（计算机应用技术专业论文）路产影像管理系统里程校正方法研究及实现.pdf

摘要 目前国内的公路路产管理中，公路沿线设施和路面状况都是由人工记录，各个管理 部门独立构建和管理，数据采集和维护工作量大、效率非常低下。针对这种情况，开发 了一种新的基于视频影像的公路路产管理系统，该系统利用公路视频影像的实时采集和 处理，实现了公路路况监测管理、公路路产编目管理、路面缺陷辅助评估、公路电子地 图的建立以及与公路g i s 系统的集成。 本论文主要研究了该系统中里程桩号的校正问题，对于里程计在测量中因车辆非直 线行驶产生的测量误差和轮胎气压因素误差，提出了按实际里程修正测量数据和按预行 驶标准距离标定单个脉冲对应轮胎位移的解决办法。对g p s 数据提出了一种改进后的卡 尔曼滤波算法，该算法在标准卡尔曼滤波理论的基础上，结合前人的研究，在滤波过程 中引入约束条件，经实验验证，该方法可以有效的提高滤波精度。最后对里程数据提出 了结合g p s 、里程计采集数据和关键里程的综合校正方法，初步实验表明，该算法可以 满足对里程数据的精确性要求，将定位误差控制在2 米左右，从而使按里程检索信息更 准确。 系统设计的路产采集车已经在西安市绕城高速和二环路全段做过多次采集实验，实 现了道路和路面视频信息采集的同时自动录入里程信息和g p s 信息，系统结合卡尔曼 滤波后的经纬度数据，实现了里程数据的自动校正，校正数据精确度达到9 5 ，完全能 满足系统按里程定位要求。 关键字：公路影像，路产管理，全球定位系统，卡尔曼滤波改进算法，里程计，里程校正 a b s t r a c t c u r r e n tc i v i lr o a dm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o na r ei n d e p e n d e n t l yc o l l e c t e da n d p r o c e s s e db yd i f f e r e n td e p a r t m e n t sa n dr o a di n f r a s t r u c t u r ea n dp a v e m e n tc o n d i t i o n sa l o n gt h e r o a da r er e c o r d e db ym a n u a l ，s ot h a td a t ac o l l e c t i o na n dm a i n t e n a n c eb e c o m e sav e r yh e a v y a n di n e f f i c i e n tw o r k i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，an e wr o a da s s e tm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nv i d e oi m a g ew a sd e v e l o p e d b yt h er e a l t i m er o a dd i g i t a lv i d e oi m a g ea c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g ，t h i s s y s t e mr e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fh i g h w a yc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n t ，r o a da s s e ti n v e n t o r ym a n a g e m e n t ，p a v e m e n td e f i c i e n c i e sa u x i l i a r ye v a l u a t i o n ， t h ee s t a b l i s h m e n to f r o a de l e c t r o n i cm a pa n dt h ei n t e g r a t i o no f h i g h w a yg i ss y s t e m t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ec a l i b r a t i o no fm i l e a g es i g n s t ot h ee r r o rc a u s e db y n o n l i n e a rt r a v e lo ft r a f f i ci nt h ep r o c e s so fo d o m e t e rm e a s u r e d ，t h es y s t e mp u t t e df o r w a r da s o l u t i o no fa m e n dd a t aa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm i l e a g e t ot h ee r r o rf a c t o rc a u s e db yt i r e p r e s s u r e ，t h es y s t e m ss o l u t i o ni sa c c o r d i n gt oas t a n d a r dd i s t a n c et r a v e l e dc a l c u l a t e st h et i r e d i s p l a c e m e n tc o r r e s p o n d i n gt oas i n g l ep u l s e t h ep a p e ra d v a n c e dam o d i f i e dk a l m a nf i l t e r a l g o r i t h mu s e dt op r o c e s sg p sd a t a b a s e do nt h es t a n d a r dk a l m a nf i l t e r i n gt h e o r ya n d p r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dr e s t r i c t i v ec o n d i t i o n si nt h ep r o c e s so ff i l t e r i n g t h e e x p e r i m e n tv e r i f i e st h a tt h em e t h o dc a nb ee f f e c t i v ei m p r o v et h ef i l t e r i n ga c c u r a c y f i n a l l ya n e wm e t h o do fc a l i b r a t i n gm i l e s t o n ef o r mg p sd a t a , o d o m e t e rc o l l e c tm i l e a g ea n dk e y m i l e a g es i g n sw a sd e d u c e d p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h e a c c u r a c yr e q u i r e m e n t so ft h em i l e a g ed a t aa n dc o n t r o lt h ep o s i t i o ne r r o ro fa b o u tt w om e t e r s ， s ot h a tm o r ea c c u r a t e l yr e t r i e v et h em i l e a g ei n f o r m a t i o n t h es y s t e md e s i g n e dv e h i c l e sh a dc o l l e c t e di n f o r m a t i o no nt h eb e l t w a yh i g h w a ya n dt h e s e c o n dr i n gr o a do fx i a nm a n yt i m e s ，t h es y s t e mr e a l i z e dt h ec o l l e c t i o no ft h ev i d e o i n f o r m a t i o no ft h er o a da n dt h ep a v e m e n t ，a tt h es a m et i m er e c o r d e da u t o m a t i c a l l yt h e i n f o r m a t i o no fm i l e a g ea n dg p s t h el m i t u d ea n dl o n g i t u d ep r o c e s s e db yk a l m a nf i l t e rh a d b e e nu s e dt oc o r r e c tt h em i l e a g e ，w h o s ea c c u r a c yu pt o9 5 ，s ot h em e t h o dc a nm e e tt h e a c c u r a t e l yp o s i t i o n i n gr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：r o a di m a g e ；r o a da s s e tm a n a g e m e n t ；g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ；m o d i f i e dk a l m a n f i l t e ra l g o r i t h m ；o d o m e t e r ；m i l e a g ec a l i b r a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： f 铼雨傻沙d ( 年6 月8e l i 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彳岔、丽霞 导师签名：齐x 趔了年6 月8 e t y 一年月朋日 长安大学硕二 二学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 中国过去十几年来在基础设施尤其是交通基础设施的发展取得了举世瞩目的成就。 “十五期间中国共建成高速公路2 4 7 万公里，是“八五 和“九五 建成高速公路 总和的1 5 倍。到2 0 0 5 年底，高速公路总里程达到4 1 万公里，继续稳居世界第二，仅 次于美国。2 0 0 6 年末，中国高速公路里程达4 5 万公里，2 0 0 7 年底达5 3 6 万公里。到 2 0 1 0 年全国高速公路通车里程将达6 5 万公里。然而，与公路硬件建设的发展相比，目 前我国公路管理的现代化程度和技术水平存在严重滞后现象。 道路管理主要是定期的记录和分析道路的路面状况、路产设备和周围的设施等的道 路相关信息，并建立完整的档案资料。目前国内在收集公路路产管理资料如公路沿线设 施的位置、尺寸和状况等参数时，都是用文字和静态图片来描述，而且这些资料都是由 各个管理部门独立地构建和管理，这样做的结果是信息庞杂，工作重复性高，而且信息 不能有效地共享，对信息的整理、综合分析处理和查询也造成了很大困难。 对上述问题，基于视频影像的公路路产管理系统研究就显得尤为重要。系统利用现 代计算机的先进技术将公路的地理位置与路面和周围环境的连续视频影像及描述参数 有机地关联起来，大大提高了公路的管理效率和技术水平。 特别是在交通紧急事件应对和交通事故处理中，利用基于视频道路信息g p s 全球 定位技术的公路路产管理系统，可以快速定位事故发生的地点，在没有到达现场前就能 快速掌握事故发生地的路面、路边设施和环境等情况，能尽快制定出有效的应急和救援 方案，从而可以大大提高紧急事件的应急速度，使损失减小到最小。 1 2 国内外发展现状 公路路产管理系统是为研究和解决公路路产管理而开发的地理信息系统，它将先进 的g i s 技术、图像处理技术和数据库管理技术等熔于一炉，实现了公路信息流以图像形 式呈现给用户，并为用户提供各种相关信息。下面结合这些相关技术简要介绍一下路产 管理系统在国内外的发展情况。 g i s 全称地理信息系统，是随着计算机的出现而发展起来的，它集合了计算机的数 据处理和图形处理技术，因此具有强大的数据管理和空间分析功能。具体的说它是以地 第一章绪论 理坐标为骨干，是采集、存储、管理分析和显示空间数据的计算机软硬件系统合成的统 称。经过多年来的发展，传统的g i s 技术逐渐成熟，功能日益强大，应用领域不断拓展。 g i s 已广泛应用到人民生活的各个方面，发挥着重要的作用。g i s 在公路管理系统中的 应用也非常广泛，它使公路管理的有关信息从人工化向智能化方向发展。这些发展使人 们脱离了传统的人工绘制表格和图形的记录方式，只需要经过系统的整理，就能自动地 将这些信息显示在用户面前，不仅如此，它还能根据用户要求自动生成专题图和最新的 交通图。目前我国已经有许多省市包括北京、四川、陕西、河南等成功的开发了自己的 公路地理信息系统。 g p s ( 全球定位系统) 是一种卫星导航定位系统，上个世纪7 0 年代由美国国防部 开发。它利用人造卫星对地面某点进行定位，通过地面接收设备实时测定该位置的三维 坐标。由于它具有全球性、全天候、连续的精密三维导航定位能力，这种系统首先被应 用到了军事领域。随着社会的不断发展，这种技术逐渐渗透到民用领域，尤其在公路工 程测量和控制测量中正在得到广泛应用。 图像处理技术利用计算机将图像信号进行各种处理。图像处理技术首次应用在上世 纪2 0 年代，随着计算机的普遍应用，到6 0 年代末，图像处理技术已不断完善，并逐渐 成为了一个新兴的学科。图像处理技术主要的作用包括改善图像质量、提取有效信息和 压缩图像。目前国内对公路数字视频图像的研究主要集中在利用图象识别和处理技术进 行路面病害的自动分析方面。 九十年代初美国威斯康星州交通厅根据公路g i s 系统开发的需要与曼德利通讯公 司( m a n d l ic o m m u n i c a t i o n si n c ) 合作，研制出了车载式光盘视频摄录系统，由于光盘 视频摄录系统的容量和视频图像检索速度等方面的限制，光盘视频摄录系统没有得到更 多的推广应用。随着数字视频采集技术和视频图像压缩技术的飞快发展和硬盘容量的不 断增大，美国和英国、丹麦、瑞典等欧洲国家从九十年代末开始研究开发车载式硬盘视 频摄录系统，目前车载式硬盘视频摄录系统已在这些国家的公路管理部门广泛应用。近 几年美国等西方发达国家特别重视多功能公路检测车的研究和开发，公路硬盘视频摄录 系统往往都集成到多功能公路检测车中。 国内目前对公路数字视频图像的研究主要集中在利用图象识别和处理技术进行路 面病害的自动分析上，对视频流与g i s 结合，并实现路面破损自动检测的车载式公路路 产影像管理系统的研究尚属空白。所以，该项目的研究将在理论和实际应用方面都具有 十分重要的意义。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究视频帧号与公路里程及g p s 定位信息的映射关系，使得回放的视频 场景可以与路边里程标识精确对应，也可以与实际里程或g p s 定位坐标精确对应。 本文共分六章，结构组织如下： 第一章：绪论，简要介绍了公路路产管理系统的研究背景、主要研究内容和应用领 域。 第二章：路产影像管理系统结构与工作原理，从整体上介绍了本系统的结构，详细 介绍了与里程采集相关的里程计模块和g p s 模块的功能，总结了本系统采用的关键技 术。 第三章：里程计、g p s 数据的误差处理方法，主要介绍了影响里程计采集数据准确 性的因素和消除误差的方法，标准卡尔曼滤波算法及其在g p s 滤波应用中出现的问题 和改进思路，重点阐述了本文对标准卡尔曼滤波的改进算法及其对g p s 数据的滤波过 程，并对实验结果进行了对比分析。 第四章：里程值的校正方法，对比了本系统采用过的里程校正方法，提出了一种基 于g p s 数据与里程计采集数据相结合的里程校正方法。 第五章：系统软件设计，阐述了路产影像管理系统中与本文内容有关的软件设计过 程。 3 墨= 至墅兰壁堡笪里墨盈堕塑三王生星里 第二章路产影像管理系统结构与工作原理 2 1 系统总体结构 本系统涉及的内容主要包括卫星定位技术、视频图像采集和压缩技术、裂纹检测技 术等，硬件由线阵c c d 摄像机、面阵摄像机、高速视频采集卡、g p s 接收机、汽车里 程采集设备、补光设各、高性能工控机等七部份组成，利用线阵c c d 摄像机对公路视 频影像的采嶷和处理，实现公路路况监测管理、公路路产编1 3 管理、路面缺陷辅助评估、 公路电子地图的建立以及与公路g i s 系统的集成【】i 。 软件主要实现相机及辅助光源控制、图像数据采集、旱程数据采集、g p s 数据采集、 视频录制及回放、分析、数据库的管理、g i s 控制、系统容错等功能。该系统的总体结 构和系统实物图如图21 ，2 2 所示。 卜砑孵1 上l - 堡叫 也“ 机 j 数据库 圈2 , 1 端产影像管理系统结构圈 ( a ) 整车实物圈 ( b ) 内部系统圈 圈2 2 路产影像管理系统实翱图 22 各模块功能 本系统以工控机为核心，由线阵相机和面阵相机构成的视频采集模块、g p s 采集模 * 安学碰学位论文 块、里程数据采集模块和后台处理模块等四部分组成，下图23 是系统模块的硬件结构图 ! 止竽悬罢擎 ：高矿w 坠 i _ 丽西 + _ 丁古卜 控 厂_ = = ：。；= = = 【= = = ：= = = = = 二 机 意矗1 r 丽赢皑 r j i i i h e * * ； = ! ! 墼乌 圈2 3 视频，g p s 厦里程采集模块硬件连接圈 2 2 1 视频采集模块 视频采集模块由c c d 摄像机及补光设备构成，c c d 摄像机包括4 台线阵相机和1 台面阵相机，1 台线阵相机装于车顶尾部，用于采集路面图像；4 台面阵相机装于车顶 前端，用于采集车行方向的全景图像，其中2 台采集正前方图像，另外2 台分别采集左 侧和右侧图像。在检测车行进的过程中，5 台摄像机均以高速采集视频图像并通过高速 视频采集卡将图像压缩成j p e g 文件存入视频影像库。为了方便视频图像的管理和查询 检索，在压缩视频数据流同时嵌入标识里程数据、实际里程数据和g p s 数据。由于相 机对光线要求较高，在环境照度较低的情况_ 卜( 例如夜晚) ，系统自动开启智能补光灯 进行补光，以增强图片亮度，保证图片足够清晰。在强光照射下( 例如晴天正午) ，系 统会自动调整相机的成像模式，通过软件调节相机参数的方法控制图像的曝光抑制强 光影响，保证图片曝光正常，成像靖晰。 具体参数设置界面如下图所示， 固 j f f 圈2 4 面阵相机参数设置界面 5 享 第二章路产影像管理系统结构与工作原理 e 茸t i n qp a f 蕾岫 x 蛳b 岫- 一r a p j m - t m x pwametllr七 a ，帆t ”e “0 一 p 妊f 囊删毒 哪崔 c t 忙伽p b e 蝣哂l 卅 抽m 叭叫o e , n e t 卸p b 口d 峙 ：o p 州c b 矗却瞳r 铂蝉q e 岫 o v a 翻0 _ b 吲 c 咖垒r 瑚r 钯啊t 血曲1 佃t 芦如- h _ i ! 瞬! 鲤婪i w t i 一! m m hm_k 日b 蝴赞卸p 啦吣6 1 4 一 抽薛。6 口t 钾l r 嘲z i 掌i e eo ! 电即p 雠衅0 留k 毕蝻r - z e r r 矗m - _ t 一一一 知4 期r _ k 妒m 删i t b 神 图2 5 线阵相机参数设置界面 2 2 2g p s 采集模块 g p s 采集模块主要由g p s 接收机组成。 g p s 接收机是整个g p s ( 全球定位系统) 中的一部分，g p s ( 全球定位系统) 主要由 g p s 卫星星座( 空间部分) 、地面监控系统( 地面监控部分) 、g p s 信号接收机( 用户 设备部分) 三部分组成。空间部分由2 4 颗工作卫星和3 颗随时可以启用的备用卫星组 成，为用户提供2 4 小时导航和时间确定能力。地面监控部分由一个主控站、三个注入 站和五个监控站组成，其主要任务包括：监视卫星的运行；确定g p s 时间系统；跟踪并 预报卫星星历和卫星钟状态；向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。 在空间部分和地面监控部分为用户提供导航和定位的基础上，用户要实现利用g p s 进行导航和定位的目的，还需要具备g p s 信号接收机，即用户设备部分。这部分的作用 是接收g p s 卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，经数据处理后获得 观测时刻接收机天线相位中心的位置坐标。 g p s 接收机主要由g p s 接收机天线单元和接收单元组成。其基本构成图如图2 6 所示【2 】。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 6g p s 接收机的基本构成方框图 1 天线单元 卫星信号是通过天线接收到的，天线单元由接收天线和前置放大器两部分所组成。 6 长安大学硕士学位论文 天线单元的作用是接收视界内的所有卫星的g p s 射频( i 强) 信号，经前置放大器放大。 2 接收单元 接收机主机由变频单元、数字信号通道、接收机处理器、i o 端口和电源等组成。 ( 1 ) 变频单元 变频单元的作用是将放大后的g p s 射频信号与来自本机的振荡器的信号混频，下 变频到中频( i f ) ，利用模数转换器( a d ) 对i f 信号采样和数字化，自动增益控带i j ( a g c ) 同时在中频上完成。本机的振荡器频率根据接收机的频率设计，由基准振荡器经频率合 成器产生。 ( 2 ) 数字信号通道 经过模数转换( a d ) 数字化了的中频( i f ) 信号输入到n 个数字信号通道。这些数 字信号通道一般用一个或几个专用集成电路( a s i c ) 组成，完成环路鉴相器和滤波器、 数据解调、测量、锁相和指示等功能。图2 7 为相关通道的电路原理图。 蝌鬻6 彤阶m 。芦竺匦卜斜 玷甲一篡 l - 叫移_ 叫积分滤波卜_ - 叫卜一 f 伪距测量值电路l 一 ( 码相位跟踪环) 2 9 f 上0 2 5 fl 载波数控i环路l障波环相 吨步1 振荡器卜1 滤波菇f _ 1 误差发生 载波相位测量电路f l 多普勒测量电路 ( 载波相位锁相环) 图2 7 相关通道电路原理图 在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环，其作用是将从卫星接收 到的扩频的调制信号，经过解扩、解调后得到导航电文。 ( 3 ) 接收机处理器 接收机处理器的作用是控制接收机统一协同的工作，通过微机指令控制开机自检， 测定、校正、存贮各通道的时延值；搜索、捕捉卫星，牵引、跟踪信号，将基准信号译 码得到g p s 卫星星历；计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角；计算导航参数( 如： 航偏距、航偏角、航行速度等) ；接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员姓 7 塑三苎壁壁墼筻墨墨丝苎塑兰三韭星墨 名，天线高，气象参数等。 ( 4 ) v o 端口 u o 端口是在o p s 接收机和用户之间的接口。对于许多应用来说，i o 端口是一个 c d u ( 控制显示单元) ，c d u 允许用户输入数据，显示出状况和导航解参数等。对于导 航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。 ( 5 ) 电源 o p s 接收机电源可以是内电源、外接电源，或者两者结合的。内电源一般采用锂电 池，主要用以维持存储在r a m 中的数据和运行内置的实时时钟。外接电源可用1 2 v 直 流镉镍电池组或汽车电瓶。 综上所述，接收机的主要任务是：通过捕获用户视界内的g p s 卫星，并跟踪这些 卫星的运行，接收机不断地接收到g p s 信号，对其做变换、放大和处理后测量出g p s 信号从卫星到接收天线的传播时问，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，最终实时地 计算出测点的三维位置、三维速度和时间。 本系统中采用的g p s 接收机是h o l u xg r - 2 1 2 型接收机，外形如下图2 g 所示。 圈2 8t t o l u x g r - 2 1 2 型接收机 g r - 2 1 2 具有如下基本特征： l 内建卫星接收天线并采用美国瑟孚( s j r f ) 公司所设计的第二代卫星定位接收晶 片，大大地缩小体积，内建时钟及记忆体，并以充电电池随时保持最新资讯。 2 - 内建高效率a r m 7 t d m ic p u ，容易与客户端应用程式结合， 3 快速定位及追踪1 2 颗卫星的能力。 4 支援r t c m 即时偏差修正，能提供范围卜5 米的精确定位。 5 提供二种通讯电压准位t t l 或r s 2 3 2 ，方便不同应用之p d a 或p c 客户使用。 6 发光二极体皿e d ) 显示定位状态，当l e d 灯亮时，表示已连上电源：当l e d 灯 闪动时，表示已经定位完成。 7 定位资料每秒更新一次。 8 长安大学硕士学位论文 o r - 2 1 2 接收到的卫星数据，经过软件方法提取得到经纬度后存入数据库。 2 2 3 里程数据采集模块 里程数据采集模块包括里程计和采集设备两部分。 1 里程计 里程计【3 】，是一种光电编码器，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成 脉冲或数字量，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘在定直径的圆板上等分地开通 着若干个长方形孔，与电动机同轴连接。当电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转， 由发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，计算每秒输出脉冲的 个数就能反映当前电动机的转速。对于不同的旋转方向，码盘可提供相位相差9 0 。的两 路脉冲信号。光电编码器的工作原理如图2 9 所示， a 相b 相问缝隙 )j a 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 b 厂 厂 厂 厂 n 厂 r 厂 厂 z | l 图2 9 光电编码器工作原理图及输出波形 在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安装有发光元件和光敏元 件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经 过整形后变为脉冲，每转一圈输出一个脉冲。 光电编码器的种类很多，根据其刻度方法及信号输出形式可分为增量式、绝对式和 混合式三种。 本系统采用的是增量式的旋转编码器 4 1 ，由于这种编码器是通过内部的两个光敏接 收管接收的透光量转化成角度码盘的时序和相位关系，确定其角度码盘的角度位移量是 增加( 正方向) 还是减少( 负方向) ，从而计算出旋转位移量的。在结合以单片机为核 心的里程采集设备后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量方面较绝对式旋转编 码器具有更廉价和简易的优势。 9 墨三童坚兰墅堡笪里墨丝苎丝兰韭堕垄 本系统采用的里程计是德国倍加福公司生产的r v l 5 8 型增量式旋转编码器，如下 图2 1 0 所示： 图2 1 0r v l 5 8 型增量式旋转稿码嚣 其电气规格如下表21 所示。 表2 1r v l 5 8 型增量式旋转编码器的电气拽格 电气规格( e l e c t r i c a lp a r t ) 供电电压：d c5 v ；i ) c1 0 3 0 v 输出脉冲：最大5 0 0 0 p p r 响应频率：2 0 0 k h z输出电平：h t l t t l ( r s 4 2 2 消耗电流：7 0 m a 5 vd c ；5 0 m a 47 5 3 0 vd j 每通道允许负载电流：2 0 m a 输出电路：d c5 vr s 4 2 2 ，d r i v e r d e1 0 - 3 0 v 机械规格( m e c h a n i c a lp 硼 最大速度：1 2 0 0 0 r p m启动力矩：15 n c m 轴端受力：轴向4 0 n 径向6 0 n 转动惯蕈：2 5g c m 2 震动系数：1 0 0 r r d s 2 1 0 - 2 0 0 0 h z耐撞击系数：1 0 0 0 m s 2 ，3 m s l p 防护等级：i p 6 5重茸：3 5 0 克左右 在本系统中，里程计与配套的弹簧连轴器安装在车辆轮胎的转轴上，用来测量车速和 里程数据。 2 采集设备 里程采集设备是i 拍c p l d 、单片机、液晶屏和键盘组成，具体结构如圈21 1 所示， ，一l 口i ! 阿习 悭尸芦! 征口 圈2 n 里程采集模块 单片机和c p l d 集成在一块芯片上，c p l d 用于计数里程计脉冲个数，单片机与 长安大学硕学位论z c p l d 、液晶屏、键盘和工控机相连，主要用于从工控机接收控制命令，触发里程计开 始工作，计算车辆载体的里程值和速度值，同时接收通过键盘设置的相机的相关参数并 传输给工控机和线阵相机，控制里程采集模块的协调工作。液晶屏用来显示里程值和速 度值。键盘的作用是设置线阵相机和面阵相机的采集间隔距离和标准距离标定，在原来 的系统中相机的曝光频率是由软件设定，面阵相机的曝光频率为每秒2 5 次，现在的系 统为了防止出现车辆停车时同样位置图像的重复拍摄，选择了按车辆行驶间隔距离进行 拍摄的方式，当车辆行驶设定的采集间隔距离后系统触发相机进行拍摄。其中线阵相机 的采集间隔距离有l n u n ，2 m m ，3 m m ，4 m m 和5 m m 五种，面阵相机的采集间隔距离 有i m ，2 m ，3 m ，4 m ，5 m 。标准距离标定是在标准距离的起点和终点通过键盘的确认 实现标准距离标定，本系统中的标准距离设定为l k m 。下图21 2 ，21 3 显示了里程采集 设备整体结构图和工作状态下的各部分的实物图。 圈2 1 2 整体结构图 ( a ) 集成芯片实物田( b ) 键盘 翌三! 竖望堡重型墨堑堕塑至王生堕壅 ( c ) 速度、里程值显示界面( 曲相机和l l m 标定界面 ( e ) 线阵相机参数设置界面( f ) 设置成功界面 圈2 ”里程采集设备各部分实物田 22 4 后台处理模块 后台处理模块主要由d s p 处理器、接口电路和高性能工控机等部分组成，其中d s p 处理器负责完成影像采集、压缩和存储、g p s 定位信息的提取和字符叠加。 影像采集系统的处理电路基于高速d s p 和f p g a 器件。d s p 处理器及其外围电路 和硬件处理电路是系统的核心，它完成数据暂存、字符叠加、压缩和各种处理算法，采 用这种设计不仅降低了系统成本，更重要的是可以满足实际应用中的实时性要求和可靠 性要求。接口电路主要用于与工控机进行数据交换。 工控机负责提供系统与外部设备的接口并能通过接口将多种外设的数据提取进来， 然后通过软件实现相机及补光控制、g p s 数据滤波、里程校正、视频录制及回放、路面 图像分析、数据库管理、g i s 连接、系统容错等功能。 2 3 关键技术 1 视频图像压缩的实现软件和硬件 研究开发在压缩视频数据流中嵌入标识里程数据、实际里程数据和g p s 数据的视 频压缩算法、压缩软件及实现硬件。 视频压缩已经有国际标准，所有的视频图像压缩硬件和软件包都是基于这些标准设 1 2 长安大学硕士学位论文 计的，要想在压缩数据中加入里程数据和g p s 数据，就必须重新设计新的压缩算法以 及对应的软硬件。由于要实现两路视频的压缩，软件方法很难满足实时性的要求，所以 在算法研究和软件开发的同时，必须设计部分算法的实现硬件。 2 视频帧号与道路里程的对应算法 对于视频流信号而言，其基本的控制参数只有帧号，其它的所有的控制都必须利用 与帧号的对应关系实现，因此，要实现对视频信号的控制，首先要将道路里程与帧号( 也 就是道路视频影像) 准确对应。通过这种对应关系建立帧号里程参照数据库，将查询的 里程数据映射成帧号数据。同时系统根据当前播放帧号对当前里程进行校正，依据当前 里程访问地理信息数据库。 在视频信号采集中，由于车辆的运行速度通常是不恒定的，为使每帧图像与地理信 息数据相对应，除了要利用g p s 或采集车里程表速度表进行实时线路里程采集外，还 必须进行里程校正，这样才能保证显示的里程数据与播放出的场景画面保持一致，也才 能够保证按照里程进行精确的视频场景检索。里程校正利用包含里程标识的关键帧实 现，关键帧对应的里程可以在视频采集过程中人工键入，也可以在视频数据采集后补录。 接下来的问题是帧号与里程对应关系的内插，关键帧越多，内插误差越小，但关键帧数 量是有限的，这时设计高性能的内插算法十分关键。 3 g i s 中的坐标信息与公路里程信息的转换算法 各种道路信息一般根据起讫点里程进行空间定位，也就是采用线性参照系。在长期 的道路建设与实践中，交通运输部门开发了各种形式的线性参照系用于描述在地理空间 呈网络分布的道路网确定高精度的线性参照系是在g i s 环境下利用动态分段技术进行 快速、准确的道路交通运输信息查询、分析与表达的基础利用g p s 测量或其它数据采 集手段并借助于数据质量控制方法为建立高精度的线性参照系提供了基本前提条件。本 项目中，视频数据采集、存储和检索中都涉及g i s 中的坐标信息与公路里程信息的转换， 因此，建立三维或二维坐标与一维里程之间的数据转换模型是本项目中的一个关键技术 问题。 本文涉及到的关键技术有： 1 卡尔曼滤波算法的改进算法。 研究对车载g p s 接收机采集经纬度数据更有效的滤波算法，由于卡尔曼算法对通 信领域的信号处理方面的强大功能，采用结合系统实际研究的卡尔曼改进算法对采集的 g p s 数据滤波，使采集数据的精度更高，从而保证里程与图像位置定位更精准。 13 第二章路产影像管理系统结构与工作原理 2 里程桩号的校正方法。 根据系统录入的关键里程，在比较了g p s 里程校正和里程计里程校正的优劣后， 结合这两种方法，对里程桩号校正研究了一种基于g p s 和里程计采集数据的校正算法， 实验表明，该算法能达到的里程定位精度更高。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章里程计、g p s 数据的误差处理方法 3 1影响里程计采集数据准确性的因素和消除方法 3 1 1 影响数据准确性的因素 在本系统实验中，里程计被安装在汽车轮轴上，在汽车行驶过程中随着轮轴的转动 计数脉冲个数从而得到里程值。在实验过程中我们发现存在一些影响里程计计数精度的 因素，这些因素主要包括车辆非直线型的行驶轨迹因素、车辆轮胎气压影响因素和道路 施工中存在的桩号误差等。 1 车辆非直线型的行驶轨迹因素 车辆非直线型的行驶轨迹因素是指因车辆作非直线行驶时造成的里程计采集里程 数据过大的误差因素。因为里程计是通过“弹簧连轴器”与驱动直线位移的动力装置的主 轴直接连轴的，里程计采集的是主轴的旋转位移，当车辆非直线行驶时，主轴运行的位 移比直线行驶时要长，因此测得的位移就比实际位移要长，出现了数据过大的误差。 2 车辆轮胎气压影响因素 轮胎是汽车安全行驶的重要部件，也是影响里程计采集精度的重要因素。因为里程 数据主要是按照车轮周长来计算的，实验通过在车轴位置安装里程计，计算车轮转圈数， 再乘以车轮周长就可以得到速度值。假如车轮的周长为3 米，每分钟转圈数为3 0 0 圈， 那么3 * 3 0 0 = 9 0 0 米，9 0 0 米* 6 0 分= 5 4 0 0 0 米小时，即车速5 4 公里。此时，我们所指的 车轮周长是指轮胎外圈，不是指轮毂。假如原来轮胎周长是3 米，而现在由于轮胎气压 过大，轮胎周长成了3 1 米。那么这个时候里程计计算的速度就不准了，显示1 0 0 码的 时候你的实际车速可能已经到了1 0 3 码。 因此轮胎气压的大小也是影响里程测量值的重要因素之一。在对同一路段的测量 中，如果胎压值相差较大，那么在实际里程测量时必然会造成数据误差较大的现象。对 于不同路段的测量，也会造成数据误差。 3 道路施工中存在的桩号误差 公路里程桩是指高速公路路线上由起点至终点，沿每公里等长顺序设置的、标识公 路里程与编号的标志牌。用以计算路线或路段长度和标注公路上某一地点的沿线位置。 公路里程桩是一种科学有效的公路定位手段，对路产管理系统准确快速地进行位置定位 具有非常重要的意义。 1 5 第三章里程计、g p s 数据的误差处理方法 但由于施工过程中的人为因素，有些高速公路路段上的里程桩并不是按实际里程位 置安放的，存在标识里程距离大于实际里程的问题。这种情况被我们界定为施工过程中 的桩号误差。 3 1 2 消除方法 对于车辆载体在行驶过程中产生的里程误差，我们一般采用如下的方法进行处理： 1 车辆非直线型的行驶轨迹因素的消除方法 对因车辆非直线行驶造成的里程误差，本论文4 2 3 节对其提出了一种有效的修正 方法。 2 车辆轮胎气压影响因素的消除方法 在每次实验前，先对里程计一个脉冲对应的位移做一个标准计算。具体做法如下： 让车辆载体行驶标准l k m 的距离，用里程采集设备中的键盘记录起点和终点，c p l d 同 时得到里程计采集在这段距离采集到的脉冲个数，然后用标准距离除以脉冲个数，得到 的数据即为每个脉冲对应的轮胎位移。此方法可消除胎压对实验数据结果的影响。当然， 如果每次采用这种方法，可能比较麻烦。因此也可以采用在轮胎的轮毂或气嘴上安装一 个传感器，传感器中包括感应气压的电桥式电子气压感应装置，它将轮胎气压信号转换 为电信号，通过无线发射装置将信号发射出来。传感器发射出来的轮胎气压信息由接收 装置接收后，在驾驶台上的显示器中显示出来，就可以得到当时的轮胎气压了。然后让 车辆载体行驶标准距离得到当时轮胎气压条件下里程计一个脉冲对应的位移数，经过几 次的测量就可以得到一条轮胎气压值与里程计一个脉冲对应位移的测量曲线。此后，只 要在每次实验前，从轮胎气压传感器得到一个当时的气压值，就可以根据测量曲线对应 的拟合函数推算出里程计当时一个脉冲对应的具体位移值。 就本实验为例，根据系统多次上路采集数据，可以拟合出当前气压与里程计单个脉 冲对应里程的拟合函数，其具体过程如下： ( 1 ) 采集数据 由于汽车轮胎在气压不足或气压过大情况下，对轮胎的正常使用和安全行驶都会造 成一定影响，因此本系统实验只在气压正常范围内做了数据测量。本实验采集车用的是 金杯海狮r 系列s y 6 4 8 0 8 2 c ( h ) ，正常行驶时轮胎气压在2 6 3 2 b a r 之间，数据取自西 安二环路和绕城高速多次上路采集的数据，将这些采集数据列成表格形式，如下表3 1 所示： 1 6 长安大学硕士学位论文 表3 1 轮胎气压与里程计采集数据 气压( b 砷 2 6 2 72 93 o 3 2 单个脉冲对应里程( m m l0 9 7 2 80 9 7 3 4 0 9 7 5 20 9 7 6 40 9 8 0 1 ( 2 ) 描绘曲线 根据以上五组数据，描绘出的曲线如下图3 1 所示： 爸 邑 烈 硎 翅 靛 臭 奄 七 疆 图3 1 气压与里程的拟合函数 ( 3 ) 拟合函数 由于上图绘制出的曲线近似为一条直线，因此可以采用最小二乘法进行数据拟合， 建立拟合函数。具体做法如下： 首先，假设函数表达式为y = 口奉x + b ，把测得的数据记为( 五，咒) ，( x 2 ，y 2 ) ，( x 5 ，y ，) ， 用而= y l 一口宰而一b ，s 2 = y 2 一口 恐一6 ，= y 5 一口幸黾一6 表示相应的偏差，这些偏 差的平方和叫做总偏差，记为s ，即s = 墨2 + s 2 2 + + s 5 2 ，然后根据以上五组数据的具体 数值，确定a ，b 使得s 值最小，这种方法就是最d x - - 乘法，得到的函数就是对应数据 的最d x - - 乘拟合函数。 由极值的必要条件，s 对a ，b 分别求偏导的值为0 时s 有最小值。 故： ( j c l 2 + 屯2 + + x s 2 ) 事a + ( x i + x 2 + + 黾) 木b = x i 宰m + 艺枣款+ + 黾幸儿 ( 3 1 ) ( 五十恐+ + 墨) 木a + 5 木b = 舅+ 耽+ + 弘 ( 3 2 ) 1 7 第三章里程计、g p s 数据的误差处理方法 由( 3 1 ) ，( 3 2 ) 联立得关于a ，b 的二元一次方程组，解得a = 0 0 1 1 9 ，b = 0 9 4 1 4 。则图 3 1 对应的拟合函数为： y = 0 0 1 1 9 奉x + 0 9 4 1 4( 3 3 ) 其中x 的取值范围为2 6 3 2 b a r 。 以上就是安装气压传感器后，根据多次采集数据得出拟合函数的全过程。这样，在 每次采集车工作前，只需通过气压传感器读出当时的轮胎气压值，就可以很容易的确定 单个脉冲对应的里程值。 3 道路施工中存在的桩号误差的消除方法 由于施工过程中存在这样一个人为的误差问题，对于里程数据的准确性有着很大的 影响，例如相邻的两个里程桩之间的一段距离，里程桩标识