一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统及方法，包括车辆、红外线探测器、RFID标签、车载RFID阅读器、GPS、车辆信号接收装置、车载GPS定位系统、信息解读装置、车辆自动控制系统，其中：红外线探测器分别安装在车辆前端和两侧；RFID标签布置在车辆行驶沿线的位置；车载RFID阅读器设置在车辆上；车辆信号接收装置安装在车辆上，用于接收GPS定位信息；车载GPS定位系统接收GPS定位信息；信息解读装置接收并分析RFID阅读器接收到的信息和GPS定位信息；车辆自动控制系统接收信息解读装置的指令并对车辆进行控制。本发明的GPS和RFID的信息相互补充的定位方法简单且定位精确，通过节油阀控制发动机的进油量来控制车速，方法简单，非常适合无人驾驶车辆的实时定位需求。

说明书

技术领域

本发明属于车辆自动控制技术领域，具体涉及一种基于GPS和RFID的车 辆自动控制系统及方法。

背景技术

矿用机械行业(如矿山机械作业过程中)、公共卫生行业(如垃圾掩埋)、 港口货运以及仓库物流等行业或者工作环境恶劣、粉尘浓厚，或者有害气体浓 度较高，或者机械性重复工作较多，不仅给运输车辆司机带来严重的安全隐患， 而且机械性重复大量的工作也使司机容易疲劳。实现工作中，一方面需要给司 机做好足够的安全防护措施，另一方面在实际作业过程中，例如转弯等情况由 于无法预知，给司机带来很大的安全威胁。同时由于在工作中可能需要司机不 间断的工作，这也给司机的体力带来的巨大压力。再则，在实际工作中由于通 讯不及时，可能需要调度室人员配合各机车司机进行工作，浪费了人力，且整 体工作效率偏低。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距 离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。当GPS卫星正常工 作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电 文。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m； P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。导航 电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等 信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电 文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一 次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文当用户接受到导航电文时， 提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利 用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。这种通过GPS系统即可以 在全球范围内实现全天候、连续、实时的车辆导航定位。

RFID设备工作原理是：当装有无源电子标签的物体在距离0～10米范围 内接近读写器时，读写器受控发出微波查询信号；安装在物体表面的电子标签 收到读写器的查询信号后，将此信号与标签中的数据信息合成一体反射回电子 标签读出装置，反射回的微波合成信号已携带有电子标签数据信息，读写器接 收到电子标签反射回的微波合成信号后，经读写器内部微处理器处理后即可将 电子标签贮存的识别代码等信息分别读取出。

由于矿山机械行业的露天工作特性，信号接收能力较强，且RFID技术现 在已经较为成熟，可以考虑将这两方面的技术应用于矿用车辆的自动控制上。 到目前为止，对于GPS&RFID信息相互补充的车辆自动控制系统尚无相关报 道。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现 上述技术缺陷的基于GPS和RFID的车辆自动控制系统及方法，本发明旨在利 用现有的GPS定位系统以及RFID技术获取车辆在行进过程中的车辆实时位置 信息之后，根据该信息驱动车辆进行自动控制，从而达到车辆在作业情景较恶 劣、作业路况较复杂的环境下无人操作、自动驾驶的目的。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统，包括车辆、红外线探测器、RFID 标签、车载RFID阅读器、GPS、车辆信号接收装置、车载GPS定位系统、信息 解读装置、车辆自动控制系统，其中：

所述红外线探测器分别安装在车辆前端和两侧；

所述RFID标签布置在所述车辆行驶沿线的位置；

所述车载RFID阅读器设置在所述车辆上，用于阅读所述车辆行驶沿线布置 的RFID标签；

所述车辆信号接收装置安装在所述车辆上，用于接收所述GPS的GPS定位 信息；

所述车载GPS定位系统接收所述车辆信号接收装置接收到的GPS定位信息；

所述信息解读装置接收并分析所述RFID阅读器接收到的信息和所述GPS 定位信息；

所述车辆自动控制系统接收所述信息解读装置的指令并对所述车辆进行控 制。

进一步地，所述车辆自动控制系统包括主控单元、数据总线、控制装置和 步进电机，所述主控单元通过所述数据总线将信号传递给所述控制装置，所述 控制装置对所述步进电机进行控制。

进一步地，所述主控单元为ARM9。

一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统的车辆自动控制方法，包括以下 步骤：

步骤一：在车辆行驶路线上布置RFID标签，同时在车辆本身加装车载GPS 定位系统，并在车辆前端布置红外线探测器；

步骤二：将车辆当前要行驶的路径信息以二维网格图的形式输入到主控单 元中，用以确定车辆行驶的范围，进行实际路径地形匹配；

步骤三：通过车载GPS定位系统获得当前车辆的定位信息，用以初次确定 车辆的行驶路径是否偏离原有的二维网格图；

步骤四：启动车载RFID阅读器，获取不同路段的标签信息，将该信息通过 软件转换车辆行驶方式的指令，传给主控单元，以实现车辆的自动控制；

步骤五：打开红外线探测器进行路障探测；

步骤六：主控单元通过获得的GPS信息、RFID信息以及红外线探测器信息 对车辆进行控制，驱动车辆行驶并进行避障操作，直至车辆到达目的地。

进一步地，所述步骤六中的避障操作方法如下：

1)当红外线探测器探测到道路上有障碍物时，则启动避障程序，判断当前 障碍物的大小来确定是否要避障；

2)如果前方道路的障碍物仅处于车辆一侧或目标较小时，则车辆在不影响 前进的前提下可以向另一侧做±45。角度行走且启动车辆两侧的红外线探测 器，在红外线探测器和RFID、GPS导航信息的指引下行进；

3)如果前方障碍物太大，位于车辆前方的红外线探测器均可以探测到该障 碍物时，说明障碍物完全挡住了车辆的行进道路，此时车辆在有限宽度的路上 无法行进，则主控单元发出停车制动命令，且车辆停止前进，另外寻找其他道 路；

4)如果RFID信息读到终点信息，说明车辆处于终点，此时主控单元发出 停车制动指令，停止车辆运行，否则车辆将继续行走，继续扫描下一个RFID 标签。

进一步地，所述二维网格图的使用方法包括：

1)将已有路径信息存入主控单元中，用以确定车辆行驶路径所在的范围；

2)将二维网格图信息作为车辆在行驶过程中的基准进行路径匹配，当行驶 的路径严重偏离该路径信息时，则系统发出报警并作停车制动处理。

进一步地，车辆前端红外线探测器的布置以及使用方法包括：

1)在车辆的前端布置5～7个红外线探测器，用以探测在正前方安全距离 上是否有障碍物以及障碍物和车辆的实际距离；

2)在车辆两侧各布置一个红外线探测器，用以确保车辆在通过狭窄道路时， 留有足够的安全距离。

进一步地，所述车载GPS定位系统的定位方法包括：

1)通过车载GPS定位系统获取当前车辆的位置，同二维网格图进行匹配， 当误差不超过2米时，则认为是正确的行进路线，主控单元发出行驶命令，车 辆行驶；

2)在行驶过程中，车载GPS定位系统不断获取当前车辆的坐标信息，对车 辆的行进路线进行校正。

进一步地，所述RFID标签的使用方法包括：

1)在车辆行进沿线布置RFID标签，该RFID标签用以记录实施的路况信息 以及车辆的操作指令，该信息由车载RFID阅读器进行读取；

2)通过GPS定位系统，确定每个RFID标签的大致位置，当车辆扫描该区 域后若没有获得RFID信息，则车辆停止继续前进。

进一步地，车载GPS定位系统所获得的某点的坐标与在二维网格图中的该 点的坐标之间的误差计算方法为：将RFID中标记的当前地点的精确位置记为 (X_n，Y_n)，将上一个RFID的精确位置标记为(X_p，Y_p)，其相对差值记为(X_o，Y_o)，通 过GPS导航行进到当前位置时，所获得的坐标记为(X_α，Y_α)，其相对误差记为 δ，按如下公式计算：

X_o＝|X_p-X_n|，Y_o＝|Y_p-Y_n|，

${\theta }_0=\sqrt{X_o^2+Y_o^2},$

${\theta }_{\alpha }=\sqrt{{(X_o-X_{\alpha })}^2+{(Y_o-Y_{\alpha })}^2},$

$\delta =\frac{{\theta }_{\alpha }}{{\theta }_o},$

当δ＜0.1‰时则认为该相对误差是允许的误差范围。

本发明提供的基于GPS和RFID的车辆自动控制系统及方法，能满足矿山 以及垃圾掩埋等危险或者有毒环境中的运输作业要求，避免了因为作业环境恶 劣而对人体造成的损伤；通过GPS以及RFID的信息相互补充的定位方法，定 位方法简单且定位精确，满足在山地等恶劣工作环境下的定位要求；通过节油 阀控制发动机的进油量来控制车速，方法简单且易于实现；同时伺服电机控制 刹车，原理简单且控制精确；运算速度快，非常适合无人驾驶车辆的实时定位 需求。本发明针对性较强，具有普适性，且方法实现简单，具有很高的可行性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为车辆自动控制系统的结构框图；

图3为RFID定位信息以及GPS定位信息的相互补充方法示意图；

图4为信息在整个自动控制系统中的流向的流程示意图；

图5为二维网格图的基本样式示意图；

图6为误差计算原理示意图；

图7为车辆自动控制过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统，包括车辆、红 外线探测器、RFID标签、车载RFID阅读器、GPS(Global Positioning System 的缩写，即全球定位系统)、车辆信号接收装置、车载GPS定位系统、信息解 读装置、车辆自动控制系统，其中：所述红外线探测器分别安装在车辆前端和 两侧，用于探测在车辆前方和两侧的安全距离附近是否存在障碍物；所述RFID 标签布置在所述车辆行驶沿线的位置；所述车载RFID阅读器设置在所述车辆 上，用于阅读所述车辆行驶沿线布置的RFID标签；所述车辆信号接收装置安 装在所述车辆上，用于接收所述GPS的GPS定位信息；所述车载GPS定位系 统接收所述车辆信号接收装置接收到的GPS定位信息；所述信息解读装置接收 并分析所述RFID阅读器接收到的信息和所述GPS定位信息；所述车辆自动控 制系统接收所述信息解读装置的指令并对所述车辆进行控制。所述主控单元为 ARM9。

如图2所示，所述车辆自动控制系统包括主控单元、数据总线、控制装置 和步进电机，所述主控单元通过所述数据总线将信号传递给所述控制装置，所 述控制装置对所述步进电机进行控制。

本发明是利用嵌入式系统以及控制电机为核心以及计算机技术为技术载体 的油路自动控制系统。该系统以ARM9为主控单元，还包括步进电机、数据总线 和相应的控制装置，以及控制软件及相关算法构成。该系统的实质是对以内燃 机为动力源的机动车辆的燃油量进行控制，从而达到对车辆行进速度的控制。

主控单元的工作原理为：以ARM9作为该系统的主控单元，完全满足该系 统的要求，不仅拥有更高时钟频率的内核，同时也大幅提高了其运算速度。这 在实际使用中，获得包括二维网格图、GPS定位信息、RFID标签信息以及红 外探测器的信息之后，其处理信息的能力游刃有余。当获得信息后，主控单元 将控制节油阀提供给发动机的供油量，当出现紧急状况时，主控单元将主动发 出节油指令同时发出刹车指令，并采取紧急制动措施，以实现车辆的急停。将 ARM9置于车辆的前端或内部，通过ARM9中的通讯模块接收到车辆的控制信息， 之后将接受的型号进行处理之后成为可读的路径信息，并且将该信息通过数据 总线传给相应的控制装置实现对供油量的控制。

通过对发动机的油路进行控制实现对发动机输出的动力进行控制。控制装 置通过步进电机对输油阀进行实时控制，当需要车辆提高速度时，增多对发动 机的供油量，发动机动力输出加大，当车辆减速时，限制发动机的供油量，保 证发动机处于低速行驶。

在通过ARM9对步进电机进行控制的时候，当车辆接收到的信号是以某一速 度前进时，控制装置即向步进电机发送信号，步进电机通过对输油阀的控制实 现对发动机的供油量的限制，以此方式控制发动机的输出动力，最终达到控制 车辆行车速度的目的。

步进电机在接收到驱动指令以后，通过输出扭矩对输油阀门进行控制，车 速不同，输出的扭矩也不同，对输油量的限制也不相同，最终发动机的动力输 出也不同。当控制装置接收到的是停车制动的命令消息时，控制装置通过步进 电机对车辆制动系统进行制动。

车辆前端红外线探测器的布置以及使用方法如下：

1)在车辆的前端布置5～7个红外线探测器，用以探测在正前方安全距离 上是否有障碍物以及障碍物和车辆的实际距离；

2)在车辆两侧各布置一个红外线探测器，用以确保车辆在通过狭窄道路时， 留有足够的安全距离。

车载GPS定位系统的定位方式如下：

1)通过车载GPS系统获取当前车辆的位置，同上文步骤一所述的二维网 格图进行匹配，当误差不超过2米时，则认为是正确的行进路线，主控单元发 出行驶命令，车辆行驶；

2)在行驶过程中，车载GPS定位系统不断获取当前车辆的坐标信息，为 车辆的行进路线进行校正。

RFID标签的使用方法如下：

1)在车辆行进沿线布置无源RFID标签，该无源RFID标签用以记录实施 的路况信息以及车辆的操作指令，该信息由车载RFID阅读器进行读取；

2)通过GPS定位系统，确定每个无源RFID标签的大致位置，当车辆扫 描该区域后若没有获得RFID信息，则车辆停止继续前进。

图3为RFID定位信息以及GPS定位信息的相互补充方法示意图。该信息 将作为车辆自动控制的关键信息，其具体的实现步骤如下所示：

实时获取GPS定位信息以及扫描RFID标签的信息，如果满足要求，则将 该传入主控单元，进行预处理；

在预处理环节，首先将所得信息通过预处理算法编译成机代码，通过卡尔 曼滤波算法将所得信息进行解算。对车辆的行进路线进行预测，同时将预测结 果与RFID中的真值信息进行比较，并将其信息进行相互补充求解，得出当前 位置以及行进路线最优解，最终将计算后的信息以指令的形式传递出来送给控 制模块，驱动车辆的动作。

如图4所示为信息在整个自动控制系统中的流向的流程示意图，展示了信 息在整个自动控制系统中的流向以及在车辆控制中所起到的作用。通过GPS以 及RFID的定位信息相互补充，满足车辆实施行走的定位需求。主控单元将按 照无源RFID标签中包含的指令行进。信息在整个自动控制系统中流动的具体 过程如下：

车辆进入到工作环境之后，通过读取GPS定位信息对二维网格图进行匹 配，如果正确则发出前进指令，车辆开始前进。在前进的过程中如果GPS定位 信息不符合二维网格图信息，则车辆重新进入工作区域并重复上述以上过程。

打开RFID阅读器进行扫描，当没有获得RFID信息时，通过GPS以及二 维网格图进行匹配，并再一次将GPS定位信息作为初始信息，之后打开RFID 阅读器重复上述过程。如果获取到了RFID标签信息，则将RFID信息与GPS 定位信息进行融合。

如图5所示为二维网格图的基本样式示意图，二维网格图的使用方法如下 所示：

1)将已有路径信息存入作为控制装置主机的ARM9中，用以确定车辆行 驶路径所在的范围；

2)将二维网格图信息作为车辆在行驶过程中的基准进行路径匹配，当行驶 的路径严重偏离该路径信息时，则系统发出报警并作停车制动处理。

表1为RFID信息的标签中所包含的字段名，该信息标记的内容为当前 RFID标签的位置到下一个RFID标签的位置之间的路段路况信息。当车辆扫描 到当前RFID所标记的信息以后即传递给主控单元，主控单元在进行解算之后 将以指令的形式传递给控制装置，以供车辆的下一个动作。RFID字段信息具 体含义如下：

终止点信息表示该点是否为终止点，英文字段名是startEnd，用三个值表 示“-1”表示起点，“0”表示行进路线上的点，“1”表示终止点；

X坐标、Y坐标、Z坐标的坐标点表示该RFID标签的三维位置坐标。其 英文字段名分别是xCoordNumber、yCoordNumber、zCoordNumber，其中X，Y 坐标表示的是该位置在整个作业环境下所处位置，Z坐标表示该点的实际海拔 高度；

角度是指车辆在行进路线过程中以车辆行驶的方向为起始位置，英文字段 名为angleNumber，且向左为“+”，向右为“-”，如例中A＝+90表示向左转90°；

坡度是指在当前RFID标签所处的位置到下一个RFFID所处的标签为止这 段路上相对于当前位置的坡度，英文字段名为slopeNumber。其中“+”表示上 坡，“-”表示下坡；

速度以及距离是指当前位置到下一个位置控制主机应该赋予车辆的速度以 及当前位置到下一个位置的距离。且其英文字段名为velocityNumber， distanceNumber。

表1 RFID字段信息具体含义及对应数据

二维网格图以网格形式给出，同时网格划分在1米以内，网格是在平整路 面上实现的，且其网格划分范围较大，且以百米外单位进行网格划分。具体的 使用以及实现步骤如下所示：

在二维网格途中规划了车辆的入口地点以及出口地点，以及在二维图中设 计若干关键点，该点视具体情况而定并且记录关键点的作为坐标；

其中无源RFID标签在黑色圆点等关键位置处设置，黑色路径为车辆的行 驶路径；

当车辆获得GPS信号以后在A点处的坐标和二维网格图中A点的坐标相 吻合或者在允许的误差范围内时，则车辆开启RFID并且开始向前行进，其中 误差范围在0.1‰以内系统均可以接收；

如图6所示，其误差计算方法为：

在计算过程中设RFID中标记的当前地点精确位置记为(X_n，Y_n)，上一个 RFID的精确位置为(X_p，Y_p)，其相对差值为(X_o，Y_o)。通过GPS导航行进到当前 位置时，所获得的坐标为(X_α，Y_α)，其相对误差为δ。按如下公式计算：

X_o＝|X_p-X_n|，Y_o＝|Y_p-Y_n|

${\theta }_0=\sqrt{X_o^2+Y_o^2}$

${\theta }_{\alpha }=\sqrt{{(X_o-X_{\alpha })}^2+{(Y_o-Y_{\alpha })}^2}$

$\delta =\frac{{\theta }_{\alpha }}{{\theta }_o}$

当δ＜0.1‰时则认为该相对误差是允许的误差范围。

在计算过程中，每一组相对差值都是以上一个节点为坐标原点，进行计算， 避免因为统一的坐标原点带来更大的误差。

在计算过程中，如果进入RFID区域，且RFID信息已经被识别到了，则 开始计算误差值，当到达允许的误差范围，即可以执行该RFID信息。

当车辆由RFID标记的精确位置进入到下一个区域O之后，其进入到以O 为圆心OB为半径的圆内，当OB相对于OA的距离在0.1‰以内，则认为以O 为圆心OB为半径的圆内是有效区域，即使车辆处于C点的位置处，依然认为 是有效的。当车辆接收到停止命令后即进行刹车制动，完成自动控制驾驶的行 走过程。

如图7所示的流程图，一种基于GPS和RFID的车辆自动控制系统的车辆 自动控制方法，包括以下步骤：

在车辆行驶路线上布置RFID标签，同时在车辆本身加装车载GPS定位系 统，将车辆当前要行驶的路径信息以二维网格图的形式输入到ARM9中，用以 确定车辆行驶的范围，并进行实际路径地形匹配；

在车辆前端布置红外线探测器，用以探测在车辆前的安全距离附近是否有 存在障碍物；当车辆正确获得实时定位信息之后，主控单元驱动车辆开始前进， 同时打开红外线探测器进行路障探测，如果前方没有障碍物，则车辆按照正常 路线行进，同时检查终点信号，在未检查到终点信号的情况下，主控单元继续 驱动车辆行进，重复上述步骤，直到到达终点；当在行进路线上红外线探测器 探测到道路前方有障碍物时，则启动避障红外探测器，启动避障程序；

启动避障程序后，判断当前障碍物的大小来确定是否要避障，一般启动避 障程序的情况是前方障碍物不足以使车辆正常通过。具体如下：

如果前方道路的障碍物仅处于车辆一侧或则目标较小时，则车辆在不影响 前进的前提下可以向另一侧做±45°角度行走且启动两侧的避障红外探测器， 如果车辆侧隙不足以通过时则转入下一步骤，如果侧隙足够，允许车辆通过时， 则车辆进行避障，且依然以RFID&GPS信息为指导。

如果前方障碍物太大，位于车辆前方的探测器均可以探测到该障碍物时， 说明前方障碍物完全挡住了车辆的行进道路，此时车辆在有限宽度的路上无法 行进，则主控单元发出停车制动命令，且车辆停止前进，另外寻找其他道路。

如果RFID信息在读到srartEnd字段的值是1时，说明车辆处于终点，此 时主控单元发出停车制动指令，停止车辆运行，否则车辆将继续行走，继续扫 描下一个RFID标签。

在整个行进路线中，当车辆检测到startEnd字段为-1时，记为车辆的开始 位置，当检测到startEnd字段为1时，记为车辆的结束位置。这样既保证了车 辆的运行路线，又为车辆的自动驾驶提供了线路依据；

通过车载GPS定位系统获得当前车辆的位置，用以初次确定车辆的行驶路 径是否偏离原有的二维网格图；

在车辆行驶沿线关键位置处布置RFID标签，用以标记关键点位置的路况 信息以及驱动车辆的行驶方式；

启动车载RFID阅读器，获取不同路段的标签信息，将该信息通过软件转 换车辆行驶方式的指令，传给ARM9，以实现车辆的自动控制；

ARM9进入“服务模式”，通过获得的GPS信息以及RFID信息对车辆进 行控制，保证车辆的运行，直到车辆到达目的地。

本发明提供的基于GPS和RFID的车辆自动控制系统及方法，能满足矿山 以及垃圾掩埋等危险或者有毒环境中的运输作业要求，避免了因为作业环境恶 劣而对人体造成的损伤；通过GPS以及RFID的信息相互补充的定位方法，定 位方法简单且定位精确，满足在山地等恶劣工作环境下的定位要求；通过节油 阀控制发动机的进油量来控制车速，方法简单且易于实现；同时伺服电机控制 刹车，原理简单且控制精确；运算速度快，非常适合无人驾驶车辆的实时定位 需求。本发明针对性较强，具有普适性，且方法实现简单，具有很高的可行性。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权 利要求为准。