贵港市嘉特电子科技有限公司
摘要：随着社会的不断发展，我国交通越来越便捷，但是与此同时，交通问题日益突出，提高汽车的安全性能成为了我们面临的一大挑战。本文是基于组合导航技术设计了一个汽车姿态数据采集系统，此系统通过应用了地磁传感器以及高精度高密度的惯性测量芯片，使其组成传感器模块，该传感器可以对汽车的速度、加速度以及角速度等数据进行测量并记录，误差设备使用互补滤波的方法，对传感器的误差进行计算补偿，应用四元数的数学概念对数据进行姿态解算，进而得出汽车的姿态角度数据。[1]然后利用惯导技术与GPS技术，组成一个精准的导航系统，能够将汽车的实施运行速度、加速度以及位移路程等数据显示出来，还能够对汽车进行定位。本汽车姿态数据采集系统设计探究显示，此次探究获得的汽车姿态角度数据精确度高，对汽车的实时定位位置比较准确，能够对驾驶状态以及汽车安全驾驶的研究提供有力的帮助，可应用价值比较高。
关键词：组合导航；汽车安全控制；汽车姿态数据采集；系统设计；探究
引言：
随着交通问题的日益突出，相关工作者开始对驾驶行为检测系统进行设计研究。前期，人们从医学方面着手研究，相关企业设计了一个类似于手表的检测装置，其通过对人们驾驶时的脉搏变化、心率变化等数据进行记录，针对其某一时刻的驾驶状态与其正常生活中正常状态进行对比，得到结果比如，在人们疲劳驾驶时，驾驶者的眨眼频率提高、视野范围减小等。这些研究都是基于驾驶者的状态来看的，但是影响驾驶安全的还有另外一大因素，即驾驶者的驾驶习惯有问题，比如说急转弯、急刹车或者驾驶速度过快或过慢。由此可以得出，如果研究是以汽车为研究对象，对汽车的加速度、速度以及角速度等姿态数据进行检测，在不影响驾驶员正常操作的情况下，还能够检测驾驶员驾驶操作是否符合标准，对公交公司以及一些出租车公司对司机的管理也有着很大的帮助，相关部门对这些数据进行及时的评测，并对不符合驾驶标准的行为除以一定的处罚，能够在很大程度上降低交通问题的发生频率。[2]
一、汽车姿态数据采集系统的硬件设计
汽车姿态数据采集系统分为三个部分组成：数据采集、传输与接收服务器。[3]通过数据采集终端采集到的速度、加速度以及角速度的数据进行姿态解算，得到汽车的速度以及位移的实时信息。以PC机作为服务器、IP协议芯片作为无线通信应用模块，构建无线数据传输模块，对数据进行采集与解算。
二、姿态分析与解算算法
（一）姿态分析
在对某一质点进行位置以及运动规律记录的时候，选取一个合适的坐标系是最为关键的一步，在本次设计中，我们选取n系（东北天）作为研究的参考坐标，将传感器放置在汽车装饰台的中心，以传感器的位置作为坐标系的原点，汽车行驶过程中传感器的方向会发生变化，传感器的方向作为载体坐标系，这时载体坐标系与参考坐标系之间就会产生一个夹角，该角度的变化可以被用来描述汽车的姿态变化趋势，其中载体坐标系与参考坐标系的x、y、z轴的夹角命名为з。
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（二）姿态解算算法
1.基于四元数法的解算算法
在描述姿态变化的时候，一般选用四元数法、余弦法、欧拉角法以及等效旋转矢量法来进行计算描述，其中四元数法比较成熟，在进行姿态结算时数据可靠性比较高，是本次汽车姿态数据采集系统设计进行解算所要选用的首要方法，余弦法、欧拉角法以及等效旋转矢量法的计算量比较大，计算过程中容易出现错误，影响系统设计的有效进行，因此在实际的结算过程中，一般选用四元数法进行计算，通过四元数姿态解算将俯仰角以及翻滚角计算出来。[4]四元数法解算完成后，需要应用陀螺仪计算汽车的角速度，但是陀螺仪的计算不精确，所计算得到的姿态角误差较大，其产生的原因有很多，比如说，测量误差、陀螺仪震动带来的误差以及随机误差等等，我们采用互补滤波的方式对姿态角的误差进行补偿，将加速度测量仪器与磁力感应检测仪器所获得的姿态角数据与陀螺仪所获得的姿态角数据的差计算出来，数据之差既是计算所需的误差补偿，然后利用四元数法计算得到更为精确的姿态数据，减小误差。
2、基于卡尔曼滤波组合导航方法的解算算法
以汽车作为研究驾驶状态的依据，会使研究结果受到很多外界因素的影响，比如天气、路面情况等等。以路况因素为例，通过汽车姿态数据采集系统的实时定位功能能够判断汽车所在的位置，将检测数据与实际情况结合起来，能够在进行驾驶状态分析时，排除路况原因带来的影响，能够得到更加准确的驾驶状态。近年来GPS技术在全球范围内的应用逐渐广泛，但是在一些比较偏远偏僻的地区，GPS信号就会减弱甚至消失，惯导系统所受到外界因素的影响比较小，但是随着使用时间的增多，系统定位效果就会急剧下降，我们应用卡尔曼滤波的方式将惯导系统与GPS技术相结合，取长补短。卡尔曼滤波是一种线性滤波状态方程，通过对相关的检测数据进行处理，得到最为接近准确数值的估计值。
三、数据无线传输
数据的无线传输过程选用PC机作为该系统的服务器，利用通信公司的GPRS网络进行无线传输的媒介，使得到的数据及时的传输到服务器，其中使用的GPRS网络具有传播速度快、按流量计费、接入范围大、登陆迅速、实时性强以及传播灵活的特点，能够保证数据的传输质量。通过控制GPRS来将速度、加速度以及角速度，和经过解算后得到的角速度以及位移距离等数据传播到服务器上，然后通过IP协议对数据进行解析，然后将数据存储记录到服务器中。
四、系统功能测试
为了能够使该系统设计的更加全面化，我们选择了一段有水平路面、转弯路面以及上下坡的路面进行试验，驾驶员以不同的速度在路面上行驶，行驶过程中记录数据，由于数据量比较大，进行数据整理时比较困难，无法将整个数据过程展现出来，因此我们选取了一些具有代表性的数据，来展现不同档位的驾驶情况下驾驶员的驾驶状态。收集的数据中，速度与加速度可以反映汽车行驶的平稳程度以及驾驶员的驾驶习惯，是否有危险驾驶的情况产生，位移路程则会显示驾驶员的驾驶状态，是否有疲劳驾驶打瞌睡、驾驶不专心（打电话）或者酒驾的情况产生，姿态角度能够将驾驶的路段情况显示出来，比如汽车处于上坡或者下坡路段，路面是否平坦，是否应该选取更为平坦的路面行驶。从以上的数据中可以看出，如果姿态角度超过45°23′，翻滚角的变化幅度比较大，则表示汽车行驶路段并不平坦，反之则是行驶路况比较好。[5]如果数据显示加速度以及速度变化比较小，位移路程比较顺直路况良好，处于匀速行驶状态，则可以显示驾驶员的驾驶情况良好，无不良的驾驶习惯，驾驶状态良好。
五、结语
综上所述，随着人们生活水平的不断提高，交通越来越便捷，但是产生了很多的交通问题。前期人们通过对驾驶员的驾驶状态进行研究，并不能够从根本上减少交通事故，后来人们发现如果将研究对象转变为汽车，既能够保证驾驶员正常操作还能够起到监测驾驶员操作是否规范的目的，能够成为评判驾驶员行为是否规范的标准，能够对一些公交公司、出租车公司判断司机合格性的标准。该汽车姿态数据采集系统将组合导航技术应用进去，能够对驾驶员的驾驶状态进行实时监控，及时的发现驾驶过程中出现的问题，及时的处理紧急情况，具有比较强的实用性，能够在很大程度上降低交通问题的发生概率，有助于社会的稳定发展。
参考文献：
[1]王丹.基于机器视觉的驾驶员打电话行为检测[D].北京理工大学,2015:10-62，78.
[2]孙金秋，游有鹏，傅忠云.基于共轭梯度法和互补滤波相结合的姿态解算算法[J].传感器技术学报,2014,27(4):524-528.
[3]徐梓峰,卢艳娥,庞春雷.基于GPS的捷联惯导系统误差校正研究[J].计算机测量与控制,2013,21(9):2518-2521.
[4]杨立才，李景辉.基于多传感器信息融合的人体姿态解算算法[J].山东大学学报,2013,43(5):49-54.
[5]吴超.基于驾驶行为特征的疲劳驾驶检测方法的实现[D].武汉理工大学,2013:5-6，21.
论文作者:李玉凤
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/16
标签：数据论文; 姿态论文; 汽车论文; 驾驶员论文; 误差论文; 状态论文; 角速度论文; 《科学与技术》2019年第10期论文;