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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
19、，而驾驶方式很大程度上可以影响到车辆的排放和能量的消耗。据 资料统计，同样的车在同样条件下，不同操作水平的驾驶员驾驶消耗的油耗相 差 20%40%3。因此改进驾驶员的操作能起到明显的节油效果。 同时随着 GPS 车载导航技术的日趋成熟，不但可以根据用户需要自由安 装，车载导航系统也融入了越来越多的附件功能，可为用户提供导航、查询、 防盗、娱乐等方面的服务。 汽车行驶在城市交通道路时，经常会出现下述情况： （1）因红灯信号的突然切换，正常行驶的汽车被迫采取制动措施，浪费汽 车动能和燃油； （2） 因对红灯切换时机的预期不准， 可顺利通行的车辆因车速太低无法通 过，造成不必要的红灯等候。 综上，畅
20、行省时、节油环保将会成为汽车发展的一个新的方向。采用合理 的能够预见信号灯状态的电子提示系统可有效的保障多信号灯路口道路的畅 行。同时将 GPS 导航技术融入其中，为行驶车辆提供全面的道路信息，方便驾 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 驶员有预见性的驾驶，提高车辆的畅行度，再结合节能驾驶技术，提供更加准 确和方便驾驶员操作的驾驶方案。本课题的研究在提高车辆行驶的畅行性和节 能性上有指导意义。 1.2 国内外研究现状 基于 GPS 的汽车节能畅行红绿灯提示系统的目的是作为一个独立的电子 系统，放置于汽车内，通过提示驾驶者信号灯的状态及适于当前的车速，为驾 驶者顺利通过信号灯路口提供驾驶
21、参考信息。现阶段，本课题所提出的智能提 示器在国内外市场中还没有出现，属于创新研究的方向，但考虑到道路信号灯 的增多、油价的上涨，该提示系统的产生不但可以通过预见性的驾驶来提高行 驶的通顺度，同时可减少驾驶时间、减少汽车油耗，由此可知本系统的出现具 有实际性的意义。 提示系统是基于 GPS 技术的一个旨在辅助车辆顺利通过设有信号灯的城 市道路交叉口（以下简称路口）的首创性设计。国外目前出现的 Eco-Driving 系统通过指示灯告知驾驶者是否处于节能驾驶状态，是对驾驶者当前驾驶状态 的一个评价，本系统可以指导驾驶者节能驾驶。提示系统中主要的关键技术为 全球定位系统（GPS）技术，节能驾驶技术
22、以及参考汽车特性的节油车速算法 策略， 并以 AVR 单片机来实现其功能。下面对关键技术点卫星定位技术和节油 驾驶技术分析其研究现状。 1.2.1 国内外卫星定位技术研究现状 1.2.1.1 国外卫星定位技术研究现状 1957 年，苏联成功发射了卫星 Sputnik，作为人类第一颗人造卫星，虽 然它并不用于导航，但是使人们了解建立空间的定位参考点成为可能。由此产 生了空间无线电导航系统，具有全天候应用、覆盖范围广泛、不受复杂地形对 电磁波传输干扰等优势。 子午仪系统（Transit）是第一个空间无线电导航系统，由美国海军委托普 金斯大学研制而成，作为海军导航卫星系统。虽然子午仪系统的出现一定程
23、度 上在定位精度和定位及时性上有了提高，但是由于系统卫星数目在 47 颗，运 行高度平均约为 1100 千米4，地面观测卫星时间间隔平均 1.5h，数目少、高度 低等缺点使得系统难以满足用户的定位要求。 在这种背景下，GPS 全球定位系统应运而生，GPS 全称是授时与测距导航 系统或全球定位系统，能够实现全天候、全球性、时间上连续的高精度定位及 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 导航系统。GPS 的星座分布能够实现大多数地区同时至少收到 4 颗卫星，最多 可收到超过 12 颗卫星。20 世纪 90 年代中期，GPS 系统的空间组网全部完成。 目前，全球约有 2000 万人在使用 GP
24、S 进行导航5。也表明美国具有当今 世界先进水平的导航卫星有效载荷技术， 它的发展经历了 4 代， 有一代 Block1， 二代 Block2/2A，三代 Block2R 及四代 Block2F，而第五代卫星有效载荷技术 GPS3 也正在计划中6。 俄罗斯全球导航卫星系统格洛纳斯是除 GPS 外广泛应用于产品装备的卫 星定位系统。目前 GLONASS 卫星导航系统一共有 31 颗卫星在轨，其中 24 颗 卫星在运行7，俄罗斯 GLONASS 卫星导航系统的研发正式完成。2011 年 2 月 26 日发射的 GLONASS-K1 卫星增加了 CDMA 导航信号8，同时在原基础上改 进了天线反馈，
25、使用新的铯钟，增加民用导航信号，延长平均寿命 7 年。同时 俄罗斯计划在 2015 年后发射 GLONASS-KM 卫星，希望可与 GPS 系统抗衡。 欧盟 Galileo 即伽利略导航卫星系统，系统计划由 30 颗卫星组成，工作卫 星为 27 颗，2011 年 10 月，发射了首批两颗正式卫星，欧盟从此拥有了全球卫 星导航系统，将有助于打破美国导航系统的垄断9，为将来建设欧洲独立防务 创造条件。 Galileo 计划系统能够在 2014 年提供试服务， 2015 年提供全面服务。 现阶段，导航系统应用以 GPS 为代表，在航海、航空及陆地车辆上被广泛 应用。2000 年，美国 GPS 的 S
26、A 置 0 后，其应用出现新高潮11-12，加之价格合 理、应用方便、易于与其他技术相结合，大量的基于 GPS 的应用产品正迅速地 应用到日常生活中。其中车载导航上的应用较多。在欧美和日本，基于 GPS 的 汽车导航产品市场已相当成熟，大量的汽车配置汽车导航仪，且得到良好的反 映。据美国 ABI 调查公司预测，2012 年导航仪及系统的全球销售额将达到 620 亿美元。 1.2.1.2 国内卫星定位技术研究现状 北斗卫星导航系统（BeiDou/COMPASS Navigation Satellite System）是我国 自主建设、独立运行、并与世界其他卫星导航兼容并用的全球卫星导航系统， 属
27、于国家的重大战略工程。2000 年，我国北斗导航试验系统建成，成为第三个 自主拥有卫星导航系统的国家。 北斗卫星导航（区域）系统空间星座是由 14 颗组网卫星组成，包括 5 颗地 球静止轨道（GEO）和 9 颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星。GEO 卫星分别 定点于东经 58.75 度、80 度、110.5 度、140 度和 160 度13。 2011 年 12 月 27 日，北斗卫星导航系统开始提供试运行服务，促使系统发 展转入建设和应用并举的新阶段，北斗导航系统应用已逐步拓展到气象、交通 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 运输、测绘等行业以及普通用户，具有良好的经济及社会效
28、益。2012 年底，服 务能力将覆盖亚太部分地区。预计到 2020 年，北斗卫星导航系统将含有 30 余 颗卫星，供提覆盖全球的定位、导航及授时服务。中国工程院院士、武汉大学 教授刘经南表示经过详细的估算，到 2015 年可能形成一千五到两千亿元的产 业，到 2020 年达到四千亿元。 2012 年 2 月 11 日， 我国汽车电子品牌华阳发布了具有北斗卫星系统的 “北 斗+GPS”双系统车载导航，标志着北斗在产业化道路上前进了一大步。随着我 国北斗卫星系统的商用化普及，北斗车载导航必将成为汽车电子行业发展的新 宠，届时广大用户也将看到更加丰富的北斗终端产品。 1.2.2 国内外节油驾驶技术研
29、究现状 1.2.2.1 国外加油驾驶技术研究现状 车辆节能驾驶的研究与推广早在上世纪后半期就已经开始，经过不断的发 展，其中以美国、欧洲和日本的推广较为突出。 2004 年美国施行驾驶员培训计划来实现节能减排， 目标是提高汽车的燃料 效率，帮助改变驾驶员的不良驾驶操作。 欧洲成立驾驶节能机构 CIECA，来进行驾驶员测试和研究道路安全，涵盖 世界 33 国家的驾驶员测试机构14-15。Eco-driving 的概念早在 1993 年就以开始 推广到汽车上16，欧洲率先实行 Eco-driving 的推广计划，并根据各国特点进行 具体实施，同时在驾驶员培训中加入节能驾驶课程17。据资料显示，瑞士
30、佳能 公司雇佣了 350 名汽车司机测试，在采取 Eco-driving 后，平均减少 6.1%油耗。 在德国， 使用Eco-driving， 每年大约可节约3200万升燃油。 由此可见， Eco-driving 在节能减排中发挥着明显的作用。 在各国推行生态驾驶的过程中，除了举办大规模的宣传教育活动和测试培 训外，实时和动态地跟踪监测与评估也是必不可少的，这样就出现了驾驶辅助 节能装置产品。 美国 PLX Devices 公司于 2008 年 5 月发布了一款 Kiwi 驾驶辅助节能装置， 此装置可显示每加仑行驶里程及发动机的相关信息18。 Kiwi 直接安装于车载自 动诊断端口（OBDII
31、）上，能够获得如车速、发动机转速、发动机负载、含氧 量等信息19。据资料显示，Kiwi 的节能效益以每加仑英里数计算，根据不同车 种，会呈现 0%33%不等的效用。 日本 Honda 于 2008 年发布了“Eco Assist” （节能驾驶辅助系统） ，打开开 关后发动机输出、变速箱换挡逻辑将会倾向于节油，空调也会降低工作功率， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 三个动作一起来降低油耗20。Honda 于 2009 年上市的混合动力专用车型 “Insight”中装配了 HondaHDD 导航系统，具有“教学/建议功能” ，帮助培养 经济驾驶习惯21。除此之外还有类似系统如 Ford
32、 SmartGauge、BMW Efficient Dynamics 和 Fiat EcoDrive 等22。 韩国 MOSOMOTO 公司于 2007 年 3 月 27 日推出一款汽车燃油节省装置 iEDS（Environmental Driving System） 。经韩国亚洲汽车大学验证，安装此 iEDS 产品后高速公路驾驶能够节省燃油 30-40%。 iEDS 的节能原理是通过 LCD 上的 即时显示，简明地向驾驶者提供汽车燃料实时喷射量、行驶燃料消耗率、累计 消耗率、移动距离等 7 种有用情报。iEDS 环保型节油系统使用自身 ECU 驱动 喷油嘴的实际信号，据此调节发动机的燃料喷射
33、量23。 1.2.2.2 国内节油驾驶技术研究现状 我国同样十分重视汽车节能驾驶技术的推广，并开展了多种驾驶节能研究 项目。 上世纪 90 年代初期， 交通部公路科学研究所等机构合作完成课题驾驶节油 操作技术研究15。研究了不同驾驶方式对于燃料消耗的影响，得出节油操作模 式，并根据统计研究，采用课题提出的驾驶操作可平均节油 10%。 近几年，由交通部公路科学研究院与其他机构联合研发项目“汽车驾驶节 能技术研究” ，在全面调研国内外汽车的驾驶节能技术和开展对比试验基础上， 系统分析了驾驶行为对油耗的影响因素，科学地将汽车驾驶节能理论归纳为十 大原理。同时提出了操作性强的驾驶节能技术及推广建议。
34、在驾驶节油辅助设备方面，我国不但引进国外先进的如 iEDS 等设备，还 致力于自主研发。2011 年 10 月，大金龙开始为在国内 10 米以上公路客车配备 ECO-driving 系统，用于节油驾驶提醒，如图 1-1 a)所示。大金龙从 2010 年下 半年开始自主研发节油驾驶提醒系统，系统实时采集车辆行驶信息，结合动力 传递和发动机油耗特性，分析油耗水平，判断驾驶操作是否合理，并以语音和 示意灯给予驾驶者提示。 试装的样车反馈其节油率可达 5%到 10%每百公里24。 2011 年 9 月 16 日，宇通客车的绿区安节助驾系统上市，如图 1-1 b)所示。 该系统通过指示灯提示驾驶者换挡时
35、机，提高公交车行驶的燃油经济性，改善 公交车频繁换挡问题。 “绿区” 从发动机电控系统得到发动机工作状态和车辆行 驶状况信息，通过对驾驶员的操作意图进行分析，提示驾驶员合理操作，并实 现节油减排目标。试验反馈“绿区”系统节油效果可达 3%到 5%。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - a)大金龙节油驾驶提醒系统 b)宇通“绿区” 图 1-1 国内驾驶节油辅助设备 1.3 本课题主要研究内容 本文基于 GPS 的汽车节能畅行红绿灯提示系统， 重点研究提示系统的实现 方法，基于 GPS 的车辆定位以及满足车辆畅行及节能要求的车速算法策略，并 进行模拟仿真和行车试验。课题主要研究内容可分为以
36、下几个部分： （1）提示系统的构建。以车辆能够畅行通过信号灯和节能驾驶为目的，制 定结合信号灯信息及车辆行驶信息（GPS 提供）的汽车电子系统，系统硬件依 托 AVR 单片机来实现其功能； （2）车载 GPS 信息提取及滤波。通过车载 GPS 模块提取出可供系统使用 的车辆位置、速度以及时间信息。根据系统的设计要求，通过使用卡尔曼滤波 方法提高车辆的定位精度； （3）车速算法策略。提出实现提示系统速度显示的车速算法策略，以满足 车辆安全、平顺、畅行及节能的要求。根据算法策略在 MATLAB/SIMULINK 搭建模型，对不同信号灯状态及车辆行驶工况，进行仿真，对算法策略进行验 证与完善； （4）行车试验研究。将提示系统搭载于轿车中，进行道路试验，优化车速 算法策略，对系统进行综合优化。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 第2章 基于 GPS 的汽车节能