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1、基于GPS的车辆自动报站器的设计1 引 言1.1论文选题的背景和意义伴随着国民经济的飞速发展和城市化的不断进展，人口向城市集中，城市交通需求的总量急剧增长。与此同时，我国汽车化水平逐年提高，全国民用汽车特别是小汽车的绝大部分均在城市范围内使用。城市交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通事故频发与环境污染越来越引起社会的普遍关注。城市交通问题已严重阻碍了城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈。最大限度的提高现有交通资源的利用效率是解决问题的根本出路。城市公共交通由于具有运载量大、运送效率高(人均占用面积小)、能源消耗低、相对污染少等优点，能实现对交通资源的高效利用，从而有
2、效地缓解城市交通压力。因此，解决城市交通问题的关键是引导人们在出行时尽量选择公共交通工具。但是要让市民心甘情愿的选择公共交通工具，就必须提高公共交通的服务质量，让市民真正感觉到公共交通的方便、省钱、可靠和快捷。因此，开发和建设先进的公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，从而改善整个城市交通状况是解决城市交通问题的关键。从80年代中期开始，大城市的公共汽车交通相继萎缩。90年代初，公共汽车在居民出行交通结构中，多数大城市从原来30%下降到10%以下。其原因是公交企业主要依靠政府补贴，运营效率不和经济挂钩，服务质量下降与企业生存无关，因而普遍处于亏损状态。虽然近年来我国城市公交建设取得了
3、较大的进展，但城市公共交通滞后于经济社会发展的局面没有根本改变。目前公交车上的数字电视业务单一，仅播放广告，无相应站点附近景点、酒店等介绍信息，智能交通系统发展则应运而生。目前，国内公交报站器基本上采用人工手动报站，部分城市采用GPS语音自动报站系统，如广州中山、南京、上海、哈尔滨等城市。由于GPS定位系统自动报站器成本还比较昂贵，现阶段还未普及。 传统的公交运营系统的装备和管理模式还存在着很多缺点和不足。而城市公共交通是城市建设和发展的重要组成部分,它代表政府体现了当地城市的形象与风貌，同时，好的公交运营系统能为城市公共交通事业的发展创造良好条件与环境，从而创造良好的社会效益与经济效益。而G
4、PS技术日益发展成熟，GPS产品成本降低。因而，具有定位精度高，语音自动播报等特点的GPS语音报站系统的提出具有必然性。然而，针对语音报站，还存在着一些不完善因素，在桥底或树木高楼等密集的一方，可能会存在接收不到信号问题。下一步发展趋势是GPS定位，GPRS无线通信网和城市地理信息系统结合起来。1.2国内外智能交通系统发展现状l 国外情况简介对智能交通系统的研究许多国家都投入了巨大的人力和物力，并成为继航空航天、军事领域之后高新技术应用最集中的领域。目前已形成以美国、日本、欧洲为代表的三大研究中心。在美国，对智能交通系统(ITS)的研究虽然起步最晚，但由于投入较多，目前已处于该领域的领先水平。
5、美国建立有结合救助服务的辅助导航系统，该系统即为一个监控中心，由较为完善的功能强大的计算机管理系统并配有电子地图及通信连接设备组成，能为装有GPS设备的车辆提供定位跟踪管理、报警服务受理、求助服务受理、紧急救援提供、在线语音导航以及安全防盗服务等。另外，美国为了防止交通堵塞、提高公路运输能力，利用GPS、城市交通地理信息和移动通信，与交通管理中心联络，为司机提供实时的交通信息，指引车辆选择最佳的行车路线，避开交通堵塞路段，还可以为司机及时调整车距，避免撞车提供信息。日本城市公共交通智能化的发展经历了3个阶段：70年代末开始应用公共汽车定位系统公交汽车接近显示系统；80年代初开始应用公交运行管理
6、系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入90年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度十分困难，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统 (CTCS)，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。欧洲在ITS的研究方面采取整个欧洲一体化的方针，由政府、企业和个人三方面共同出资进行智能运输系统的研究，著名的项目有PROMETHEUS和DRIVE等，其中DRIVE工程是目前世界上交通运输界规模最大的合作研究计划，共有12个国家的700多个单位参加，经费达5亿欧元。欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城
7、市街道一般都比较狭窄。但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。l 国内报站器简介我国基本情况先前已介绍，此处主要介绍一下我国目前主要的车辆报站方式，如表1.1： 表1.1： 当前报站器的种类及其操作方式和优缺点方式操作方式/原理优缺点电脑语音报站器到站时候由乘务人员按“进站”按钮开始报站，出站时由司乘人员按“出站”，开始报下站名需司乘人员时刻关注进出站的状态
8、，这就影响了司乘人员的注意力，存在着驾车安全隐患门控语音报站器将开关门信号和语音白站起连接，开门和关门时，自动报站不能提前报站，报站时容易出现错误，中途由于存在某种原因开关门会引起报站顺序混乱无线信标式自动语音报站器在公交车站设置发射信标点，公交车临近站点50米左右会收到信标信号，开始自动报站，出站50米后信号消失，开始预报下一站需要组建许多车站信标发射点，有些站点无电源供给；公交车数量较多时，寻找频率干扰问题，且问题严重；系统维护成本高基于GPS的车辆自动报站器根据GPS模块接收的信息处理后得到当前公交经纬度以及车辆行驶方向信息，经过与存储器中站点的信息进行比对从而在设定范围内的车站报名有效
9、减轻司机的任务量，使得安全隐患降低；虽然本设备成本较高，但是系统精度比较大、维护成本较低，甚至路途中间可以插播广告或者本地介绍由表中很明显地看出，本系统采用先进的卫星定位技术与多媒体播放器相结合的方式，将会改变传统公交车语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、不需要人工介入，实现了公交车报站器的完全智能化。与显示屏直接连接，同步显示报站信息、播放广告等增值业务可以缓解目前公交公司在车辆维护、更换上所出现的资金问题。站名及有关事项可以在计算机上形成电子文件，通过串口下载到系统中，方便快捷。利用触摸屏作为人机交互界面，方便乘客查询相关信息。可存储多
10、条线路，即使由于整修道路等原因临时更换运营线路公交车仍可正常运营。车载设备安装于公交车上，其工作环境比较恶劣，对设备的结构也有一定的要求，本系统采用工作稳定可靠、抗干扰能力强的嵌入式系统。嵌入式系统固化于存储器中，可靠性高，成本低，体积小，功耗低。有着广泛的应用领域，在车辆与交通工程中的应用则是其中一个重要的应用方面。将嵌入式设备作为车载终端应用于智能公交系统，使车载终端设备具有更高的智能性、稳定性和扩展性，从而建立起全方位、实时准确、高效的智能交通系统。1.3本设计的要求及重点l 设计要求1.GPS定位2.能进行自动报站，并且语音清晰，满足表1.2表1.2 公交车的四个运行状态状态判断依据动
11、作（语音播报）靠站距离站点由很远接近200m前方到站进站距离站点在20m以内站到了出站距离站点大于20m，速度大于0车辆出站运行距离上站50m下站200m广告信息3.有USB下载接口可更新存储内容; 4.设计说明书要求包括以下内容：目录、标题、概述、方案总体设计（硬件、软件、 框图）、单元电路和单元软件程序、 电路总图、参考文献等;5.字数1.5万2万字内;6.自己可扩展其它功能。 l 设计的重点与难点GPS语音自动报站系统的主要原理是通过GPS模块确认车辆的动态位置(精度,纬度),时间,状态等信息,与公交线路信息库中存储的位置进行比较,根据预先设定的的距离和规则向乘客播报车站和线路的语音信息
12、等。该系统应具有:全球定位,自动报站,语音录入,数据采集等功能 该系统主要由GPS接收板与接收天线,ARM处理器,长时间语音处理芯片,电源模块,放大单元,显示等部分组成.2 基于GPS的车辆自动报站器系统的设计原理2.1 GPS系统2.1.1 GPS系统简介GPS(Global Positioning System)全球定位系统是由24颗人造卫星和地面站组成的全球无线导航与定位系统，如下图。GPS系统是由美国国防部于1973年开始设计、试验，1989年2月4日第一颗GPS卫星发射成功，1993年底建成实用的GPS网即(21+3)GPS星座，并开始投入商业运营。GPS系统包括三大部分：空间部分G
13、PS卫星；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。图2.1卫星分布图如图2.1所示，GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，卫星轨道倾角为55度，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。并能保持良好定位解析精度。GPS卫星提供了P码(精码)和C/A码(粗码)两种定位服务。P码为军方服务，C/A码对社会开放。由于GPS对社会开放，因此各类接收机、测量设备如雨后春笋般涌现，并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位导航方式。2.1.2定位原理由于卫星的位置精
14、确可知，在GPS观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置 (X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经6纬度和高度。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。本装置的定位系统使用GPS接收机进行自主定位，GPS接收模块接收GPS卫星发送的定位数据，将GPS信号的数据流提取出来，经过字符串操作就可以分别找
15、出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间等定位信息（该时间加上8小时即为我国标准时）。在实际开发中，GPS接收机根据从三颗以上卫星发来的数据计算出自身所处的位置，完成定位。(x,y,z)xz卫星1卫星2卫星3卫星4y图2.2 卫星定位原理图GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2.2所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：上述四个方程中待测点坐标x、y、z和接收机的钟差为未知参数，其中方程中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标；分别为卫星1卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得，分别为卫星1卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供； 分别为卫星1卫星4的信号到达接收机所经历的时间；c为GPS信号的传输速度，即光速。由以上四个方程即可解算出待测点的
