RTK-北斗驾驶员训练考核评判设计

第19卷第8期2017年8月
军事交通学院学报
Journal of Military Transportation University
Vol. 19 No. 8
August 2017
參基础科学与技术Basic Science & Technology
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)
摘要：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。

关键词：载波相位差分（RTK);北斗卫星导航系统；驾驶员培训
DOI：10.16807/ki.12-1372/e.2017.08.020
中图分类号:TP274 +.2 文献标志码：A文章编号=1674-2192(2017)08- 0086- 05
Design of Training Assessment and Evaluation for RTK-compass Driver
JIA Xiaowen, HE Xiuliang
(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 30016, China)
Abstract ：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.
Keywords：real-time kinematic (RTK) ；compass satellite navigation system；driver training
卫星导航系统中，基于载波相位差分（real­time 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- G PS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 B II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G PS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R TK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<。

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。

收稿日期=2016-12-23 ;修回日期=2017-04-15.作者简介:贾小文（1983—），男，博士，讲师.
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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地段米取措施（减速），停车后车与标杆横向 距离不少于〇.8 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，R TK-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％轴，取％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
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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。

R TK-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|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A0，对应的距离为二者之间的关系为
=f(A d)
根据泰勒展开公式得
Ax ^f(0)A0 + Y/(e)Ad2+ -
对于一块只有几百米见方的训练场地来说，A沒是非常小的，因此可以忽略二阶以上的项，只保 留一次项，即
=/ (6) A.6
设= / (沒），则Ax = 〇沒。

同理，Ay = A la tA^^为纬度&l a t可以通过实验的方法测 量出来。

在开阔平地绘制3个点仏、仏和(这3点 不共线），并精确测定^和仏、^和仏之间的距离^ = I仏(?2I、L2 = I仏仏1(如图3所示）。

图3经纬度与长度换算因子
利用RTK -北斗测量仏、仏及仏的经纬度坐标值，分别为（仏，^1 )、（02，^2 )、（A，^3 )，于是 得到下面的方程：
I-〇i)2 + (^1 -^2)2 -
i ki n(〇l -O3)2+kL(<Pl -<P3)2=Ll
解上面的方程就可以得到^^和^^ 一般而 言，场地不同，A：lc m和A：lat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d
计算各关键点坐标值可以采用投影法，设基 准点1坐标为（〇,〇)，基准点2坐标为（A，y〇)，模 型各关键点坐标为（A，K)，其中所有坐标值都是 利用‘和I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(Z，F)可利用如下公式 计算：
X=(X1X0+Y l Y0)/^X20+Y20
Y=(-X J^Y J^/^X l+ Yl
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XM L来存储模型信息。

XM L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、^和k等;③模型不变数 据信息，如各关键点位置坐标a
记录模型数据的XM L文本文件作为评判程序 的输人文件，由专门的建模工具自动生成B
3考核评判过程
在模型建互以后，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0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 结果是否为〇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:两线段有一个交点（交点非端点）；重合（部分）；
一
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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：
r cos 0 sin 〇 X 0 ^
R - - sin 〇 cos 0 Y q
v
0 〇 1 v
式中：（忍，K )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 为航向角。

(2)
车辆相对于场地的坐标变换。

步骤（
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，*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（〇，〇)，（XQ ，F Q)(已经由经纬度切 换到长度单位），车辆某点坐标为（4，：^)，则相对
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于场地的坐标值（Z，r)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,9)，某一 课目的基准坐标位于屏幕正中央，且坐标值为(11，71)，车辆坐标为（1，1〇，则对应屏幕的像素 坐标可由如下公式计算，S Z和S F是比例尺因子：
十
-i-
'2¥y~y^
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。

参考文献：
[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:〇5〇9185.5 [P].2012-09-26.
[ 3 ]王惠南.G P S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[〇6/01^‘（2017~03-15)[2107-03-20]‘1^-
tp：//w w w. beidou. gov. cn/filedownload. htm l,
[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[】].西安工程学院学报,2002,24(1):63-66.
(编辑:史海英）
(上接第85页）
方之间来回交替移动，直至浸泡时间达到149天
后，交点定格在左上方，保持稳定，说明金属漆涂
层有较强的自修复能力，具有很好的防护性能。

通过上述实例验证可以发现，Bode图交点的
位置可以形象地反映浸泡过程中腐蚀的变化规
律，说明Bode图交点法可以用来对涂层的防护性
能进行评价，具有现实意义。

4结论
(1) 在全浸泡状态下，军绿有机涂层防腐能力 很好，具有很强的抗腐蚀渗透能力，而金属漆涂层
抗腐蚀介质渗透的能力稍差，但是由于其具有自
修复能力，所以在抗腐蚀方面表现也十分优秀。

(2) 本文提出的B ode图交点法，可以反映涂 层的腐蚀规律和状态，并可作为一种评价涂层防
护性能的方法。

参考文献：问题的探讨[J].兵器材料科学与工程,2016(3) :131-134.
[ 2 ]孙迎久，张多旺.军用车辆在南海地区的腐蚀与防护[J].汽
车运用，2015(9) :23-23.
[ 3 ]孙波，徐安桃,张振楠，等.基于E IS特征参数的有机涂层腐
蚀行为研究[J].军事交通学院学报,2016,18 (9) : 89-94.
[ 4 ] LUO B, XU A, LIANG Y, et al. Evaluation on protective per­
formance of organic coatings by analyzing the change rate of
phase angle at high frequency [ J] . International Journal of Elec­
trochemical Science, 2012, 7(9)：8859-8868.
[5]罗兵，徐安桃，靳福，等.基于E IS阻抗模值变化率快速评价
有机复合涂层防护性能研究[J].军事交通学院学报，2013，
15(5) ：80-83,
[ 6 ]曾佳俊•基于加速腐蚀及E IS的防护层保护性能快速评价
方法研究[D].武汉:机械科学研究总院，2015.
[7 ] MORETO J A, MARINO C E B, BOSE FILHO W W, et al.
SVET，SKP and EIS study of the corrosion behaviour of high
strength A l and A l -L i alloys used in aircraft fabrication [ J ].
Corrosion Science ,2014,84 (84) ：30-41.
(编辑:史海英）[1]刘国孝，刘国忠，方晓祖，等.常规兵器在热带海岛地区腐蚀。