dòng)駕駛技術(shù)，新設(shè)施下自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。 沖擊安全技術(shù)：沖擊吸收、司乘人員保護(hù)，減輕步行者被害。 防止災(zāi)害技術(shù)：緊急門(mén)鎖解除，減小二次沖擊，火災(zāi)撲滅，自

12、動(dòng)通報(bào)。 汽車底盤(pán)技術(shù)：數(shù)字速度變化記錄，車輛識(shí)別卡，GPS定位，高齡疲勞對(duì)應(yīng)。第三章 GPS導(dǎo)航及車載設(shè)備一、GPS定位GPS的發(fā)展古代導(dǎo)航是星歷導(dǎo)航，即通過(guò)觀察天空星座位置變化來(lái)確定自己位置。中國(guó)指南針的發(fā)明也一直為人們所用。19世紀(jì)人造衛(wèi)星的發(fā)射成功，為衛(wèi)星電子導(dǎo)航打下基礎(chǔ)。60年代美國(guó)的“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”用于海軍導(dǎo)航。70年代有了全球衛(wèi)星導(dǎo)航，由18個(gè)衛(wèi)星組成。80年代建成了GPS由24個(gè)衛(wèi)星組成，全球任何地點(diǎn)可同時(shí)觀測(cè)到個(gè)衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。美國(guó)從73年到93年用了近二十年，耗資300億美元完成。 GPS首要目的是軍用，民用為副產(chǎn)品，設(shè)計(jì)兩種服務(wù)： P碼：軍用，基頻10.23Mz。

13、C/A碼：民間用戶，1.023Mz。 3. GPS的組成空間衛(wèi)星部分：互成60的個(gè)橢圓軌道上，各布個(gè)衛(wèi)星。地面控制部分：向衛(wèi)星提供要廣播的星歷。用戶接收機(jī)部分：供用戶使用。4.GPS定位的基本原理 GPS 為高軌測(cè)距體制：以觀測(cè)站至GPS 衛(wèi)星間距離做為基本觀測(cè)量，可采用兩種觀測(cè)方法。測(cè)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間（數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單）。測(cè)接收到載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考信號(hào)之間相位差。在導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位時(shí)定位方式：?jiǎn)吸c(diǎn)定位獨(dú)立確定待定點(diǎn)在地心坐標(biāo)中的絕對(duì)位置，只需一臺(tái)接收機(jī)，但定位精度低。差分定位地面已知點(diǎn)上設(shè)一接收機(jī)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，與所有待測(cè)點(diǎn)的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)求出的定位坐標(biāo)改正數(shù)（用定位

14、差分法或偽距差分法求得）實(shí)時(shí)傳給相關(guān)用戶（待測(cè)接收機(jī)），從而提高定位結(jié)果的精度（可達(dá)10m水平定位誤差）。衛(wèi)星GPS差分基準(zhǔn)站衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星差分定位差分定位差分改正數(shù)GPS差分站的組成 硬件部分 由差分無(wú)線，基準(zhǔn)GPS接收機(jī)，基準(zhǔn)站機(jī)（）電平轉(zhuǎn)換模塊、直流電源和組成。其系統(tǒng)連接如下圖所示。差分GPS天線基準(zhǔn)GPS接收處直流電源基準(zhǔn)站PC機(jī)UPS電平轉(zhuǎn)換用戶用戶差分站GPS天線是抗干擾的高增益天線，安裝于無(wú)遮擋的高處，基準(zhǔn)GPS接收機(jī)是差分站的核心組成，其功能是將天線接收信號(hào)放大處理并進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成差分改正數(shù)，直流電源和UPS可提供標(biāo)準(zhǔn)電源，電平轉(zhuǎn)換模塊可延長(zhǎng)信號(hào)傳輸距離。硬件部分 軟件功能GPS差

15、分基準(zhǔn)站軟件功能表現(xiàn)在能實(shí)時(shí)讀取GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)，提供并顯示差分站的運(yùn)行狀態(tài)；讀取標(biāo)準(zhǔn)格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)，并解算接收機(jī)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的數(shù)目和差分信息長(zhǎng)率；時(shí)實(shí)判斷GPS接收機(jī)工作狀態(tài)，異常時(shí)提供報(bào)警。 GPS/DR組合定位 車載設(shè)備中的定位裝置，多采用GPS和DR組合的方法。（ GPS正常定位輸出并做為DR初始點(diǎn))航位推算（DR）是根據(jù)汽車角速度傳感器（舵螺儀）和顯程儀的信號(hào)，推算車輛由起始位置（X0,Y0）和初始方位角下一時(shí)刻的位置。下圖示出了DR推算原理。車速傳感器： 電磁式交流信號(hào)頻率，可轉(zhuǎn)換成車速前進(jìn)速度。VVV氣體陀螺儀：X1=x0+S0sin0Y1=Y0+S0cos01=0+0X2=X1+S

16、1sin1Y2=Y1+S1cos12=1+1依次推算得：Xk=X0+Sisin2Yk=Y0+Sicos2k=k-1+k-1DR推算原理k=1、應(yīng)用舉例（本田汽車導(dǎo)航系統(tǒng)） 系統(tǒng)構(gòu)成（自主導(dǎo)航系統(tǒng)） GPS/DR/地圖匹配組合定位系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)據(jù)處理過(guò)程為每個(gè)采樣時(shí)刻是由濾波器處理傳感器和GPS測(cè)量值后組成優(yōu)化值，后輸出車輛位置估計(jì)值并與定位濾差和行車方向一并輸入地圖匹配模塊，算出地圖上的匹配位置坐標(biāo)，濾波器的結(jié)構(gòu)原理如下：里程儀陀螺儀GPS接收機(jī)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫(kù)濾波器地圖匹配模塊位置估計(jì)組合DR 信息 GPS信息車輛位置估算行車方向估算誤差估算定位輸出二、車載設(shè)備車載設(shè)備由定位模塊（GP

17、S 接收機(jī)和DR傳感器）、通信控制器、收發(fā)信機(jī)（集群電臺(tái)）、駕駛員接口和電源模塊組成，其原理圖如下：駕駛員接口數(shù)碼顯示語(yǔ)音提示短信息輸入定位模塊角速度傳感器GPS接收機(jī)里程儀接口通訊控制器單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)線MODEM時(shí)序邏輯電路集群電臺(tái)電源模塊里程儀信號(hào)輸入GPS接收機(jī)接收GPS所發(fā)導(dǎo)航電文，經(jīng)處理后形成一定格式的綜合數(shù)據(jù)流（位置、時(shí)間、速度）經(jīng)串口送至通信控制器。通信控制器將綜合數(shù)據(jù)流和本車身份及其它數(shù)據(jù)經(jīng)通訊協(xié)議重構(gòu)后由收發(fā)信機(jī)發(fā)射到控制中心，并將充分基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的修正信息送至GPS接收機(jī)提供司駕人員。車載終端和傳感器車載終端和傳感器車載終端功能：提供實(shí)時(shí)交通信息、導(dǎo)航。為信息中心提供原始信息。

18、車輛定位。操作操作面板面板GPRSGPRS收發(fā)機(jī)收發(fā)機(jī)GPSGPS接收接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)語(yǔ)音芯片語(yǔ)音芯片無(wú)線無(wú)線揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器顯示器顯示器導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是車載終端為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、電子地圖應(yīng)用程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行，其顯示屏顯示地圖和車輛位置。自主導(dǎo)航系統(tǒng)由車速傳感器和方向傳感器檢測(cè)汽車瞬時(shí)速度與前進(jìn)方向的變化，送入CPU可求出行車軌跡和當(dāng)前位置，并在電子地圖上顯示，此外，電子地圖上還標(biāo)有道路、設(shè)施、地名。里程儀陀螺儀GPS接收機(jī)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)邦濾波器地圖匹配模塊位置估計(jì)組合DR 信息 GPS信息車輛位置估算行車方向估算誤差估算定位輸出3 3方向傳感器（羅盤(pán)式、方向盤(pán)式和陀螺儀）方向傳感器（羅盤(pán)式、方向盤(pán)式和陀螺儀）羅盤(pán)式傳感器當(dāng)以角作用時(shí)，x、y有：故測(cè)得和就可得汽車行駛方向與地磁場(chǎng)的夾角缺點(diǎn)：車輛通過(guò)環(huán)境磁場(chǎng)時(shí)有較大誤差。Vx=KHcos Vy=KHsin 則 =aectgn(Vy/Vx)x xy y地磁場(chǎng)方向盤(pán)傳感器方向盤(pán)傳感器又稱車輪轉(zhuǎn)速差方向傳感器，通過(guò)左右車