RTK-北斗驾驶员训练考核评判设计

贾小文，贺秀良

(军事交通学院 基础部，天津 300161)

RTK-北斗驾驶员训练考核评判设计

贾小文，贺秀良

(军事交通学院 基础部，天津 300161)

为提高部队驾驶员训练考核信息化、自动化和智能化水平，以RTK-北斗二代定位技术为基础，介绍训练考核评判的设计方法，包括评判的总体思路，车辆、课目和场地数字化建模的方法与原理，以及评判的基本思路、程序设计方法与考核过程的可视化设计。测试结果表明，该方法可靠、迅速，评判精度高，能够高效地实现车辆位置信息的自动评判。

载波相位差分(RTK)；北斗卫星导航系统；驾驶员培训

卫星导航系统中，基于载波相位差分(real-time kinematic，RTK) 的多天线定位技术具有相当高的精度，可达厘米级。2006年贺秀良等[1]就开展了基于RTK-GPS驾驶员训练考核系统研究。2012年北斗二代卫星导航系统公布了BII码，也具备了RTK定位能力。研究结果证明，定位精度完全不逊于美国GPS系统[2]。厘米级定位精度极大地拓宽了卫星导航系统的应用领域。在驾驶员考核自动化中，传统的方法使用了大量的光电传感器，这种方法的弊端是建设成本和维护成本都很高，在应用上也存在很大限制。针对驾考训练的实际特点，提出用RTK卫星导航定位技术来代替传统光电传感器的设计思路，以数字化建模来抽象传统的考车、课目和场地。经过多年的研究发现技术和原理完全可行，使用这种方法可大大降低训考场的建设和维护成本，提高训考的信息化、自动化和智能化水平。2013年以来，基于RTK-GPS技术的驾驶员训考系统已经在全国范围内大规模推广使用，基于RTK-北斗技术的驾驶员训考系统则开始用于部队[1-5]。本文详细介绍了考核评判系统的核心技术——考核评判的设计思路及其原理。

1 评判总体思路

《陆军军事训练与考核大纲》[6]规定了新训运输车驾驶员“场地驾驶技能”的10个必考课目，包括坡道起步、定位停车、通过横断路、上坡转弯换挡、通过交叉路口、通过双边桥、公路调头、上下模拟铁路平车、倒车移位和综合技能驾驶。这些课目考核中，绝大多数考核项目都可以转化为对车辆位置或者速度信息的评判，如“定位停车”要求车辆以30 km/h以上速度进入课目在段，进入20 m地段采取措施(减速)，停车后车与标杆横向距离不少于0.8 m，利用高精度的RTK-北斗定位技术，可以很方便地获取车辆的位置和速度信息。与光电传感器相比，RTK-北斗技术思路清晰、硬件架构简单、维护成本低，并且不受空间和地域的限制，优势非常明显。

利用RTK-北斗技术进行自动评判，首先要建立车辆、课目和场地的数字化模型。通过对地面做二维投影，可获取课目二维几何平面数字化模型信息。通过RTK-北斗定位技术获取车辆的实时位置，利用坐标变换获取车辆和课目的相对位置关系。通过“关键线”和“关键区”的方法来判断车辆的运行轨迹。通过几何形状的碰撞检测来对车辆驾驶进行评判。关键线是一条线段，关键区是若干个圆形，通过车辆与这些几何形状的碰触来确定车辆的运行路径。评判的总体思路如图1所示。

图1 考核评判总体思路

2 数字化模型

数字化建模的含义是将车辆、课目和场地抽象为具有一定几何形状的二维图形，并利用数字坐标对几何图形进行描述。

2.1 数字化模型的几何结构

驾驶员训练和考试中，通过车身是否触碰到课目的区域边界来判断得分与否。这种触碰一般并不涉及高度方向的检测，因此可以将车辆和课目建模简化为其对地面的二维投影。车辆可实时移动，课目对于不同的场地位置也是不同的，因此数字化模型中采用相对坐标。车辆和课目具有取向属性，因此数字化模型应包括取向信息，在评判中通过实时航向信息计算模型的真正取向。车辆和课目(倒车入库)的数字化模型设计如图2所示。

图2 车辆、课目和场地数字化模型

上述模型中，两个基准点构成了模型坐标系的x轴，取x轴方向为正东方向，用右手螺旋系计算各坐标点相对于基准点位置的坐标值。粗箭头表示模型的默认取向。实际中，模型取向各不相同，因此模型文件中应专门设一个数据项存放模型相对于默认取向的偏转角度。数字化模型以一定格式保存并被评判程序读取。

2.2 数字化模型的建立

数字化模型建立包括3个问题: 一是如何获取二维投影，二是如何获取模型关键点位置，三是如何计算各关键点坐标值。

获取二维投影的方法：找一块开阔的平地，利用铅锤围绕车辆旋转一圈，用粉笔在地面上绘制出车辆轮廓即可。对于课目模型的建模，可以根据相关标准直接在地上画出课目模型。对于场地模型，只需要确定记录场地的两个基准点即可。

获取模型关键点位置的方法有两种：一是用长度测量工具测量关键坐标点位置，二是用RTK-北斗技术直接测量关键点的位置。前者看似简单，实际应用中存在困难，因为不能保证对模型坐标系的准确投影，得到的测量值有较大误差。本文采用第2种方法。RTK-北斗技术获取的是坐标点的经纬度信息，需要将经纬度信息换算为长度信息。在将经纬度换算为长度的过程中，有一些系统的方法，一般是从WGS-84坐标系转化为本地坐标，利用各种修正公式来修正误差，这种计算方式在这里并不合适[7]。最简单可靠的方法是通过实验来获取测量点经纬度与长度的对应关系。假设经度的变化为Δθ，对应的距离为Δx，二者之间的关系为

Δx=f(Δθ)

根据泰勒展开公式得

对于一块只有几百米见方的训练场地来说，Δθ是非常小的，因此可以忽略二阶以上的项，只保留一次项，即

Δx=f′(θ)Δθ

设klon=f″(θ)，则Δx=klonΔθ。同理，Δy=klatΔφ，φ为纬度。klon和klat可以通过实验的方法测量出来。

在开阔平地绘制3个点Q1、Q2和Q3(这3点不共线)，并精确测定Q1和Q2、Q1和Q3之间的距离L1=|Q1Q2|、L2=|Q1Q3|(如图3所示)。

图3 经纬度与长度换算因子

利用RTK-北斗测量Q1、Q2及Q3的经纬度坐标值，分别为(θ1，φ1)、(θ2，φ2)、(θ3，φ3)，于是得到下面的方程：

解上面的方程就可以得到klon和klat。一般而言，场地不同，klon和klat也是不同的，需要重新测量。这两个参数非常重要，在评判过程中，所有涉及到地球坐标系到场地坐标系的转换，都需要使用这两个参数。

计算各关键点坐标值可以采用投影法，设基准点1坐标为(0,0)，基准点2坐标为(X0,Y0)，模型各关键点坐标为(X1,Y1)，其中所有坐标值都是利用klon和klat计算的长度值。按照2.1里的课目模型设计，模型关键点坐标(X,Y)可利用如下公式计算：

2.3 数字化模型的存储和使用

数字化模型的存储应考虑可扩展性、易修改性及程序中读取的方便性，本系统中使用了可扩展标记语言XML来存储模型信息。XML结构主要包括：①模型基本信息描述，如车辆名字、车辆IP信息、车号等；②模型可变信息，如模型基准点经纬度坐标、模型取向、klon和klat等；③模型不变数据信息，如各关键点位置坐标。

记录模型数据的XML文本文件作为评判程序的输入文件，由专门的建模工具自动生成。

3 考核评判过程

在模型建立以后，考核评判就是车辆和课目对应数字化几何模型之间的相对位置碰撞检测问题。

3.1 碰撞检测的算法基础

几何碰撞检测可以简化为两个几何形状(多边形和圆)的相对位置检测。按照由简单到复杂的顺序，检测可以分解为以下若干基本元素：点和线段的关系；两条线段的相对关系；点和多边形的关系；线段和多边形的关系；多边形和多边形的关系；多边形和圆形的关系。编写算法程序，依次实现这些基本元素关系的判断，是考核评判的程序设计基础。数学中的点乘和叉乘运算是几何关系检测的主要手段。算法设计包括以下6个方面。

(1) 点和线段的关系包括两种：在线段外和线段上。以线段作为一个矢量，线段的一个端点和待检测点构成一个矢量，通过计算二者的叉乘结果是否为0可判断点是否位于线段上，注意考虑点位于线段延长线上的情况。

(2) 两条线段的相对关系包括4种情况：两条线段有一个交点(交点非端点)；重合(部分)；一条线段一个顶点位于另一条线段上；两条线段没有交点。同(1)一样，可用叉乘运算来判断二者关系。注意线段所在直线的相交和线段相交的区别，前者是后者的必要不充分条件。

(3) 点与多边形的关系包括点在多边形内部，点位于多边形边上，点在多边形外部3种情况。点与多边形的位置检测比较复杂，因为多边形的外形可能很复杂。由于车辆模型为凸多边形，课目模型为矩形的集合，考虑这种特殊性后，点与多边形的位置检测相对简化。点位于多边形边上是(1)所述情况；点位于多边形内部或者外部时，可利用“有向三角形法”，即将待检测点与多边形各顶点连接，形成若干三角形，求有向三角形面积和的绝对值，并与所有三角形面积的绝对值的和比较，二者相等即说明点位于多边形内部，否则位于外部。

(4)线段与多边形的关系，可以转化为线段与线段的关系及点与多边形的关系。

(5) 多边形和多边形之间的关系，可转化为线段集合与多边形之间的关系。对组成多边形的所有线段进行遍历检测，即可获取两个多边形的相对位置关系。

(6) 多边形和圆之间的关系，可以转化为点与多边形的关系、点和线段与圆的关系。点和线段与圆的关系判断较为简单，不再详述。

以倒车移位为例，倒车移位模型的每个边框相当于一个矩形，每根杆相当于一个圆，车辆模型相当于一个复杂多边形，通过检测边框矩形与车辆多边形之间、圆与多边形之间的相对关系，就可以得知车辆是否“触线”或者“碰杆”，这是考核评判的最基本依据。

3.2 车辆实时位置获取

车辆顶上安装有两个北斗天线，一个为基准天线，一个为航向天线，前者测量车辆实时位置，数值为经纬度，后者为车辆偏转方向，数值为航向天线与基准天线连线与正北方向的夹角。根据车辆模型的设计方法，车辆模型各点的实时坐标可按照如下方法获取：一是将模型所有坐标点都加上基准点位置；二是以车辆模型原点为顶点，将所有坐标点旋转航向角。

3.3 路径实现算法

部分课目考核评判需要获知车辆的运行轨迹路径，如倒车移位需要驾驶员驾驶车辆首先退入乙库停正，然后二进二退进入甲库停正，再穿过乙库开至车道，最后倒车进入甲库出库，全部过程对车辆的运行路径做出了明确规定。对于路径的确定，使用了“关键线”和“关键区”的方法：关键线是一条线段，每一个课目一般都有二条关键线，当车辆跨越第一条关键线表示车辆进入该课目，跨越第二条关键线表示车辆离开该课目；关键区是一个圆形几何区域，每一个课目都有若干关键区，关键区具有顺序属性，通过记录车辆跨越关键区(借助于碰撞算法)的先后顺序，就可以得到车辆的运行路径。与课目模型结合，便可完整地获取车辆的位置和路径信息，进行评判。

4 考核过程可视化

程序的调试过程需要可视化，训考过程的实时监控和历史回放也需要可视化。可视化包括两个层次：一是简单可视化，显示车辆与课目的抽象二维几何模型及其相对位置变化，这主要用于程序的开发和调试阶段；二是动态监控，显示车辆的语音视频监控信息，这主要用于训考过程的可视化管理。动态监控可以通过语音视频摄录设备获取，也可以通过动态仿真技术实现。这里介绍简单可视化，动态及仿真监控设计另文备述。

简单可视化涉及的主要技术是坐标变换和计算机图形显示，核心是坐标变换。坐标变换包括以下3个步骤。

(1) 车辆实时位置坐标计算，方法见3.2节，变换矩阵如下：

式中：(X0,Y0)为基准实时坐标，其中基准实时坐标需要由经纬度转化为相对于场地原地的距离，方法见2.2；θ为航向角。

(2) 车辆相对于场地的坐标变换。步骤(1)所得的坐标为相对于地球坐标系的坐标，即y轴方向为正北方向，x轴方向为正东方向。而场地取向是完全随机的，为了在计算机屏幕上看起来直观方便，需要将车辆的实时坐标切换到场地坐标系内。场地坐标系取直角坐标系，若场地二基准点的坐标分别为(0,0)，(X0,Y0)(已经由经纬度切换到长度单位)，车辆某点坐标为(X1,Y1)，则相对于场地的坐标值(X,Y)可由2.2中的投影公式计算。通过这一步骤的坐标变换，观察者在场地的观测角度和计算机屏幕上的显示方向就一致了。

(3) 将车辆相对于场地的坐标转化为计算机屏幕像素坐标。假定屏幕的像素数为(p,q)，某一课目的基准坐标位于屏幕正中央，且坐标值为(X1,Y1)，车辆坐标为(X,Y)，则对应屏幕的像素坐标可由如下公式计算，SX和SY是比例尺因子：

5 结 语

本文详细介绍了基于RTK-北斗定位技术的驾驶员训练考核评判的设计方法。这些技术和方法是RTK-北斗驾驶员训练考核系统设计的核心关键技术，旨在提高部队驾驶员训练的信息化、智能化和自动化水平。

[1] 贺秀良.基于数字化训考场的驾驶员训练考试装置： 0025861.6[P].2006-04-25.

[2] 贺秀良，孙丽，刘洋，等.基于全球卫星定位系统的驾驶考试自动化装置：0509185.5[P]. 2012-09-26.

[3] 王惠南. GPS导航原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[4] 贾小文，贺秀良. CSerialPort类漏洞分析及修正[J]. 军事交通学院学报,2014,16(11):81-85.

[5] 中国卫星导航系统办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件[DB/OL]. (2017-03-15)[2107-03-20].http://www.beidou.gov.cn/filedownload.html,

[6] 中国人民解放军总参谋部.陆军军事训练与考核大纲[M].北京：中国人民解放军总参谋部，2008.

[7] 王利，郑玮. RTKGPS测量中坐标转换参数求解若干方法讨论[J]. 西安工程学院学报,2002,24(1):63-66.

(编辑：史海英)

Design of Training Assessment and Evaluation for RTK-compass Driver

JIA Xiaowen, HE Xiuliang

(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 30016, China)

In order to improve the informatization, automation, and intelligence level of driver training assessment, the paper firstly introduces design methods of training assessment and evaluation based on PTK-compass II location technology, including overall idea of evaluation, digital modeling method and principle of vehicles, subjects, and field, basic ideas of evaluation and programming method, and visual design of assessment process. The test result shows that this method is reliable, fast, and accurate, which can realize the automatic evaluation of vehicle location information efficiently.

real-time kinematic (RTK); compass satellite navigation system; driver training

2016-12-23；

2017-04-15. 作者简介： 贾小文(1983—)，男，博士，讲师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.020

TP274+.2

A

1674-2192(2017)08- 0086- 05

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology