GPS的汽车节能畅行红绿灯提示系统研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 汽车行驶在城市道路时,经常因无法预知交通信号灯的变换时机,而导致 车辆造成无谓的红灯等候或急加速、急刹车现象,给交通安全、车辆畅行及燃 油消耗等造成影响与浪费。若能提供一种提示系统,该系统可准确预知前方信 号灯的切换时机, 结合 GPS 导航技术判断车辆当前的行驶状态及其与前方信号 灯的位置关系,然后根据汽车节能行驶车速策略提示驾驶员合理的行驶,则可 为城市交通畅行与节能驾驶提供重要帮助。 针对上述目标,设计了一种以单片机为核心的汽车畅行红绿灯提示系统, 该系统,采用 GPS 模块获取车辆动态位置与速度;单片机结合交通信号灯信息 进行畅行车速
2、决策,并通过显示模块将行车策略及时提示给驾驶员。 选择了瑟夫三代 GPS 芯片, 通过标准协议实现了 GPS 信息的 PC 机提取与 AVR 单片机提取;实地采集实验表明 GPS 数据直接提取存在较大偏差,需进 行滤波处理;从车载 GPS 的卡尔曼滤波器建立、散点的判断和处理、卡尔曼滤 波算法的仿真分析及实际测量数据处理等方面,对提示系统所需的经纬度信息 进行滤波分析,实验结果表明滤波后的数值更加接近实际轨迹。 以车辆通过信号灯时的安全、畅行和节油为目标,设计了车速算法策略。 分别研究不同信号灯情况下的车辆驾驶模式策略, 根据不同的时间和距离条件, 将车辆划分为匀速、减速和加速模式。在此基础上
3、,研究驾驶车速策略,给出 了符合限定时间内可通过信号灯路口的经济车速。 针对车速算法中驾驶工况分类复杂、算法实时更新且循环运行等问题,在 MATLAB/SIMULINK 中,搭建了不同信号灯时的车速模型及参数输入模型。并 对不同驾驶工况进行仿真研究,仿真结果表明车速算法能够满足安全、畅行和 节油的目标。搭建提示系统的实验平台,并进行实车搭载实验,实验结果表明 该提示系统能够辅助驾驶者畅行节能地通过信号灯路口。 关键词:汽车节能;GPS;车速算法策略;卡尔曼滤波 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Driving in the city road traffic sy
4、stem, it is a waste of fuel and time when the driver can not predicate the change of road signals and lead the vehicle to take a sharp acceleration or braking, or make the car that originally could through the cross have to stop to wait. It is a effective way that using electronic prompt system to f
5、oresee the signal situation to help the drivers to pass impeded in multi signal road and save fuel. At the same time, it includes GPS navigation technology which can provide position and velocity information of vehicle. And it is combined with speed algorithm to provide more accurate and convenient
6、operation scheme. The prompt system designed in this paper is based on MCU, it gets position and velocity of car from the GPS information, and gets traffic information from MCU. Using these two kinds of information, the MCU does the speed algorithm, and shows the results to the driver through displa
7、yer. Choosing SiRF3 GPS chip as the GPS receiving part, and the GPS data can be extracted with PC and MCU through the standard protocol. The GPS information collecting experiment showed that the direct extract way had large deviation, and need to be filtered. By establishing GPS Kalman filter, splas
8、h judgment and processing, the simulation and analysis of Kalman filter algorithm, and processing data of practical measurement, the longitude and latitude required are under filtering. The result showed that the data after filtering was more close to the real track. The speed algorithm is designed
9、with the GPS and signal information, and is used to satisfy security, free and fuel economy when going through the traffic crossing. According to different left time and distance conditions, the vehicle driving strategy is divided into uniform mode, slow mode and acceleration mode. On this basis, th
10、e speed strategy can work out the economy speed of passing the cross within limit time. Due to the complex problem of various classification for driving condition and real-time updating and cycle for algorithm, models including the red light or yellow light speed model, green light speed mode and in
11、put parameters model were established in MATLAB/SIMULINK. Simulations were carried out according to different driving conditions, aiming at testing the validity and feasibility of the speed algorithm, the results showed the distance-time and speed-time curved when driving as the prompt system asked.
12、 Also simulation results indicated that the algorithm could guarantee the security, unimpeded pass and fuel efficient. Finally 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - experimental platform of prompt system was built and this automobile traffic lights prompt system was carried on a real car to make experiment and th
13、e experiment results demonstrated that the prompt system could satisfy the design requirement and realize to assist drivers to pass the traffic crossing unimpeded and less use of fuel. Keywords: automobile fuel saving, GPS, speed algorithm, Kalman filter 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 I Abstract II
14、第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究背景和意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国内外卫星定位技术研究现状 2 1.2.2 国内外节油驾驶技术研究现状 4 1.3 本课题主要研究内容 6 第 2 章 基于 GPS 的汽车节能畅行红绿灯提示系统的工作原理 7 2.1 提示系统的设计原理 7 2.2 信号灯信息的处理 7 2.3 提示系统的硬件组成 9 2.4 本章小结 10 第 3 章 GPS 信号提取及卡尔曼滤波研究 11 3.1 GPS 信号提取 11 3.1.1 GPS 信号输出格式 12 3.1.2 GPS 信号的 PC 机采集 13 3.1.3 GPS 信号的程序采集
15、14 3.2 GPS 卡尔曼滤波算法研究 15 3.2.1 车辆运动模型的建立 16 3.2.2 GPS 卡尔曼滤波递推方程 19 3.2.3 GPS 测量数据的散点处理 20 3.3 基于 MATLAB 的卡尔曼滤波研究 20 3.3.1 卡尔曼滤波的实验分析 20 3.4 本章小结 23 第 4 章 车速算法策略研究 24 4.1 驾驶模式策略 24 4.1.1 驾驶模式策略的基本要求 24 4.1.2 驾驶模式策略 25 4.2 驾驶车速策略 27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 4.2.1 各行驶工况燃油消耗量的计算方法 28 4.2.2 红灯状态下的驾驶速度研究 30 4
16、.2.3 绿灯状态下驾驶速度研究 35 4.3 本章小结 37 第 5 章 车速算法策略的仿真分析与试验 38 5.1 车速算法策略模型的建立 38 5.1.1 红黄灯模型的建立 39 5.1.2 绿灯模型的建立 39 5.1.3 输入参数模型的建立 40 5.2 车速算法策略的仿真结果与分析 41 5.2.1 红灯时的仿真结果与分析 42 5.2.2 绿灯时的仿真结果与分析 42 5.2.3 相连两个信号灯的仿真结果与分析 45 5.3 提示系统的行车试验 46 5.3.1 软件设计 46 5.3.2 试验过程及结果分析 47 5.4 本章小结 49 结 论 50 参考文献 51 攻读硕士学
17、位期间所发表的论文 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 55 致 谢 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题研究背景和意义 随着我国人口的增加、经济的发展和城市化率的提高,交通流量有了飞速 的增长。根据车辆流量,道路上通常设有道路交通信号灯(以下简称信号灯) , 目的是使车辆有序行驶,增加道路的安全性,是交通管制的必要设置。但是过 多信号灯的设置却可能带来这样的问题,道路上设有信号灯较多,驾驶者行驶 在这种道路上时经常需要根据信号灯状态来改变驾驶状态,这样不但增加了车 辆通过信号灯的时间和油耗, 同时可能带来驾驶者烦躁和交通拥挤等不良现
18、象。 因此为使车辆适应信号灯的设置,能够使车辆畅行,减少驾驶者行驶时间及降 低油耗,提出通过提示车辆信号灯状态,使其有预见性的通过信号灯路口,来 解决这一问题。 许多发达国家很早就开始重视汽车节能驾驶的推广和研究。美国的节能驾 驶培训计划、日本的生态驾驶技术及欧洲的经济驾驶(Eco-driving)均给出了 节能驾驶的驾驶方法,用以提高驾驶节油水平1。汽车燃油消耗的影响因素有 汽车性能、道路条件、交通条件、驾驶员驾驶行为等2。在多样化的道路交通 系统中,节油的绿色生态驾驶方式备受推崇。驾驶者根据不同的道路和交通情 况控制车辆是一项复杂的、基于驾驶经验的工作,且不同驾驶者的驾驶方式也 有一定差别
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- GPS 汽车 节能 畅行 红绿灯 提示 系统 研究
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