1) GPS和加速传感器车速测量系统的总体设计:GPS和加速度传感器车速测量的系统组成(GPS模块,加速度传感器模块和处理器模块);
2) GPS和加速度传感器测速工作原理分析;
3) GPS和加速度传感器车速测量系统的硬件设计:GPS芯片的选型(介绍GPS的特点和功能),加速度传感器的选型(介绍加速度传感器的工作特点和功能),单片机芯片的选型(STM32F103RBT6的特点和主要性能指标),电路原理图分析;
4) GPS和加速度传感器车速测量系统的软件设计:GPS和加速度传感器的速度信号采集,卡尔曼滤波数据融合算法[21](介绍卡尔曼滤波算法),程序流程图;
5) 实验:观察实验现象和结论;
2 GPS和加速传感器车速测量系统的总体设计
全球卫星定位系统GPS是美军20世纪70年代初在子午仪卫星导航定位技术基础上发展起来具有全球性、全能性、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS信号用于相对定位时精度较高, 但信号频率较低, 不能满足汽车道路试验数据分析需求。加速度计可以实时提供被测物体的加速度信息。若已知被测物体的起始速度, 便可以将加速度积分得到物体各个时刻的速度。但加速度计会随着时间的增长而发生漂移, 产生较大的误差, 不能单独长时间使用。现采用数据融合算法,由GPS信号提供基准的低频速度信息,校正补偿误差;当GPS无法接收到4颗以上的卫星信号时,加速度传感器基于前一时刻GPS提供的初始速度,加上本身测得加速度信号进行积分,得到卫星信号时的速度信息。基于GPS信号和加速度计的速度采集总体方案如图2.1所示。
图2.1 系统总体框图
GPS 接收机捕获、跟踪卫星, 接收、放大、解调GPS信号, 还原出GPS卫星发送的导航电文, 获得位置、速度、时间等数据,并根据串行通信传送来的微控制器的指令, 发送相应报文。微控制器定时对加速度计采样, 并将二者数据包编号,测量所得的数据在LCD液晶显示器上显示速度信息。
2.1 GPS的测速原理
GPS测速大致有3种方法:第一是基于GPS高精度定位结果,通过位置差分来获取速度;第二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度;第三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度。这3种方法之间有一定的联系,都源于速度的数学定义公式。不过由于计算思路不同,所利用的观测量也不同,部分方法还作了不同程度的近似假设,所以它们所确定的速度的精度也不同[19]。
2.1.1 位置差分确定速度
利用历元 和 的位置向量 和 ,求得历元t的载体速度其中, 为采样间隔。由式(2.1)所确定的速度, 是载体在时间2 内的平均速度。如果采样间隔h趋近于0 ,则该平均速度即为瞬时速度。
(2.1)
2.1.2 原始多普勒频移观测值求解速度
卫星j的多普勒频移观测值方程为 (2.2)
式中, 为卫星j的多普勒频移观测值,单位为Hz;λ为载波波长; , 分别为卫星j的时钟和接收机时钟的钟差变化率;C为光速; 为观测值噪声; 为卫星j到接收机天线见的集合距离, 为变化率,表达式为
其中, , 分别为GPS 卫星j发射信息时刻的位置矢量和接收机接受信号时刻的位置矢量。式(2.2)和式(2.3)中,卫星位置 、卫星速度 和卫星钟变化率 可以由导航电文计算而得 。载体位置 ,速度 和接收机钟差变化率 为未知参数。对式(2.3)线性化
其中, , 为载体位置和速度的近似值, , 为它们相应的改正数; 为几何距离变化率的近似值,表达式为
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