车辆行驶跑偏量在线测量研究*

周兴林，伍 洋，吕文莎，尹皓晖

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

车辆行驶跑偏量在线测量研究*

周兴林，伍 洋，吕文莎，尹皓晖

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

为解决车辆行驶跑偏量检测的全天候高精度测量问题，提出了一种利用卫星实时差分定位技术进行车辆行驶跑偏量测量的方法。将移动站接收机置于待测车辆上实时接收车辆轨迹坐标，构建车辆行驶跑偏轨迹模型并计算跑偏参数，同时采用小波变换对卫星信号进行滤波处理，削弱了多路径效应的干扰，提高了检测系统的精度。通过两台移动站接收机同时测量同一车辆的对比试验证明该方法可以快速、有效地进行跑偏量检测，且测试精度高，可实现全天候测试。

车辆工程；车辆行驶跑偏；小波滤波；RTK；测量模型；测量系统

车辆行驶跑偏是指车辆在平坦路面上高速直线行驶时，当手松开方向盘后，车辆方向出现向左或向右偏移的现象。造成车辆行驶跑偏的原因有很多，常见的原因有两侧轮胎气压不等、胎面花纹磨损程度不一样、悬挂系统设计有问题或悬挂受伤、变形、移位等。车辆的行驶跑偏轻则引起驾驶员驾驶疲劳，造成车胎磨损，严重地则会引发交通事故，因此有必要研究一套完善的车辆行驶跑偏量测量系统。

目前车辆行驶跑偏量测量的方法相对较多，常见的有CCD相机[1]、光纤传感器[2]、激光[3]、GPS检测法[4]和传统检测法。但是由于CCD相机标定复杂，光纤传感器的安装和维护比较困难，激光检测法还处于理论研究阶段，这几种方法都未能推广使用。国内大部分汽车厂家和汽车试验场都有自己的跑偏量测量方法：如广汽集团利用V-box进行检测、襄阳汽车试验场用陀螺仪进行检测等。综合分析各汽车厂家和试验场的检测方法，最为广泛使用的是GPS检测法[5-7]和传统检测法。传统检测法检测精度低，受操作人员主观因素影响较大，而传统的GPS检测法的检测精度也相对较低。

笔者在已有GPS检测法的基础上进行了改进，提出RTK(real time kinematic)检测法，该方法具有安装维护方便、检测精度高等优点，且受环境影响小，可实现车辆行驶跑偏量的全天候高精度检测。

1 RTK工作原理及主要误差

RTK即卫星实时差分定位技术，是以载波相位观测为根据的实时差分动态定位技术，RTK系统一般由基准站、移动站和数据链3部分组成，其原理是在已知点架设基准站，对卫星进行连续观测，并将观测数据和测站信息通过无线电传输设备实时发送给移动站，移动站在接收卫星数据的同时接收来自基准站的数据，在系统内构成差分算法，以消除卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层折射等误差，进而得到测点在大地坐标系下的三维定位结果。

RTK用于车辆行驶跑偏量测量时，基线不会布置太长，与卫星、大气层和接收机相关的误差在差分计算的时候可认为基本消除，但多路径效应等误差则不能通过差分算法消除，从而成为跑偏量测量误差的主要来源。多路径效应[8]是指卫星信号通过其他物体的反射或折射到达卫星接收天线，并对直接到达的卫星信号产生干扰，影响码和相位测量，从而降低定位精度。目前国内外已有许多削弱多路径效应的方法，如选择较好的卫星观测点，避开强反射面和射频干扰源、选择扼流天线、采取窄相关技术以及自适应滤波等数据后处理方法，为减小车辆行驶跑偏量测量误差，系统采用的是小波滤波[9]的方法。

2 测量系统的建模与计算

车辆行驶跑偏测量模型如图1。图1中：测试道路旁架设RTK基准站1，基准站接收一段时间的卫星观测值并求取平均值作为基准站参考坐标，将RTK移动站3固定在待测车辆2的顶部，驾驶员从A点沿着道路中心线将车辆加速至待测速度V后松开方向盘保持速度V进行跑偏测试，直至驶出检测区域，RTK移动站记录整个过程中车辆的坐标、方向和速度，通过分析车辆行驶跑偏轨迹即可得到车辆的百米跑偏量和百米跑偏角。

图1 车辆行驶跑偏测量模型Fig.1 Vehicle driving deviation measurement model

2.1 小波滤波算法

信号f(t)的小波变换[10]如式(1)：

(1)

式中：a、b分别为尺度因子和平移因子；Ψ[(t﹣b)/a]为小波基函数。

在离散小波变换中，常用的离散方法是将a按幂级数离散，b在尺度内均匀离散，一般取a=2m，b=n2m。

f(t)的离散小波以内积的形式给出，如式(2)：

dm，n=〈ψn，m(t)，f(t)〉

(2)

由式(2)得到离散小波后，可由式(3)重建f(t)：

(3)

通过离散小波变换后，1个信号可以分解为它的低频部分和高频部分。再由式(3)重建信号后，即可得到滤波后的信号[11]。

2.2 坐标系标定及跑偏量计算

RTK系统检测得到的WGS-84坐标是以地球质心为原点的大地坐标系统，需先将其转换为空间直角坐标[12]，再进行跑偏量计算。假设(xi，yi，zi)和(Xi，Yi，Zi)分别为WGS-84大地坐标系和空间直角坐标系下的坐标，两坐标系间的转换由坐标原点的位移ΔX、ΔY、ΔZ，坐标轴的旋转参数εx、εy、εz和坐标轴的尺度参数λ这几个参数控制，其数学模型如式(4)：

(4)

选取检测路段起点为空间直角坐标系的原点，道路中心线为x轴，垂直于道路平面方向为z轴，在道路中心线上选取3个点，分别量取其在WGS-84坐标系下的坐标和空间直角坐标系下的坐标，代入式(4)即可求解出各参数值。

转换后的车辆行驶轨迹如图2。曲线AP为加速段，PB为跑偏段；任取PB上距离为100 m的两点C、D(即EF=100 m)，C点坐标为(XC，YC，ZC)，车辆在C点的行驶方向与道路中心线之间的夹角为θ1；D点坐标为(XD，YD，ZD)，车辆在D点的行驶方向与道路中心线之间的夹角为θ2，则跑偏参数如下。

图2 车辆行驶轨迹计算模型Fig.2 Calculation model of vehicle driving trajectory

被测车辆百米行驶跑偏量ΔL(单位：cm)如式(5)：

(5)

被测车辆百米行驶跑偏角Δθ如式(6)：

Δθ=θ2-θ1

(6)

3 测量系统组成

车辆行驶跑偏量测量系统硬件组成如图3。系统包括数据采集、数据处理和无线通信这3部分。RTK模块通过收发卫星信号采集车辆轨迹信息，计算机用于控制RTK模块和数据处理，无线电台用于RTK基准站和移动站之间的数据传输，无线AP用于计算机和手持终端之间的数据传输。

图3 系统主要硬件组成Fig.3 Main hardware composition of the system

图4 检测系统工作流程Fig.4 Work flow chart of detection system

图4为检测系统工作流程。调试好设备，利用全站仪在道路中心线上标定3个坐标已知的点，并测量其在WGS-84坐标系下的坐标，计算坐标转换参数，计算机录入车辆的VIN码后向车辆发出开始测试的信号，RTK模块以固定的频率采集整个测试过程中车辆行驶的轨迹点坐标和方向，并将数据传输给计算机，计算机的数据处理软件算出车辆的跑偏量、跑偏角后输出并存储数据，同时通过无线AP将数据传输给无线手持终端，若继续测试下一辆车，则重复上述步骤。

4 实验与结果

为验证该检测系统的精度和可靠性，设置一个基准站和两个移动站，将两个移动站置于同一待测车辆上，检测速度为40 km/h，采样频率为20 Hz。分别在不同时段，不同气候条件下对该车辆进行多次跑偏量测量，计算所测百米跑偏量和跑偏角，并对比结果以论证研究的可行性和有效性。系统基准站和移动站均采用NovAtel公司生产的FlexPak6接收机，基准站为该公司的GPS-703GGG天线，移动站为该公司的42GNSSA-XT-1天线。

4.1 设备精度检测

搭建好整个测试系统，准备一根长为2 m的滑轨，将移动站天线固定在滑轨上，如图5。滑轨平置于附近有建筑物遮挡的场地上(存在多路径效应)，往返多次将移动站天线从滑轨的一端滑动至另一端，分别使用小波滤波法和不使用小波滤波法直接采集10组移动站的信号，结果如表1，根据采集的移动站天线数据计算出滑轨长度并与理论长度进行对比，验证小波滤波法对多路径效应的消除效果和测量系统的精度。

图5 测量系统精度验证Fig.5 Precision verification of the measurement system

由表1可看出：小波滤波法所测均方根误差小于直接测量所得均方根误差，说明小波滤波法可以在一定程度上削弱多路径效应对检测结果的干扰，且系统的测量误差在1 cm以内。

表1 系统检测精度验证结果Table 1 Verification results of system detection precision cm

4.2 测量结果

调试好设备后，将两个移动站安装在同一待测车辆上并对该车辆进行跑偏量测量，分别在不同的时段、不同的气候条件下进行跑偏测试，并使用labview[13]编写计算程序，经过多次测量得到相关数据(图6)。并对100次测量结果进行对比分析，求取两个移动站的跑偏量差值和跑偏角差值，结果如图7。

图6 车辆行驶跑偏量记录Fig.6 Vehicle driving deviation records

图7 两接收机所测跑偏量和跑偏角差值曲线Fig.7 D-value curve of driving deviation anddriving deviation angle measured by two receivers

由图7可看出：在100次测量过程中两台移动站所测百米跑偏量差值在1 cm以内，跑偏角差值在0.1°以内，可知该车辆行驶跑偏量测量系统运行稳定可靠，且能够全天候测量，可以满足生产线等大批量检测的需求。

5 结 语

针对目前国内跑偏量检测精度不高的问题，笔者提出了一种利用卫星实时差分定位技术进行车辆行驶跑偏量测量的系统，并成功应用于实际车辆行驶跑偏量检测试验中。小波滤波法的使用消除了由于多路径效应产生的误差，提高了测量的精度。通过对比试验证明该系统能够有效实现跑偏量的全天候测试，且系统运行稳定可靠，检测精度高，可广泛应用于车辆生产线的检测，对于车辆跑偏量测量具有现实意义，为车辆跑偏量测量提供了新的思路。

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On-Line Measurement of Vehicle Driving Deviation

ZHOU Xinglin，WU Yang，LV Wensha，YIN Haohui

(School of Automotive &Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，P. R. China)

In order to solve the all-weather and high precision measurement problem of vehicle driving deviation，a vehicle driving deviation test method based on satellite real-time differential positioning technology was developed. The mobile station receiver was set in the measured vehicle to receive the real-time vehicle trajectory coordinates. The vehicle driving deviation trajectory model was established and the parameters of vehicle driving deviation were calculated. Meanwhile，wavelet transform was used to filter the satellite signal，which weakened the interference of multipath effect and improved the detection precision of the system. Through the comparative test with the same vehicle measured by two mobile station receivers at the same time，it is proved that the proposed method can detect the vehicle driving deviation quickly and effectively，and the test precision is high. Moreover，it can realize all-weather measurement.

vehicle engineering; vehicle driving deviation; wavelet filter; RTK; measurement model; test system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.16

2016-05-17；

2016-12-07

国家自然科学基金项目(51578430)；国家标准委员会资助项目(20153973-T-339)；湖北省自然科学基金项目(2015CFA064)；湖北省科技支撑计划项目(2014BEC055)

周兴林(1965—)，男，湖北监利人，教授，博士，主要从事交通信息与控制方面的研究。E-mail：zxl65@163.com。

伍 洋(1992—)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事交通信息与控制方面的研究。E-mail：591897764@qq.com。

U467.4

A

1674-0696(2017)12-097-05

刘韬)