專利名稱：基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)及樁考方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車樁考系統(tǒng)及樁考方法。
背景技術(shù)：
汽車樁考是我國公安部71號令、關(guān)于《機(jī)動車駕駛證申領(lǐng)及管理規(guī)定》中的科目考試。目前使用的汽車樁考系統(tǒng)主要是采用如下相關(guān)技術(shù)采用遠(yuǎn)距離紅外線檢測器進(jìn)行車身壓線檢測，采用振動傳感器進(jìn)行碰擦樁桿檢測，采用考車上的傳感器和無線發(fā)射裝置進(jìn)行停車和發(fā)動機(jī)熄火檢測。該系統(tǒng)存在的問題包括1、系統(tǒng)設(shè)備龐大、價格昂貴。需要設(shè)置場地龍門架、7～8對遠(yuǎn)距離高精度紅外探頭，該紅外探頭通常是采用德國Banner公司的產(chǎn)品，一套車管所考試用的JW-S2A報價達(dá)到14～18萬；2、整個系統(tǒng)的設(shè)置需要大量布線；3、系統(tǒng)本身無法記錄考車的行進(jìn)軌跡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種在保證檢測精度的前提下，能大幅度降低設(shè)備成本、只需少量布線、并且能實時顯示考車行進(jìn)軌跡的基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)及樁考方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)的特點是在考車車頂上按一前一后布置兩個車載節(jié)點；在樁考場地外圍布置至少三個不在同一直線的上錨節(jié)點，所述車載節(jié)點及錨節(jié)點均為無線傳感器節(jié)點，并以其中之一的錨節(jié)點配置與上位機(jī)進(jìn)行通信的RS232接口或USB接口，構(gòu)成能夠收集其它節(jié)點的傳感信息并與上位機(jī)進(jìn)行通信的基站；所述各無線傳感器節(jié)點為小型嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成包括中央控制器(MCU)、通信模塊、超聲模塊、存儲器以及電源，其中，中央控制器采用可實現(xiàn)射頻控制、超聲控制和數(shù)據(jù)處理的中央處理芯片；通信模塊由射頻通信電路和外置天線構(gòu)成，實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；超聲模塊實現(xiàn)超聲波的發(fā)送或接收，并與通信模塊中的射頻通信電路協(xié)同工作，完成錨節(jié)點與車載節(jié)點之間的測距。
本發(fā)明基于無線傳感器定位的汽車樁考方法的特點是隨著考車在場地上的移動，以固定位置上的多個錨節(jié)點對車載節(jié)點進(jìn)行實時定位，由車載節(jié)點的位置信息結(jié)合考車的輪廓信息獲得考車輪廓位置信息，再將所述考車輪廓位置信息與場地各邊線位置進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷考車是否有犯規(guī)動作。
本發(fā)明基于無線傳感器定位的汽車樁考方法的特點也在于在樁考場地所在平面上設(shè)置XOY坐標(biāo)系，確定樁考場地在該坐標(biāo)系中的位置，獲得場地上各邊線的固定坐標(biāo)值，以及場地外圍各錨節(jié)點A、B、C的固定坐標(biāo)值；設(shè)定錨節(jié)點A、B、C的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，通過傳感器實測車載節(jié)點D與各錨節(jié)點A、B、C之間的距離分別為d1、d2、d3，令任一車載節(jié)點的D的坐標(biāo)為(x，y)，因此獲得如下關(guān)系式(x-x1)2+(y-y1)2=d1(x-x2)2+(y-y2)2=d2(x-x3)2+(y-y3)2=d3]]>由上式得到節(jié)點D的坐標(biāo)為xy=2(x1-x3)2(y1-y3)2(x2-x3)2(y2-y3)-1x12-x32+y12-y32+d32-d12x22-x32+y22-y32+d32-d22]]>根據(jù)一前一后兩只車載節(jié)點在同一時刻的坐標(biāo)位置，配合考車外輪廓，獲得考車輪廓線在所述XOY坐標(biāo)系中的位置信息，進(jìn)而判斷考車犯規(guī)與否。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)應(yīng)用于汽車樁考，基于到達(dá)時間差TDOA的精確測距方法、三邊定位法以及極大似然估計法保證檢測精度，同時能夠大幅度降低設(shè)備成本，傳感器節(jié)點布置方便，無需布線，并能實時顯示和記錄考車行進(jìn)軌跡。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)置示意圖。
圖2為本發(fā)明無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明車載節(jié)點定位示意圖。
圖4為本發(fā)明所應(yīng)用的極大似然估計法示意圖。
圖5為本發(fā)明車載節(jié)點信號發(fā)射電路原理圖。
圖6為本發(fā)明錨節(jié)點信號接收電路原理圖。
圖7為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述具體實施方法
參見圖1，系統(tǒng)場地按《機(jī)動車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》進(jìn)行設(shè)置，包括1、樁長兩倍車長，前驅(qū)動車，加50cm。
2、樁寬大型客車、大型貨車、中型客車為車寬加70cm，小行車為車寬加60cm。
3、路寬車長的1.5倍。
4、起點距甲庫外邊線1.5倍車長。
圖1所示，基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)的設(shè)置包括在考車車頂上按一前一后布置兩個車載節(jié)點；在樁考場地外圍布置至少三個不在同一直線的上錨節(jié)點，所述車載節(jié)點及錨節(jié)點均為無線傳感器節(jié)點，并以其中之一的錨節(jié)點配置與上位機(jī)進(jìn)行通信的RS232接口或USB接口，構(gòu)成能夠收集其它節(jié)點的傳感信息并與上位機(jī)進(jìn)行通信的基站。具體實施中，為了保證精度，要求各車載節(jié)點與錨節(jié)點在同一水平高度上。
參見圖2，各無線傳感器節(jié)點為小型嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成包括中央控制器(MCU)、通信模塊、超聲模塊、存儲器以及電源，其中，中央控制器采用可實現(xiàn)射頻控制、超聲控制和數(shù)據(jù)處理的中央處理芯片ATMELMEGA128芯片；通信模塊由射頻通信電路和外置天線構(gòu)成，實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；采用射頻通信芯片CC1000。
超聲模塊實現(xiàn)超聲波的發(fā)送或接收，并與通信模塊中的射頻通信電路協(xié)同工作，完成錨節(jié)點與車載節(jié)點之間的測距。超聲模塊用作發(fā)送時，包括超聲波發(fā)射探頭SZW-S40-16P及其驅(qū)動電路；而用作接受時，包括超聲波接收探頭SZW-R40-16P及檢波電路。無線傳感器節(jié)點由電池供電。
本實施例中，基于無線傳感器定位的汽車樁考方法是隨著考車在場地上的移動，以固定位置上的多個錨節(jié)點對車載節(jié)點進(jìn)行實時定位，由車載節(jié)點的位置信息結(jié)合考車的輪廓信息獲得考車輪廓位置信息，再將所述考車輪廓位置信息與場地各邊線位置進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷考車是否有犯規(guī)動作。這一方法是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN目標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用于汽車樁考系統(tǒng)。
參見圖3，在樁考場地所在平面上設(shè)置XOY坐標(biāo)系，確定樁考場地在該坐標(biāo)系中的位置，獲得場地上各邊線的固定坐標(biāo)值，以及場地外圍各錨節(jié)點A、B、C的固定坐標(biāo)值；設(shè)定錨節(jié)點A、B、C的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，通過傳感器實測車載節(jié)點D與各錨節(jié)點A、B、C之間的距離分別為d1、d2、d3，令任一車載節(jié)點的D的坐標(biāo)為(x，y)，根據(jù)三邊定位法獲得如下關(guān)系式
(x-x1)2+(y-y1)2=d1(x-x2)2+(y-y2)2=d2(x-x3)2+(y-y2)2=d3]]>由上式得到節(jié)點D的坐標(biāo)為xy=2(x1-x3)2(y1-y3)2(x2-x3)2(y2-y3)-1x12-x32+y12-y32+d32-d12x22-x32+y22-y32+d32-d22]]>根據(jù)一前一后兩只車載節(jié)點在同一時刻的坐標(biāo)位置，配合考車外輪廓，獲得考車輪廓線在所述XOY坐標(biāo)系中的位置信息，進(jìn)而判斷考車犯規(guī)與否。
三邊定位法的前提是測距，為了能夠精確定位，本實施例中采用了基于到達(dá)時間差TDOA的精確測距方法，具體為車載節(jié)點D同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號，錨節(jié)點接收并記錄兩種信號到達(dá)的時間差(T2-T1)，已知無線射頻信號和超聲波的傳播速度分別為C1(光速)、C2(331.4m/s)，那么兩節(jié)點之間的距離為d=(T2-T1)×C1C2C1-C2≈(T2-T1)×C2]]>實驗結(jié)果表明，在10米范圍內(nèi)，采用上述方法，節(jié)點間測距的平均誤差小于1.5厘米。
表1給出四組測距的實驗數(shù)據(jù)表1 測距實驗數(shù)據(jù) 車載節(jié)點D同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號的電路如圖5所示，MEGA128是中央處理芯片；CC1000是射頻通信芯片，通過天線發(fā)射無線射頻信號；三極管2SC2712可驅(qū)動換能器SZW-S40-16P發(fā)射超聲波信號。MEGA128的OC3A管腳提供40kHz的脈沖信號作為超聲波激勵信號。
錨節(jié)點接收兩種信號的電路如圖6所示。一方面，換能器SZW-R40-16P接收超聲波信號，經(jīng)過兩級LM324放大器、檢波二極管IN4148和整流電路，送MEGA128的中斷口INT7；另一方面，CC1000通過天線接收無線射頻信號。
參見圖4，為進(jìn)一步提高定位精度，可以采用極大似然估計法。
增加錨節(jié)點數(shù)，錨節(jié)點1，2，3，…，n；坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，…，(xn，yn)；它們到節(jié)點D的距離分別為d1、d2、d3，…，dn，聯(lián)列n個方程，可以對節(jié)點D的坐標(biāo)(x，y)進(jìn)行求解，提高定位精度。
參見圖7，系統(tǒng)是由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)濾波、誤差處理、定位計算、加載考車輪廓、實時顯示、犯規(guī)判斷和報警等，上位機(jī)對考試過程中出現(xiàn)的不按規(guī)定路線、順序行駛；碰擦樁桿；車身壓線；移庫不入等犯規(guī)情況進(jìn)行自動監(jiān)測和喇叭報警，并在考試記錄表上打印結(jié)果。
權(quán)利要求
1.基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)，其特征是在考車車頂上按一前一后布置兩個車載節(jié)點；在樁考場地外圍布置至少三個不在同一直線的上錨節(jié)點，所述車載節(jié)點及錨節(jié)點均為無線傳感器節(jié)點，并以其中之一的錨節(jié)點配置與上位機(jī)進(jìn)行通信的RS232接口或USB接口，構(gòu)成能夠收集其它節(jié)點的傳感信息并與上位機(jī)進(jìn)行通信的基站；所述各無線傳感器節(jié)點為小型嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成包括中央控制器MCU、通信模塊、超聲模塊、存儲器以及電源，其中，中央控制器采用可實現(xiàn)射頻控制、超聲控制和數(shù)據(jù)處理的中央處理芯片；通信模塊由射頻通信電路和外置天線構(gòu)成，實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；超聲模塊實現(xiàn)超聲波的發(fā)送或接收，并與通信模塊中的射頻通信電路協(xié)同工作，完成錨節(jié)點與車載節(jié)點之間的測距。
2.基于無線傳感器定位的汽車樁考方法，其特征是隨著考車在場地上的移動，以固定位置上的多個錨節(jié)點對車載節(jié)點進(jìn)行實時定位，由車載節(jié)點的位置信息結(jié)合考車的輪廓信息獲得考車輪廓位置信息，再將所述考車輪廓位置信息與場地各邊線位置進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷考車是否有犯規(guī)動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于無線傳感器定位的汽車樁考方法，其特征是在樁考場地所在平面上設(shè)置XOY坐標(biāo)系，確定樁考場地在該坐標(biāo)系中的位置，獲得場地上各邊線的固定坐標(biāo)值，以及場地外圍各錨節(jié)點A、B、C的固定坐標(biāo)值；設(shè)定錨節(jié)點A、B、C的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，通過傳感器實測車載節(jié)點D與各錨節(jié)點A、B、C之間的距離分別為d1、d2、d3，令任一車載節(jié)點的D的坐標(biāo)為(x，y)，因此獲得如下關(guān)系式(x-x1)2+(y-y1)2=d1(x-x2)2+(y-y2)2=d2(x-x3)2+(y-y3)2=d3]]>由上式得到節(jié)點D的坐標(biāo)為xy=2(x1-x3)2(y1-y3)2(x2-x3)2(y2-y3)-1x12-x32+y12-y32+d32-d12x22-x32+y22-y32+d32-d22]]>根據(jù)一前一后兩只車載節(jié)點在同一時刻的坐標(biāo)位置，配合考車外輪廓，獲得考車輪廓線在所述XOY坐標(biāo)系中的位置信息，進(jìn)而判斷考車犯規(guī)與否。
全文摘要
基于無線傳感器定位的汽車樁考系統(tǒng)及樁考方法，其特征是在考車車頂上按一前一后布置兩個車載節(jié)點；樁考場地外圍布置至少三個不在同一直線上的錨節(jié)點，車載節(jié)點及錨節(jié)點均為無線傳感器節(jié)點，以其中之一錨節(jié)點配置與上位機(jī)進(jìn)行通信的接口構(gòu)成基站；隨著考車在場地上的移動，以固定位置上的多個錨節(jié)點對車載節(jié)點進(jìn)行實時定位，由車載節(jié)點的位置信息結(jié)合考車的輪廓信息獲得考車輪廓位置信息，再將考車輪廓位置信息與場地各邊線位置進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷考車是否有犯規(guī)動作。本發(fā)明在保證檢測精度的前提下，能大幅度降低設(shè)備成本、并且能實時顯示考車行進(jìn)軌跡。
文檔編號G09B19/00GK101059916SQ20071002248
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者夏娜, 蔣建國, 齊美彬, 黃越, 張祺, 安寶磊, 于春華, 徐普君 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)