行車動態資料記錄系統之開發與應用

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大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

行車動態資料記錄系統之開發與應用

The Development and Application of

dynamic data Recording System

研 究 生:陳 炫 宏

指導教授:曾 慶 祺 博 士

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行車動態資料記錄系統之開發與應用

The Development and Application of dynamic data

Recording System

研 究 生:陳炫宏 Student:Hsuan Hung Chen

指導教授:曾慶祺 博士 Advisor:Dr.Ching Chi Tseng

大華科技大學 機電工程研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Institute of Electro-Mechanical Engineering Ta Hwa Institute of Technology

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Science in

Electro-Mechanical Engineering July 2014

Hsinchu, Taiwan, Republic of China.

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摘要

摘要

摘要

摘要

本研究應用 GPS 全球衛星定位技術與加速規、陀螺儀發展出一套 行車動態資料記錄系統。以透過 GPS 定位的方式將行車座標與時間進 行記錄,而後由系統將座標資料轉換與運算,進而分析並提供行車軌 跡、距離以及速度等應用之需。而車輛行駛的動態狀況,如車輛行駛 時的穩定性以及轉向角度、角速度等,則使用加速規與陀螺儀同時記 錄,將車輛行駛的動態數據進行量化,進而彙整相關的行車資訊,以 做為車輛行駛狀況的監控與車輛性能的測試之用,並以期能得知駕駛 人的行車狀態與習慣等資訊,以期改善駕駛人的開車習慣,促使行車 環境安全的提升,進而減少事故的發生。

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目錄

目錄

目錄

目錄

摘要...Ⅳ 目錄...Ⅴ 表目錄...Ⅷ 圖目錄...Ⅸ 第一章 緒論...1 1.1 研究動機...2 1.2 研究目的...3 1.3 文獻探討...5 第二章 技術原理及方法...8 2.1 全球衛星定位系統...8 2.1.1 GPS 發展沿革...8 2.1.2 GPS 系統介紹...9 2.1.3 GPS 定位資料格式...13 2.1.4 GPS 定位座標系統...14 2.2 地理資訊系統...17 2.2.1 GIS 在國內的發展...18 2.2.2 Google Earth 軟體系統...19 2.3 加速規原理...20 2.3.1 微機電加速規介紹...20 2.3.2 加速規種類介紹...21 2.4 陀螺儀原理...24 2.4.1 陀螺儀種類介紹...25 2.5 圖控軟體...28 2.5.1 LabVIEW 的特點...28

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2.5.2 LabVIEW 的圖形化介面...29 第三章 行車資料記錄系統開發與測試...31 3.1 感測器模組...32 3.1.1 感測器模組規格...32 3.2 感測器模組測試...36 3.2.1 MTK 高精度 GPS 模組測試...36 3.2.2 EPSON 車規陀螺儀模組測試...38 3.2.3 ST 三軸陀螺儀模組測試...40 3.2.4 ADI High G 三軸加速規模組測試...42 3.3 系統軟體介面開發...44 3.3.1 軟體主畫面...44 3.3.2 設定與量測介面架構...45 3.3.3 報表介面架構...53 3.4 系統運作功能測試...59 3.4.1 行車測試說明...59 3.4.2 測試路段...60 3.4.3 分析項目...62 第四章 測試結果...63 4.1 平面道路測試結果...64 4.2 高速公路測試結果...69 4.3 平面道路與高速公路混合路段測試結果...74 4.4 多軸向綜合測試結果分析...79 第五章 結論與建議...83 5.1 結論...83 5.2 建議...84

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表目錄

目錄

目錄

目錄

表 2.1 GLONASS 與 GPS 衛星系統比較...12 表 2.2 NMEA-0183 標準資料格式...13 表 2.3 WGS-84 系統參數值...15 表 2.4 各種類加速規比較...23 表 4.5 平面道路路段各物理量數據...68 表 4.6 高速公路路段各物理量數據...73 表 4.7 平面道路與高速公路混合路段各物理量數據...78

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圖目

圖目

圖目

圖目錄

圖 1.1 研究流程圖...4 圖 2.1 NAVSTAR GPS 衛星分布...10 圖 2.2 GLONASS 衛星分布...11 圖 2.3 橢圓座標系統示意圖...14 圖 2.4 GIS 整合示意圖...17 圖 2.5 Google Earth 軟體主畫面...19 圖 2.6 電容式加速規原理示意圖...21 圖 2.7 壓阻式加速規原理示意圖...22 圖 2.8 壓電式加速規原理示意圖...22 圖 2.9 機械式陀螺儀原理示意圖...25 圖 2.10 光纖式陀螺儀原理示意圖...26 圖 2.11 微機電陀螺儀原理示意圖...27 圖 2.12 LabVIEW 的人機介面與程式方塊圖...30 圖 3.1 感測器模組平台...32 圖 3.2 GPS 模組...33 圖 3.3 車規陀螺儀模組...34 圖 3.4 三軸陀螺儀模組...34 圖 3.5 三軸加速規模組...35 圖 3.6 GPS 模組平台...36 圖 3.7 GPS 模組平台 ComPort 設定...37 圖 3.8 GPS 測試軟體...37 圖 3.9 車規陀螺儀模組平台...38 圖 3.10 車規陀螺儀模組平台 ComPort 設定...38 圖 3.11 車規陀螺儀測試軟體...39

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圖 3.12 車規陀螺儀模組平台方向配置...39 圖 3.13 三軸陀螺儀模組平台...40 圖 3.14 三軸陀螺儀模組平台 ComPort 設定...40 圖 3.15 三軸陀螺儀測試軟體...41 圖 3.16 三軸陀螺儀模組平台方向配置...41 圖 3.17 三軸加速規模組平台...42 圖 3.18 三軸加速規模組平台 ComPort 設定...42 圖 3.19 三軸加速規測試軟體...43 圖 3.20 三軸加速規模組平台方向配置...43 圖 3.21 軟體主畫面...45 圖 3.22 量測介面(未連線) ...46 圖 3.23 RS-232 設定程式碼...47 圖 3.24 資料儲存程式碼...47 圖 3.25 量測介面(連線中) ...48 圖 3.26 量測介面主架構程式碼...49 圖 3.27 GPS 與車規陀螺儀主程式碼...49 圖 3.28 GPS 解碼用子程式碼...50 圖 3.29 車規陀螺儀解碼用子程式碼...51 圖 3.30 三軸加速規與三軸陀螺儀主程式碼...51 圖 3.31 三軸加速規解碼用子程式碼...52 圖 3.32 三軸陀螺儀解碼用子程式碼...53 圖 3.33 報表介面...54 圖 3.34 執行行車軌跡運算...55 圖 3.35 報表介面程式碼...55 圖 3.36 報表檔案選擇程式碼...56

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圖 3.37 量測資料通道選擇程式碼...56 圖 3.38 執行記錄資料用程式碼...57 圖 3.39 GPS 原始檔案轉換 KML 檔案用程式碼...58 圖 3.40 GPS 座標資料匯入 Google Earth 用程式碼...58 圖 3.41 行車測試流程圖...59 圖 3.42 車載暨姿態感測系統模組專用治具...60 圖 4.1 GoogleEarth GPS 軌跡...63 圖 4.2 平面道路路段 GPS 行車軌跡...64 圖 4.3 平面道路路段車規陀螺儀測試數據...65 圖 4.4 平面道路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據...66 圖 4.5 平面道路路段三軸陀螺儀 Z 軸數據...66 圖 4.6 平面道路路段三軸加速規 Y 軸數據...67 圖 4.7 平面道路路段三軸加速規 Z 軸數據...67 圖 4.8 高速公路路段 GPS 行車軌跡...69 圖 4.9 高速公路路段車規陀螺儀測試數據...70 圖 4.10 高速公路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據...71 圖 4.11 高速公路路段三軸陀螺儀 Z 軸數據...71 圖 4.12 高速公路路段三軸加速規 Y 軸數據...72 圖 4.13 高速公路路段三軸加速規 Z 軸數據...72 圖 4.14 平面道路與高速公路混合路段 GPS 行車軌跡...74 圖 4.15 平面道路與高速公路混合路段車規陀螺儀測試數據...75 圖 4.16 平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀 Y 軸數據...76 圖 4.17 平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀 Z 軸數據...76 圖 4.18 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Y 軸數據...77 圖 4.19 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Z 軸數據...78

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圖 4.20 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Y 軸向與 Z 軸向數 據...79 圖 4.21 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Z 軸向與三軸陀螺 儀 Y 軸向數據...80 圖 4.22 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Y 軸向與陀螺儀 Y 軸向數據...81 圖 4.23 平面道路與高速公路混合路段車規陀螺儀與三軸陀螺儀 Z 軸 數據...82

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第一章

一章

一章

一章

緒論

緒論

緒論

緒論

隨著目前科技的日新月異以及蓬勃的發展,全球衛星定位系統 (Global positioning system , 簡 稱 為 GPS) 以 及 地 理 資 訊 系 統 (Geographic information system,簡稱為 GIS)等因網路雲端伺服 器地圖資料的建置也已逐漸完備,由於 GPS 導航系統的定位精度越來 越高,使用 GPS 裝置來做為行駛各種交通工具的導航用途也越來越廣 泛,加速規與陀螺儀則拜半導體製程的快速發展所賜,從最傳統的機 械式結構到目前的微機電(MEMS)結構,體積已大幅度的縮小,使用的 便利性也更高,而本研究即利用 GPS、加速規、陀螺儀與軟體的整合 組成車輛行駛資料記錄系統,用以記錄車輛行駛時的行車動態狀況與 行車軌跡。

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1.1

1.1

1.1

1.1 研究動機

研究動機

研究動機

研究動機

以目前國內一般的駕駛型態來說,大部分的駕駛人都會加裝消費 型車用導航裝置,來避免走錯路或是較能掌握快速便捷的行駛路程, 以求花較少的時間來到達目的地,而一般的消費型導航裝置大多都不 具備資料記錄的功能,所以駕駛人往往無法在到達目的地後得知車輛 的行車軌跡及其狀況。 此外由於國內一般的道路狀況不若歐美等已開發之先進國家那 樣的良好,駕駛人的疲勞若再加上較差的駕駛環境,便增加了車輛事 故的發生率,例如飛機失事後可以找尋飛機上的飛航資料記錄器,一 般俗稱為黑盒子,而經由黑盒子的資料記錄可以來研判與釐清飛航事 故發生的原因,是人為的因素還是機械故障等因素,調查人員可以藉 由黑盒子中記錄的飛航資料來還原飛機失事的經過,拼湊出失事的原 因進而來改善飛航的安全性,而對於許多行車事故在發生後都缺乏車 輛的行車狀態資訊,只能以駕駛人或是目擊者的記憶來口述事發經過 與情況,現雖有行車紀錄器的影像作為輔助,但對於車輛行駛時的各 項動態特性仍然無法了解。藉由本研究開發的行車動態資料記錄系統 可記錄下車輛的行駛軌跡、道路的狀況、以及其他行車時的相關因子, 以了解一般無法獲得的行車資訊是否會進一步影響駕駛之動態穩定 性,進而協助釐清事故發生的原因。另一方面,對於車輛製造與販售 的廠商,在展示新款車輛時,往往只能以形容的方式來訴說車輛的性 能優劣,實難讓消費者真正了解車款間的的差異性,然而若能針對不 同車款進行相同之行車實測,藉由本研究所實測之車輛動態資料,便 能讓車輛的性能與穩定性有量化的數據,除了讓消費者能夠真正了解 車輛的差異性之外,也可提供車輛開發測試人員作為比較的依據或調 校的參考。

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1.2

1.2

1.2

1.2 研究目的

研究目的

研究目的

研究目的

基於上述的研究動機,本研究之目的在於開發一套車輛行駛動態 資料記錄系統,藉由 GPS 感測器、加速規與陀螺儀做為基本的系統架 構,再透過分析軟體的撰寫進而加以整合成一套完整的行車資料記錄 系統,研究流程如圖 1.1。 本研究主要的目標資料可分為以下二點: 1.以 GPS 提供的定位資訊來記錄車輛行駛的軌跡資料,再藉由 Google Map 的地理資訊系統還原出人員可辨識的行車軌跡, 藉以掌握車輛的行駛里程數與行駛路線。 2.以加速規與陀螺儀的感測資料記錄車輛行駛時的加速度變化, 車輛的震動與轉向的角度來得知車輛在不同路段行駛時的穩 定性,進而了解車輛行駛時的動態穩定性對駕駛人的影響與 車輛性能的優劣。

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圖 1.1 研究流程圖

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1.3

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1.3

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文獻探討

文獻探討

文獻探討

文獻探討

隨著台灣邁向已開發國家的行列,道路上各式的交通工具也越來 越多,而行車事故的發生率也越來越高,大部分對於探討與研究行車 事故的預防與發生原因,大多都是透過行車資料記錄系統的建置來加 以得知駕駛人員與車輛的動態狀況進而推論降低行車事故發生率的 方法與事故發生的原因,例如疲勞駕駛、車輛機械故障與不良的駕駛 方式等原因。而大多數的研究人員對於行車資料記錄系統的建置大多 都是使用單一的紀錄裝置做獨立的資料記錄,事後再統一彙整起來做 後端的資料處理,並無法得知各項紀錄資料的相對發生時間與相互關 聯性,如沿用公車或客運上原有的圓盤圖式機械記錄裝置,或是利用 智慧型手機開發的 APP 與部分的數位式記錄器只能記錄車速、機械狀 況等車輛的基本資訊,另外也有研究者只記錄 GPS 的座標資料來做單 一車輛動態分析,以下將表列本文所探討之文獻內容。 蔡永祥[1]運用 SPSS 集群分析方法將駕駛人員以下列 8 項基準指 標來做為駕駛肇事的危險因子級向對危險的程度,因為人員對車輛的 不當操作而產生的肇事風險提出來做分析,進一步的歸納出較高的肇 事風險因素是由人為因素、機械故障因素或是道路狀況不佳等因素的 影響所導致,並以期能使用比較科學的角度來分析與增進道路交通的 安全。 1.重度急煞車 2.打左轉方向燈 3.冷卻水溫過高 4.引擎轉速過大 5.中度急煞車 6.中速度轉彎未減速

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7.第七檔檔位錯誤 8.電磁煞車作動 楊淑娟[2]以數位式行車紀錄器將客運公司的駕駛資料記錄下來, 包含駕駛人員工時、趟次、里程數等出勤統計、超速、急加速、猛踩 煞車等不當的駕駛行為,再將記錄下來的資料使用後端的統計分析軟 體來做 SAS 系統相斥式集群分析,以了解駕駛人的不當駕駛行為對乘 客所帶來的危害性,並給予客運公司之管理部門未來設定監控門檻之 參考,作為管理車隊的有效方法與駕駛人績效考核改善等之依據,期 望能導正不良的駕駛行為。 陳國彰[3]開發了以數位式行車紀錄器取代傳統機械式行車紀錄 器,數位式行車紀錄器具有資料傳輸與管理之方便性,並且可以減少 人為誤判與取代機械式不容易維護的缺點,同時兼具擴充性與整合性 可依不同之需求記錄不同組合之資料等多項優點,此開發之數位式行 車記錄器可記錄完整的車輛資訊與駕駛資訊,包括車輛的機械資訊如 車速等之相關資訊,並可將記錄下來之資訊記錄在外部記憶體中,可 在後端做為駕駛者與車輛狀況判斷的依據。 吳明哲[4]以 GPS 與 GIS 為基礎開發出一套行車里程管理資訊系 統,以求得對出勤車輛之行駛里程、里程費用、行車速度、是否超速、 道路雍塞、停留時間等之資訊之計算與管理,以期可達成以行車里程 為基準的電子收費判斷,能符合更合理與更科學之行車收費制度,所 記錄下來之行車速度可以提供管理者控管其行車速度與停車時間之 資訊,可改善出勤車輛之行駛效率、減少車輛燃油消耗率與事故發生 後的責任釐清,促進道路交通的便利性。

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劉子群[5]以某客運公司的一批出勤車輛加裝數位式行車紀錄器 所記錄的資料進行統計分析後,可以了解在駕駛未保持安全距離、車 道偏移、轉速異常、與超速等之狀況下,各測試群體所具有之不同的 相似特性,再彙整出行車記錄與不同群體間之關係後,加以顯示出行 車環境與群體屬性間的相互關聯,可得知在某種行車環境下所帶給駕 駛者的影響,與容易造成駕駛者哪一些不適當的駕駛行為,以期能藉 此降低人為駕駛所衍生之行車事故,以及提供給客運公司管理者做為 駕駛訓練的依據與參考,增進道路交通的安全性與降低車輛的維護費 用。 陳清泰[6]以開發可以釐清事故責任歸屬之數位式多功能行車紀 錄器為目標,可以將車輛肇事的原因分析研判與責任之鑑定,以期能 建立一套完整的車輛事故鑑定記錄系統,提高道路交通的安全性,此 研究可整合記錄以下 4 項主要功能與其附屬功能。 1.行車影像記錄:記錄行車路徑影像,並將影像資料記錄下來。 2.行車車況記錄:將車輛 GPS 資料、撞擊力與撞擊方向、車速、 車頭方向、方向燈號、排檔、油門、煞車等資料記錄下來。 3.行車安全防護:偵測行車安全距離、緊急救援及防盜監控。 4.資料讀取:經由電腦讀取介面分別將資料讀取並儲存於電腦 中以利後續之分析與研究。 針對大多數的研究人員只以單一的行車記錄裝置再以既有的計 算分析模式來研究車輛事故發生的成因,對車輛全面的動態資訊略有 不足之處,本研究中以記錄 GPS 座標資料、加速規加速度資料與陀螺 儀轉向角度資料再透過軟體系統的統一整合,能提供完整且全面的行 車動態資訊,以期能補足與提供其他研究者所無法得知的車輛動態資 訊,為道路安全的研究提供更完整的資訊。

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第二章

第二章

第二章

第二章

技術原理及方法

技術原理及方法

技術原理及方法

技術原理及方法

2.1

2.1

2.1

2.1 全球衛星定位系統

全球衛星定位系統

全球衛星定位系統

全球衛星定位系統

全球衛星定位系統是一個中距離圓型軌道的衛星導航系統,它可 以為地球表面絕大部分地區提供準確的定位、測量速度和時間的高精 度標準。此系統是由美國國防部研發,可對於全球任何地方或靠近地 表的軍事用戶提供連續精確的三維位置、三維運動和時間的需要。此 系統包括太空中的 24 顆 GPS 衛星,定位時最少只需要 3 顆衛星的訊 號,使用三角定位法就能迅速的定位使用者在地球上所處的位置以及 海拔高度,而所能接收到的衛星訊號越多交叉比對出來的位置就越加 精確。 2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 GPSGPSGPS 發展沿革GPS發展沿革發展沿革發展沿革 GPS 系統的前身為美軍研製的子午儀衛星定位系統(Transit), 1958 年研製在 1964 年正式投入使用,此系統用 5 到 6 顆衛星組成的 星網工作,每天最多繞過地球 13 次,並且無法給出高度資訊,在定 位精度方面也不盡如人意,然而子午儀系統使得研發部門對衛星定位 取得了初步的經驗,並驗證了由衛星系統進行定位的可行性,為 GPS 系統的研製埋下了種子。 由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存 在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷,美國海陸空三軍及民用部門都 感到迫切需要一種新的衛星導航系統,因此美國海軍研究實驗室(NRL) 提出了名為 Tinmation 的計畫,使用 12 到 18 顆衛星組成 10000km 高 度的全球定位網系統,並於 1967 年、1969 年和 1974 年各發射了一 顆試驗衛星,在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統,這是 GPS 系 統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了 621-B 計畫以每個星群 4 到

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5 顆衛星組成 3 至 4 個星群系統,這些衛星中除 1 顆採用同步軌道外, 其餘的都使用周期為 24h 的傾斜軌道,該計劃以偽隨機碼(PRN)為 基礎傳播衛星測距信號,其強大的功能,當信號密度低於環境噪聲的 1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是 GPS 系統得以取得 成功的一個重要基礎,海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的 2 維 定位,空軍的計劃能供提供高動態服務,然而系統過於複雜,由於同 時研製兩個系統會造成巨大的費用,而且這裡兩個計劃都是為了提供 全球定位而設計的,所以 1973 年美國國防部將 2 者合二為一,並由 國防部牽頭的衛星導航定位聯合計劃局(JPO)領導,還將辦事機構 設立在洛杉磯的空軍太空處,該機構成員眾多,包括美國陸軍、海軍、 海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。 2 22 2.1.2 GPS.1.2 GPS.1.2 GPS.1.2 GPS 系統介紹系統介紹系統介紹系統介紹 現在所使用的 GPS 系統是由美國於 1970 年代開始進行研發並於 1994 年全面建成,使用者只需擁有 GPS 接收裝置即可使用,無需另 外付費,GPS 訊號分為民用的標準定位服務(SPS)和軍規的精確定位 服務(PPS)兩類。由於 SPS 不需要任何的授權即可任意使用,原本美 國非常擔心敵對國家或敵對組織會利用 SPS 對美國發動攻擊,所以在 民用訊號中加入選擇性誤差以降低其精確度,使得最終定位精確度大 概在 100 米左右,而軍規的精確度在 10 米以下。在 2000 年以後,美 國的柯林頓總統決定取消對民用訊號的干擾,因此現在民用的 GPS 訊 號也可以達到十米左右的精確度,而此舉也造就了許多 GPS 產品的蓬 勃發展。

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GPS 擁有以下多種優點: 1.使用低頻訊號,縱使天候不佳仍能保持一定的訊號穿透性。 2.全球的覆蓋率高達 98%。 3.三維定速定時高精度。 4.快速、省時、高效率。 5.應用廣泛,多功能。 6.可移動定位。 7.使用過程中接收裝置不需要發出任何訊號,增加隱蔽性,提 高其軍事價值。 圖 2.1 NAVSTAR GPS 衛星分布[4]

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除了美國的 GPS 系統以外,另有一種名為 GLONASS 的衛星定位系 統,如圖 2.2 所示為俄羅斯於前蘇聯時代所發展的衛星定位系統,其 系統架構以及定位方法與 GPS 系統非常類似,也是一種全球性、全天 候可以 24 小時使用的定位系統,其使用的衛星編碼技術與 GPS 截然 不同,所以剛開始時並無法打開民用市場,使得 GLONASS 較 GPS 處於 劣勢。原本日漸式微的 GLONASS 系統近年重獲俄羅斯政府的重視,已 仿照美國的 GPS 擬定現代化計畫,希望至少在 2007 年前發射 18 顆 衛星,目前的系統由 21 顆工作衛星和 3 顆備份衛星組成,分布於 3 個軌道平面上,每個軌道面有 8 顆衛星、軌道高度在 1 萬 9000 公里 左右,GLONASS 衛星系統與 GPS 衛星系統之比較列於表 2.1 中。 圖 2.2 GLONASS 衛星分布[11] 另外歐盟基於建立自主性導航衛星定位系統,且有別於美國以及 俄羅斯以軍事用途為目的之衛星定位系統,進而加強歐盟各國之間的 聯繫與合作,擴展各國就業市場與經濟發展之規模,目前正發展以民 用導航為主而且可涵蓋全球範圍的衛星定位系統,目前稱之為伽利略

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表 2.1 GLONASS 與 GPS 衛星系統比較[4] 參 數 GLONASS GPS 衛星數目 24 24 軌道面數 3 6 傾角 64.08 55 衛星高度 19100km 20180km 一圈週期 11 小時 15 分 11 小時 58 分 重覆地面軌跡時間 每 1 星日 每 8 星日 大地基準 SGS85 (PE-90) WGS80 時間基準 GLONASS 時 GPS 時 系統時間改正 相對於 UTC(SU) 相對於 UTC(SUNO) 訊號區分 以頻率區分 以碼區分 L1 頻帶 1.602~1.615 MHZ 1575.42 MHZ L2 頻帶 1.246~1.256MHZ 1227.60 MHZ

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2.1.3 GPS 2.1.3 GPS 2.1.3 GPS

2.1.3 GPS 系統定位資料格式系統定位資料格式系統定位資料格式系統定位資料格式

一般 GPS 系統的定位資訊傳輸封包採用美國國家海洋電子協會 (National marine electronics association , 簡 稱 為 NMEA) 的

NMEA-0183 標準,其資料的輸出為 ASCII 之編碼格式,資料傳輸以『$』 字元作為開頭,第二、三個字元為傳輸設備的識別碼,第四、五、六 字元為傳輸句子的名稱,不同的句子名稱,其後面皆帶著不同的訊息 資料,訊息資料間以逗號「,」隔開,並以<CR>及<LF>作為整個 傳輸資料的結束,最長可達 82 個字元,一般為每秒提供資料更新一 次。其分類如下表所示: 表 2.2 NMEA-0183 標準資料格式[4] NMEA 種類 說明 GPGGA 定位資訊 GPGLL 地理位置 GPGSA GNSS DOP GPGSV 當前 GPS 衛星狀態 GPRMC 最簡特性 GPVTG 對地方向及對地速度

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2.1.4 GPS 2.1.4 GPS 2.1.4 GPS 2.1.4 GPS 定位座標系統定位座標系統定位座標系統定位座標系統 地球是一個不規則的橢圓球體,為了使測量、描繪地圖時有一個 共同的標準可參照,因此運用數學方式計算出許多不同的標準橢圓球 體,稱之為大地基準(Geodetic Datum),而利用各種大地基準來表示 空間即稱為座標系統。 目 前 世 界 上 最 通 用 的 則 是 1984 年 開 發 的 世 界 大 地 量 測 系 統 (World geodetic system)即WGS-84座標系統如圖2.3所示,GPS亦是 使用此座標系統,此系統是採用參考橢圓球(Reference ellipsoid) 以描述地球之表面,如此可相當近似於地表之真實外型。

圖 2.3 橢圓座標系統示意圖[12]

大地基準系統除了定義參考橢圓之大小外,且定義了地球引力場 常數、自轉角速度、真空光速等,表2.3為WGS-84 系統之參數值。

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表2.3 WGS-84系統參數值[13] 參數 數值 地球橢圓球體長半徑(赤道半徑) 6378137.0m 地球橢圓球體短半徑(極半徑) 6356752.3142m 地球橢圓球體扁率 1/298.257223563 離心率平方 0.00669437999013 地球引力常數 8 10 3986005× m3/sec2 地球自轉角速度 11 10 7292115× − rad/sec 真空光速 299792458m/sec 在球面上要計算角度距離是相當麻煩的,而且地圖是印製在平面 紙張上,要將球面上的物體畫到紙張上就必須展平,這種將球面化為 平面的過程稱為「投影」,而經由投影的過程需要把球面座標換算為 平面直角座標,便於印製與計算角度與距離,由於球面無法百分之百 展為平面而不變形,所以除了地球儀外,所有地圖都有某些程度的變 形,有些可保持面積不變,有些可保持方位不變,視其用途而定,目 前 國 際 間 普 遍 採 用 的 一 種 投 影 , 一 般 通 稱 為 橫 麥 卡 脫 投 影 (Transverse mercator projection ),屬於正形投影的一種,此種 投影可以確保在小範圍內保持形狀不變,對於各種應用較為方便。一 般可以想像成將一個圓柱體橫躺,套在地球外面再將地表投影到這個

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圓柱上,然後將圓柱體展開成平面,而圓柱與地球沿南北經線方向相 切,將這條切線稱為中央經線,在中央經線上投影面與地球完全符合, 因此圖形不會變形而由中央經線往東西兩側延伸,地表圖形會被逐漸 放大,變形也會越來越嚴重。而為了需要保持投影的精度在可接受範 圍內,每次只能取中央經線兩側附近地區來用,因此必須切割為許多 投影帶,就像將地球沿南北子午線方向,如切西瓜一般切割為若干帶 狀,再展成平面。目前在世界各國之軍事用地圖所採用的 UTM 座標 系統 (Universal transverse mercator projection system),即為 橫麥卡脫投影的一種,是將地球沿子午線方向每隔 6 度切割為一帶, 全球一共會切割為 60 個投影帶。

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2.2

2.2

2.2

2.2 地理資訊系統

地理資訊系統

地理資訊系統

地理資訊系統

地理資訊系統顧名思義是由地理、資訊、系統三者結合而成,凡 是與相對位置或空間分布有關的知識都是地理的範圍,將空間資料經 過數位化處理後,儲存於電腦資料庫中的就是資訊,將電腦硬體、操 作軟體、空間資料與使用人員連結起來,就是一個系統,如圖 2.4 所 示。地理資訊系統經由軟硬體的整合,可同時解決圖面資料及屬性資 料之輸入、儲存、取用、分析、展現等問題,以提供全方位之決策重 要資訊。 圖 2.4 GIS 整合示意圖[14]

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2.2 2.2 2.2 2.2....1 GI1 GI1 GI1 GISSSS 在國內的發展在國內的發展在國內的發展在國內的發展 台灣地區 GIS 系統的發展,大概可分成幾個階段,最早的應用開 始於 1970 年,政府單位使用衛星影像資料進行農產量預測與森林資 源分析,1985 年之後,部分學術單位相繼從國外引進 GIS 系統軟體 加以推廣應用,GIS 如雨後春筍般蓬勃發展。按照 1994 年行政院資 訊發展推動小組所發表的白皮書中指出,政府資訊建設優先推動的六 大計劃,其中「國土資訊系統」與「地政資訊管理」兩計劃便與 GIS 技術有密切的關係。 儘管 GIS 在許多領域均有出色的表現,但一般人印象中仍把 GIS 想像成繪製與列印電子地圖的工具,事實上 GIS 還具有許多功能,若 僅需要製圖與出圖,或許一般的繪圖軟體像是 AutoCAD 與一般影像處 理軟體等等就能滿足一般大眾的需求。一套完整的地理資訊系統,可 以儲存極為龐大的空間資訊,不但能迅速呈現出一幅相關地區的電子 地圖,並能根據需要,提供各種空間資訊,讓使用者在電腦螢幕上操 作、疊合、重組或抽離,使他對自己的生活環境或週遭世界可以一目 了然,迅速掌握。結合地圖處理、資料庫與空間分析三項功能,正是 地理資訊系統的最大特色。

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2.2 2.2 2.2

2.2....2222 Google EarthGoogle Earth 軟體Google EarthGoogle Earth軟體軟體軟體系系系系統統統統

此研究所使用的地理資訊系統是一般常見且完整度高的 Google Map,但是在網路瀏覽器上執行的 Google Map 只能顯示地理位置,並 不能做行車軌跡的繪製,所以在此使用了另一個能夠利用 Google Map 強大的地圖資料來繪製行車軌跡的 Google Earth 軟體,軟體畫面如 圖 2.5 所示,此軟體必須安裝在電腦上來使用,可以將使用特定檔案 格式記錄下來的 GPS 座標資料,繪製成行車軌跡來供使用者觀看,然 而因為使用的是 Google Map 強大的地圖資料,所以在繪製行車軌跡 時必須將電腦連上網際網路,才能運行此軟體以及其背後所擁有龐大 資料庫中的地理資料。 圖 2.5 Google Earth 軟體主畫面

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2.3

2.3

2.3

2.3 加速規原理

加速規原理

加速規原理

加速規原理

加速規屬於慣性加速度感測元件又可稱為加速度計、加速度感測 器、重力加速度感測器等等,是測量加速度的裝置,相對於遠距感測 裝置,加速規測量的是自身的運動,一般加速規的原理是以旋轉質量 (Rotating mass)為基礎,工業上常見的加速規是結合牛頓的質量加 速定律跟虎克定律為基礎來製造的。加速規可能是最簡單的微機電裝 置,也可能是很複雜的機械結構,有時只由一個懸臂和一個重鎚組成, 利用撓曲和電路來測量加速度,微機電加速規一般來說可以測量幾千 個 G 的幅度,單軸、二軸、三軸都可以,加速規的廣泛使用使得自動 化工業大幅降低成本。 2.3.1 2.3.1 2.3.1 2.3.1 微機電加速規介紹微機電加速規介紹微機電加速規介紹微機電加速規介紹 此研究所使用的加速規是使用微機電加工技術來製造的加速規, 又因為微機電感測器的尺寸多在微米內而稱為微機電製程,微機電加 工技術是由微電子加工技術與機械加工技術結合而來,而微電子系統 的加工技術是由半導體加工技術改造而來,使其可以應用到實際當中, 所以微機電裝置製造的設備與半導體製造的設備大同小異,都會使用 微影跟蝕刻等的製造技術來製造微機電感測器,如表面微加工、體型 微加工等技術製造而成,其中更包括矽晶的加工方法如壓延、電鍍、 濕蝕刻、乾蝕刻、電火花加工等等。 一般來說在微米大小的機械系統中,包括各種形狀的三維平板印 刷技術生產而來的系統,這些系統的大小一般在微米到毫米之間,在 這個大小範圍的製程中使用一般製造所用的物理經驗並不適用。例如 由於微機電系統的面積對體積比一般都比日常生活中的機械系統的 比例要大得多,其表面產生的現象如靜電、潤濕等現象與慣性或熱容

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量要嚴重得多。一般生產微機電系統的公司規模大小不盡相同,比較 大的生產公司主要集中於為汽車、生物科技或是電子電機業生產大批 量而便宜的微機電裝置,其他的小公司則集中於研發微機電製程的技 術,隨著感測器的發展微機電系統的複雜性和效率也不斷的提高。 2.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 加速規種類介紹加速規種類介紹加速規種類介紹加速規種類介紹 一般來說加速規依照測量的原理大致可分為以下三類: 1.電容式加速規: 在電容器內的兩個帶有電極的平行板上之一端加上一固定質 量,可藉由改變兩片電極板所對應的面積或著是改變彼此之 間氣隙的距離而使得電容值產生變化,進而轉換成電壓輸出 來得到加速度值,這種方法需要特殊的訊號轉換電路來偵測 微小的電容變化量,並且將訊號放大並轉換成容易量測的電 壓值來做輸出,其穩定性與敏感度都較高,適合高精確度及 低頻的場合,也適合做運動方面的量測,所以此研究亦使用 電容式的加速規來做加速度的量測,其結構原理如圖 2.6 所 示。 圖 2.6 電容式加速規原理示意圖

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2.壓阻式加速規: 壓阻式加速規的結構是利用懸臂樑和質量塊結合而成,利用 質量塊受到加速度的作用而變化之後,使得懸臂樑產生形變 而造成其上的壓阻值改變而測得加速度大小,但壓阻式加速 規容易受溫度影響而產生較大誤差使得此一結構的精確度不 夠高,其結構原理如圖 2.7 所示。 圖 2.7 壓阻式加速規原理示意圖 3.壓電式加速規: 壓電式加速規的原理為內部的質量塊受到一力量而振動使得 壓電材料受力,其所累積產生的電量與其的受力和加速度成 正比,在內部元件上的電極收到這些電量並將其送到信號接 收器後,進而轉換出加速度的大小,此結構的優點為可承受 較高的共振頻率,較寬也較高的頻率響應,也適合一般的高 溫環境、高靈敏度且結構簡單,其結構原理如圖 2.8 所示。 圖 2.8 壓電式加速規原理示意圖

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此三種加速規之物理量測特性如下表 2.4 所示。 表 2.4 各種類加速規比較 種類 壓電式加 速規 電容式加 速規 壓阻式加 速規 高頻響應 良好 尚可 差 低頻響應 尚可 良好 良好 DC 響應 無法 良好 良好 精度 高 高 低 訊號處理 難度較高 難度較高 難度較低 溫度影響 影響小 影響小 影響大 價格 高 中 低

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2.4

2.4

2.4

2.4 陀螺儀原理

陀螺儀原理

陀螺儀原理

陀螺儀原理

陀螺儀(Gyroscope)最早的起源是在 1850 年由一位法國的物理 學家萊昂傅科(J.Foucault)為了研究地球的自轉現象,而發現了在 高速轉動中的轉子,由於慣性的作用下此轉子的旋轉軸永遠指向一固 定方向,所以他便用希臘文的 gyro(旋轉)和 skopein(看)兩字合 為 gyroscopei 一字來命名這種特殊的儀表。 陀螺儀是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量不滅的理 論設計出來的,陀螺儀與加速規不同的是,陀螺儀可以測量偏航或者 斜度,與重力或線性動作無關,而是偵測物體水平改變的狀態,但無 法計算物體移動的激烈程度,加速度計只能偵測物體的移動行為,但 無法偵測物體角度改變的能力,如將陀螺儀和加速計結合起來,就能 夠變成可以偵測轉動與線性運動的感測器,陀螺儀大多用於導航、定 位等之系統中。此研究所使用的陀螺儀是使用微機電的加工技術製造 而來的,因為使用傳統的機械式原理並沒有辦法用來製造成微機電陀 螺儀,所以一般來說微機電陀螺儀的原理跟機械式陀螺儀是不一樣的, 一般會將微機電陀螺儀稱為角速度計或是角慣性感測器,用於感測圍 繞某個軸發生的旋轉,測量以度/秒為單位的角速度,不同於機械式 陀螺儀用於測量角位移,角速度測量能夠間接測量出角位移和速度。

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2.4.1 2.4.1 2.4.1 2.4.1 陀螺儀種類介紹陀螺儀種類介紹陀螺儀種類介紹陀螺儀種類介紹 一般來說陀螺儀依照測量的原理大致可分為以下三類: 1.機械式陀螺儀: 傳統的機械式陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的轉子 所構成,陀螺儀一旦開始旋轉由於轉子的角動量,陀螺儀擁 有可以抗拒方向改變的慣性,因為是利用角動量守恆原理來 設計所以擁有一軸對稱的轉子,以極高的速度對著對稱軸自 轉,當然此對稱軸亦可自由的對其它軸轉動,而當系統轉動 時所產生的力矩會對轉子的轉軸作用,造成了轉軸角度的改 變,再藉由力矩方程式則可獲得系統的轉動角速度,再將角 速度作積分和微分處理,即可得到角位移和角加速度,原理 如圖 2.9 所示。 圖 2.9 機械式陀螺儀原理示意圖[17]

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2.光纖式陀螺儀: 現代的光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種, 它們都是根據塞格尼克(Sagnac)的理論發展起來的,當光束在 一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動 速度,那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比 沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多,也就 是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的 光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化,利用這種光 程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量 環路的轉動速度,這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀,如 果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之 間的干涉,也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測 量環路的轉動速度,就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從 這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現干涉時的光 程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧 振式的陀螺儀在實現干涉時,它的光程差較大,所以它所要 求的光源必須有很好的單色性,其原理如圖 2.10 所示。 圖 2.10 光纖式陀螺儀原理示意圖[19]

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3.微機電陀螺儀: 現代的微機電陀螺儀的內部設計如圖 2.11 所示,核心元件是 一個經過微加工之機械元件,利用科氏力(Coriolis)原理把 角速率轉換成特定感應結構的直向位移,進而取得變化量資 訊,其工作原理是由相互正交的振動和轉動所引起的交變科 氏力,振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上,整體動 力學系統是二維彈性阻尼系統,在這個系統中振動和轉動誘 導的科氏力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。 圖 2.11 微機電陀螺儀原理示意圖[20]

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2.5

2.5

2.5

2.5 圖控軟體

圖控軟體

圖控軟體

圖控軟體

此研究所使用的圖控分析軟體 LabVIEW(Laboratory virtual instrumentation engineering workbench)為一種實驗室虛擬儀器 工程平台,是由位於美國德州的美商國家儀器公司所開發的圖形化程 式編譯平台,程式最初於 1986 年在蘋果電腦上發表。LabVIEW 早期 是為了將儀器結合自動控制所設計,至今轉變成為一種逐漸成熟的高 階程式語言,圖形化程式與傳統程式語言之不同點在於程式流程採用 "資料流"的概念而打破傳統之思維模式,使得程式設計者在流程圖構 思完畢的同時也完成了程式的撰寫。 2.5.1 LabVIEW 2.5.1 LabVIEW 2.5.1 LabVIEW 2.5.1 LabVIEW 的特點的特點的特點的特點 LabVIEW 率先引入了特別的虛擬儀表的概念,使用者可透過人機 介面直接控制自行開發之儀器,此外 LabVIEW 提供的函式庫還包含: 訊號擷取、訊號分析、機器視覺、數值運算、邏輯運算、聲音震動分 析、資料儲存...等運算函式,目前可支援的平台有 Windows、UNIX、 Linux、Mac OS 等作業系統。 由於 LabVIEW 特殊的圖形程式簡單易懂的圖形化開發介面,如圖 2.12 所示,縮短了開發原型的速度以及方便日後的軟體維護,因此 逐漸受到系統開發及研究人員的喜愛,目前廣泛的被應用於工業自動 化之領域上,LabVIEW 預設以多執行緒執行程式,對於程式設計者更 是一大利器,此外 LabVIEW 在通訊介面方面支援:GPIB、USB、IEEE1394、 MODBUS、串列埠、平行埠、TCP、UDP、Bluetooth、NET、ActiveX、 SMTP...等在自動化控制上常會用到的通訊介面。

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2.5.2 LabVIEW 2.5.2 LabVIEW 2.5.2 LabVIEW 2.5.2 LabVIEW 的圖形化介面的圖形化介面的圖形化介面的圖形化介面 使用 LabVIEW 時將先建立使用者介面(稱為前面板)的工作自然 地融合到開發當中,LabVIEW 的程式/子程式被稱為虛擬儀器(VI)。

每個 VI 都有三個組成部分:程式框架(Block Diagram)、前面板(Front

Panel)和圖示/連結器(Icon/Connector),連結器是用來供其他的 程式框架呼叫 VI 之用。程式設計師可以利用前面板上的控制項將資 料輸入正在執行的 VI,或者用顯示控制項將運算結果輸出,前面板 還可以作為程式的人機介面,每個虛擬儀器(VI)既可以把前面板當 作使用者介面,作為一個程式來執行;也可以作為一個節點放到另一 個 VI 程式框架中,透過連結器面板連線起來,而前面板則定義 VI 的 輸入和輸出,這意味著每個 VI,在作為子程式嵌入到一個大型的項 目之前,都可以很方便地進行測試。 圖形化的方法還允許非程式設計師透過拖放虛擬化形式的 VI 的 方法來生成程式,控制他們已經熟悉的實驗室裝置,在 LabVIEW 編程 環境下,藉助已經提供的大量常用的運算式和文件,可以很容易地建 立小型應用程式,這是非常好的一方面,而要編寫複雜的演算法或大 規模的程式代碼,有一點很重要,那就是程式設計師需要對 LabVIEW 特殊的語法具有廣泛的了解,並且通曉 LabVIEW 內存管理的拓撲結構, 最先進的 LabVIEW 軟體開發系統提供了建立獨立應用程式的眾多可 能性。LabVIEW 的人機介面與程式方塊如圖 2.12 所示。

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(43)

第三章

第三章

第三章

第三章

行車資料記錄系統開發

行車資料記錄系統開發

行車資料記錄系統開發

行車資料記錄系統開發

本研究主要結合 GPS、加速規與陀螺儀的量測資料,再利用美商 國家儀器(National Instruments)所推出的圖控軟體 LabVIEW 來做系 統的整合,待系統整合完成後便可以實際的到道路上做測試以確定系 統的完成度是否符合本研究的需求,測試時首先將 GPS 所收尋到的衛 星定位座標資料記錄起來,再匯入地理資訊系統,這裡用的是地理資 訊完成度較高的 Google Map 地理資訊系統,來顯示車輛行駛時的路 線軌跡。而透過加速規與陀螺儀記錄下來的數據資料則可以利用軟體 上的時間曲線圖來做物理量的分析,如車輛行駛中加速度的變化與轉 向角度的變化,再加上路線軌跡圖所呈現的車輛行駛軌跡來比對各個 路段上的車輛動態變化為何。

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3.1

3.1

3.1

3.1 感測器模組

感測器模組

感測器模組

感測器模組

本研究所使用的感測元件為車載暨姿態感測系統模組,其使用了 微機電製程的感測器並加以的模組化,在一個感測器模組平台上可以 同時任意的放置 2 個感測器模組,一個感測器模組平台可以使用 RS232 to USB 的通訊方式將量測數據傳送到電腦,本研究使用了 2 個感測器模組平台與 4 個感測器模組來做為資料擷取之用。車載暨姿 態感測系統模組可以使用一般的 9 伏特電池來做為電力來源,在此使 用的是容量為 600mA/h 的鋰電池,可以確保量測時的電量充足與可再 充電利用。 圖 3.1 感測器模組平台 3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 感測器模組規格感測器模組規格感測器模組規格感測器模組規格 (1)MTK 高精度 GPS 模組 尺寸:31.6*38*17.4 mm 工作電壓:5 VDC 工作電流:50 mA

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定位頻道:22 顆衛星同步追蹤 通訊協定:RS232 通訊鮑率(BaudRate) (2)EPSON 車規陀螺儀模組 尺寸:31.6*19.7* 工作電壓:5 VDC 工作電流:50 mA 取樣頻率/位元數 資料輸出率:200 量測範圍:±60 dps 線性誤差:±0.5% 通訊協定:RS232 通訊鮑率:38400 顆衛星同步追蹤 (BaudRate):38400 圖 3.2 GPS 模組 車規陀螺儀模組 *11.4 mm 位元數:200 Hz/10 bits Hz dps

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(3)ST 三軸陀螺儀模組 尺寸:30*26*16 mm 工作電壓:5 VDC 工作電流:50 mA 取樣頻率/位元數 資料輸出率:200 量測範圍:3-Axis/ 線性誤差:±0.3% 通訊協定:RS232 通訊鮑率:38400 圖 3.3 車規陀螺儀模組 三軸陀螺儀模組 mm DC mA 位元數:200 Hz/10 bits Hz Axis/±2000 dps 0.3% 圖 3.4 三軸陀螺儀模組

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(4)ADI High G 三軸加速規模組 尺寸:35.8*24.3*11.4 mm 工作電壓:5 VDC 工作電流:50 mA 取樣頻率:200 Hz 資料輸出率:200 Hz 量測範圍:3-Axis/±16 g 線性誤差:±0.5% 通訊協定:RS232 通訊鮑率:38400 圖 3.5 三軸加速規模組

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3.2

3.2

3.2

3.2

感測器模組測試

感測器模組測試

感測器模組測試

感測器模組測試

為了確保本研究所使用的各個感測器模組可以正常的運作,在開 發系統軟體前,必須逐一的先對各個感測器模組做功能的測試與通訊 協定的測試,在此使用的測試方式為使用模組開發廠商為各個感測器 模組所提供的專用測試軟體。 3.2.1 MTK 3.2.1 MTK 3.2.1 MTK 3.2.1 MTK 高精度高精度高精度高精度 GPSGPSGPS 模組測試GPS模組測試模組測試模組測試 (1)將模組平台跟電腦做連結,此時螢幕會顯示 GPS Module,如圖 3.6 所示。 圖 3.6 GPS 模組平台 (2)到電腦的裝置管理員確認連接的 ComPort,如圖 3.7 所示。

(49)

圖 3.7 GPS 模組平台 ComPort 設定

(3)開啟測試軟體,將通訊設定中的 ComPort 設定為 COM5,BaudRate 設定為 38400, 按下 Open ComPort 按鈕並檢視是否有 GPS 的資 料,如圖 3.8 所示。

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3.2.2 EPSON 3.2.2 EPSON 3.2.2 EPSON 3.2.2 EPSON 車規陀螺儀模組測試車規陀螺儀模組測試車規陀螺儀模組測試車規陀螺儀模組測試 (1)將模組平台跟電腦做連結,此時螢幕會顯示 GYRO Module,如圖 3.9 所示。 圖 3.9 車規陀螺儀模組平台 (2)到電腦的裝置管理員確認連接的 ComPort,如圖 3.10 所示。 圖 3.10 車規陀螺儀模組平台 ComPort 設定

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(3)開啟測試軟體,將通訊設定中的 ComPort 設定為 COM5,BaudRate 設定為 38400, 按下 Open ComPort 按鈕並檢視是否有角度的資 料,如圖 3.11 所示。 圖 3.11 車規陀螺儀測試軟體 (4)車規陀螺儀模組平台方向配置,如圖 3.12 所示。 圖 3.12 車規陀螺儀模組平台方向配置 軸向為水平方向

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3.2.3 ST 3.2.3 ST 3.2.3 ST 3.2.3 ST 三軸三軸三軸陀螺儀模組測試三軸陀螺儀模組測試陀螺儀模組測試陀螺儀模組測試 (1)將模組平台跟電腦做連結,此時螢幕會顯示 Telematics Board, 如圖 3.13 所示。 圖 3.13 三軸陀螺儀模組平台 (2)到電腦的裝置管理員確認連接的 ComPort,如圖 3.14 所示。 圖 3.14 三軸陀螺儀模組平台 ComPort 設定

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(3)開啟測試軟體,將通訊設定中的 ComPort 設定為 COM4,BaudRate 設定為 38400, 按下 Open ComPort 按鈕並檢視是否有 3 個軸向 的角度值資料,如圖 3.15 所示。 圖 3.15 三軸陀螺儀測試軟體 (4)三軸陀螺儀模組平台方向配置,如圖 3.16 所示。 圖 3.16 三軸陀螺儀模組平台方向配置 水平方向: Z 軸 X 軸 Y 軸

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3.2.4 ADI High G 3.2.4 ADI High G 3.2.4 ADI High G 3.2.4 ADI High G 三軸加速規三軸加速規三軸加速規三軸加速規模組測試模組測試模組測試模組測試 (1)將模組平台跟電腦做連結,此時螢幕會顯示 3Axis 16g,如圖 3.17 所示。 圖 3.17 三軸加速規模組平台 (2) 到電腦的裝置管理員確認連接的 ComPort,如圖 3.18 所示。 圖 3.18 三軸加速規模組平台 ComPort 設定

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(3)開啟測試軟體,將通訊設定中的 ComPort 設定為 COM5,BaudRate 設定為 38400, 按下 Open ComPort 按鈕檢視是否有 G 值的資料, 如圖 3.19 所示。 圖 3.19 三軸加速規測試軟體 (4)三軸加速規模組平台方向配置,如圖 3.20 所示。 圖 3.20 三軸加速規模組平台方向配置 垂直方向: Z 軸 X 軸 Y 軸

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3.3

3.3

3.3

3.3

系統軟體人機介面開發

系統軟體人機介面開發

系統軟體人機介面開發

系統軟體人機介面開發

一般軟體系統的操作介面為使用者與機器設備的溝通介面所以 都習慣把此系統稱之為人機介面(Human machine interaction,簡稱

為 HMI),簡單來說人機介面區分為輸入端(Input)與輸出端(Output) 兩種,輸入端是指使用者來對機械設備做操作之用,例如、開關、按 鈕、指令等等的輸入,而輸出端指的是由機械設備發出來的訊息,例 如警示、故障與作動等等,目前來講在此研究中因為只有做訊號擷取 的部分,所以就只需要輸入端的訊號,不需要做輸出端的控制。 良好的人機介面可以幫助使用者能夠更簡單、正確、迅速的操作 機械設備,也能使機械設備發揮到最多的工作效益,並且也能延長使 用的年限,而目前一般所稱的人機介面多是簡單的軟體,能夠以人性 化的操作介面來表示,而人機介面的設計不光是單方面的,而是設計 者必須重視使用者的意見回饋,來設計出更適合使用者操作的人機介 面,例如適當的使用美工圖案來做為選單或是利用簡潔易懂的操作模 式,讓使用者可以輕鬆的操作機械設備,能更有效率的執行工作,才 能讓機器設備發揮最大的效能。 3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 軟體主畫面軟體主畫面軟體主畫面 軟體主畫面 本研究所使用的圖控開發軟體 LabVIEW 可以使用眾多的美工圖 案與軟體預設的圖形,來設計人機介面的功能選項與背景畫面,可以 大大的簡化軟體開發的時間與複雜度並加快設計的流程,達成圖形化 介面的功能,讓使用者可以用更直覺的方式來使用此軟體。 一般的量測軟體大多會有三大項的功能選單,設定介面、量測介 面與報表介面,在此軟體中的設定介面主要是針對 RS232 的連線設定 一項,所以將設定介面與量測介面合而為一以方便使用此軟體,軟體

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主畫面如圖 3.21 所示。 圖 3.21 軟體主畫面 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 設定與量測介面架構設定與量測介面架構設定與量測介面架構 設定與量測介面架構 如圖 3.22 在量測介面中主要設計了 RS-232 的連線參數設定、資 料儲存的方式與資料擷取的分析圖形,讓使用者可以方便確認目前資 料擷取的狀態,在 RS-232 参數設定中需要設定 2 個感測器模組平台 的 ComPort 以及通訊鮑率,當設定完成後並按下連線按鈕時便可以擷 取感測器模組平台上的各個感測器的資料。在資料儲存設定中可以設 定每一秒所要儲存的資料筆數(Save Interval/s),也可以選擇資料 在硬碟中的儲存路徑(File Name),設定介面如圖 3.22 所示。

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圖 3.22 量測介面(未連線) 一般軟體系統的架構大多是由眾多的原始碼經由資料的串流互 相組合成一個子程式,一個子程式往往只會負責單一的功能,如擷取 資料的子程式只負責與硬體溝通再將資料送到軟體中,交給另一個子 程式做運算,運算後的資料再交由圖表的子程式顯示成圖形給使用者 觀看,而做資料記錄的子程式便會將資料記錄到電腦硬碟中以利往後 的分析以及再運算等等之用途。在此系統軟體中量測資料是由 RS-232 to USB 傳送到電腦做分析與記錄,程式碼則包含了 RS-232 必要的連 線參數設定如圖 3.23 所示,再使用 LabVIEW 內建的資料擷取函數 VISA 子程式將量測資料傳送到量測介面以圖表跟數值方式呈現以及記錄 下來。

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圖 3.23 RS-232 設定程式碼 此研究的量測資料分為 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料,GPS 資料在記錄下來後需要再匯入 Google Earth 做運算才 能顯示行車軌跡,所以必須將 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料各儲存成一個檔案,程式碼如圖 3.24 所示。 圖 3.24 資料儲存程式碼

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在軟體與感測器模組平台連線後在軟體畫面便會顯示各個感測 器的量測數據如圖 3.25 所示,有 GPS 的數據、三軸加速規的數據、 三軸陀螺儀的數據與車規陀螺儀的數據,都會個別的顯示在分析圖表 中並有該數據的物理量表示可供確認,當按下儲存按鈕後便會把這些 擷取到的數據儲存到設定好的硬碟路徑中,並且會將記錄資料時的年 月日也一起記錄下來,以供日後查找資料時較方便。 圖 3.25 量測介面(連線中) 擷取到的資料是由 RS-232 to USB 的方式做傳送,在此使用的 RS-232 編碼方式是 ASCⅡ字元編碼,所以在接收到量測資料時必須要 做解碼的動作才能知道哪一些資料是量測資料,再將傳送用的字元分 開,而量測介面的架構主要是將解碼後的資料做數值與圖表的顯示, 再由負責做儲存的程式碼做存檔的動作,程式碼如圖 3.26 所示。

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圖 3.26 量測介面主架構程式碼 GPS 與車規陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類與資料除 錯,以分類出 GPS 的資料跟車規陀螺儀的資料再進入子程式做解碼的 動作。將 GPS 與車規陀螺儀的 RS-232 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨 姿態感測系統模組開發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動 作,程式碼如圖 3.27 所示。 圖 3.27 GPS 與車規陀螺儀主程式碼

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GPS 資料的編碼為以「$」字元作為開頭,第二、三個字元為傳 輸設備的識別碼,第四、五、六字元為傳輸句子的名稱,不同的句子 名稱,其後面皆帶著不同的訊息資料,訊息資料間以逗號「,」隔開, 並以<CR>及<LF>作為整個傳輸資料的結束,在此程式碼中只會將 GPS 的座標資料解碼後再傳送到做資料儲存的程式碼做存檔的動作如 圖 3.28 所示,之後再交由 Google Earth 做運算,在此並不會做運算 的動作。 圖 3.28 GPS 解碼用子程式碼 車規陀螺儀的編碼方式為開頭及結尾分別由 D(0x53)與 CR+LF 組 合而成,以方便判別一組封包是否正確接收完畢,解碼方式為將收到 的字元做 Byt6*256+Byt7=的運算,結果就為角度值,程式碼如圖 3.29 所示。

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圖 3.29 車規陀螺儀解碼用子程式碼 三軸加速規與三軸陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類 與資料除錯,以分類出三軸加速規的資料跟三軸陀螺儀的資料再進入 子程式做解碼的動作,程式碼如圖 3.30 所示。將三軸加速規與三軸 陀螺儀的 RS-2322 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨姿態感測系統模組開 發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動作。 圖 3.30 三軸加速規與三軸陀螺儀主程式碼

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三軸加速規的編碼方式為開頭及結尾分別為 D(0x44)與 CR+LF 組 合而成,以方便判別一組封包是否正確接收完畢,解碼方式以 X 軸做 說明,將收到的字元 X 軸高位元和 X 軸低位元合併,並捨去前 4 位元 (包含正負號),先計算 X 軸電壓值,算式為(Byt2*256+Byt3),當 X 軸正負號為正時 X 軸的 G 值為 X 軸電壓值*0.004,當 X 軸正負號為負 時,資料須取補數相關算式為電壓值*-0.004 即為負的 G 值,轉換單 位為 4 mg/LSB,程式碼如圖 3.31 所示。 圖 3.31 三軸加速規解碼用子程式碼 三軸陀螺儀的編碼方式為開頭及結尾分別由 Z(0x5A)與 CR+LF 組 合而成,以方便判別一組封包是否正確接收完畢,解碼方式以 X 軸做 說明,將收到的字元做以下的運算 Byt2+Byt3*256,結果為 X 軸的角 速度值,程式碼如圖 3.32 所示。

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圖 3.32 三軸陀螺儀解碼用子程式碼 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 報表介面架構報表介面架構報表介面架構 報表介面架構 在報表介面中如圖 3.33 所示主要設計了可以同時顯示多筆資料 的分析圖表,可以將記錄下來的資料同時顯示在同一個分析圖表中, 讓不同物理量的資料可以方便在同一個時間點來做互相的比對,再加 上 GPS 資料繪製而成的行車路線軌跡,更能讓使用者知道在某個路段、 時間點,各個感測器所記錄下來的數據為何。而數據資料的管理可以 由資料夾路徑來選擇要讀取的數據資料在硬碟上的位置,再從資料夾 路徑中選擇所要分析的資料,也可以使用刪除資料的功能鍵將不需要 的資料刪除掉,使得資料管理上更為方便。

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圖 3.33 報表介面

在執行行車軌跡運算的部分,在此使用的地理資訊系統是由一般 常見的 Google Map 所延伸出來的 Google Earth 軟體,經由 LabVIEW 與 Google Earth 軟體的結合,將記錄下來的 GPS 數據資料在地圖上 繪製成行車軌跡以方便使用者觀察與分析,當此軟體運行時需要用到 Google Map 強大的地圖資料,所以在繪製行車軌跡時必須要將電腦 連上網際網路才能使用地圖資料,當選定要分析的數據資料後,只要 按開始功能鍵,軟體便會開始執行行車軌跡的繪製、當時的車速、日 期以及顯示該時間點所記錄下來的各感測器的物理量資料,在通道選 擇項目可以選擇所要觀看的通道,勾選了該通道的物理量就會顯示在 圖表上如圖 3.34 所示。

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圖 3.34 執行行車軌跡運算

報表介面程式碼如圖 3.35 所示主要是管理收錄到的量測資料, 並且將檔案中的資料執行各項的運算,讓使用者可以做離線的分析, 這其中也包括呼叫 Google Earth 軟體執行 GPS 軌跡的運算。

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使用報表檔案選擇程式碼如圖 3.36 所示可以指定要觀看以及分 析的量測資料,使程式將會依照指定的路徑從硬碟中把記錄下來的量 測資料載出來做運算。 圖 3.36 報表檔案選擇程式碼 因為記錄下來的資料有 GPS、加速規與陀螺儀,通道數眾多會導 致觀看的人眼花撩亂,使用量測資料通道選擇程式碼如圖 3.37 所示 可以選擇需要觀看以及分析的通道,勾選後的通道資料會顯示在圖表 上。 圖 3.37 量測資料通道選擇程式碼

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將硬碟中記錄的資料載出後,使用執行記錄資料的程式碼如圖 3.38 所示可以將各項物理量的資料經過運算後顯示在圖表上供使用 者觀看。 圖 3.38 執行記錄資料用程式碼 在記錄 GPS 資料時只是將偵測到的 GPS 原始的座標資料記錄成一 般的文字文件檔案,但因為此研究使用的地理資訊系統是 Google Earth,然而 Google Earth 並沒有辦法接受一般文字文件的檔案格式, 只能接受副檔名為 KML 格式的檔案,所以在將 GPS 座標資料匯入 Google Earth 之前,必須先將 GPS 的原始檔案轉換成 KML 檔案,才 能夠將檔案匯入 Google Earth 中來執行,程式碼如圖 3.39 所示。

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圖 3.39 GPS 原始檔案轉換 KML 檔案用程式碼

將 GPS 座標資料轉換成 KML 檔案之後,便可以將 GPS 座標資料匯 入 Google Earth 系統執行行車軌跡的繪製,此時 Google Earth 系統 會先將 GPS 資料運算過一次,再將行車軌跡顯示在報表頁面上,程式 碼如圖 3.40 所示。

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3.4

3.4

3.4

3.4 系統運作功能測試

系統運作功能測試

系統運作功能測試

系統運作功能測試

本節將會對所開發出來的行車資料記錄系統,分別於幾種不同的 行駛狀況下進行實際的道路測試,用以確認此系統在不同道路條件下 的行車資料記錄運用以及系統分析功能上是否能正常的運作,以確保 系統軟體的穩定性,行車測試流程如圖 3.41 所示。為了避免多雲的 雨天會對 GPS 訊號產生影響,此研究測試的天氣狀況特別選擇為一般 的晴朗天氣,而氣候的溫度、濕度、白天與夜晚的諸多條件對本測試 的影響因素不大,故在此忽略而不計。 圖 3.41 行車測試流程圖 3.4.1 3.4.1 3.4.1 3.4.1 行車測試說明行車測試說明行車測試說明行車測試說明 在此研究中的行車測試會先將所使用的車載暨姿態感測系統模 組使用特別訂做的壓克力治具如圖 3.41 所示固定在測試車輛的中心 位置處,使得各陀螺儀的量測數據更加貼近車輛中心的軸向位置,以 求可以取得最為準確的量測數據,而固定住的測試硬體也不會因為車 輛的各種行駛狀況而隨意移動,讓量測數據失真。

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圖 3.42 車載暨姿態感測系統模組專用治具 3.4 3.4 3.4 3.4....2222 測試路段測試路段測試路段測試路段 本研究做為測試的路段區分為平面道路、高速公路、高速公路與 平面道路混合路段進行資料記錄測試,每一路段將記錄 1 個行車測試 資料並透過軟體的報表分析功能來加以說明。 以下分別為三個測試路段的詳細說明: 1.平面道路測試說明: 此研究在平面道路測試所選擇的路段為一般的省道路段,刻 意的避開了會容易塞車的人口密集都市路段,時間上也選擇 了車流較少的夜間來做測試,以其能使行車動態記錄可以長 時間處於行進間,而測試路段起點選擇了新竹縣橫山鄉,終 點路段為新北市鶯歌區,開始記錄行車資料的路段為橫山鄉 的台三線中豐路二段,往北方行駛由中豐路二段接中豐路三 段,途中會行經關西鄉再接往中豐公路繼續往北行駛,到了 龍潭鄉的中豐路高平段再轉往省道台三乙線的龍源路繼續往

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北行駛,於龍源路大平段轉往大溪鄉的台四線石門路再接康 莊路往北行駛,再接同為台四線的瑞安路繼續往北行駛,再 接北 83 鄉道的大鶯路往新北市鶯歌區方向行駛,最後於鶯歌 區的中正三路為測試終點停止行車資料的記錄。 2.高速公路測試說明: 此研究在高速公路測試所選擇的路段主要為國道二號與國道 三號高速公路路段,時間上也選擇了車流較少的夜間來做測 試以避免塞車的情況發生,以其使行車動態記錄可以長時間 處於行進間,而測試路段起點選擇了國道二號高速公路的鶯 歌八德段,終點選擇了新竹縣芎林鄉,開始記錄行車資料的 路段為國道二號高速公路的鶯歌八德交流道往東方向,於國 道二號高速公路終點時接往國道三號高速公路的南下路段, 途中會行經大溪、龍潭、關西交流道與關西收費站,最後在 竹林交流道下匝道於芎林鄉富林路為測試終點停止行車資料 的記錄。 3.平面道路與高速公路混合路段測試說明: 此研究在平面道路與高速公路混合路段所選擇的路段主要為 國道一號高速公路與一般平面道路,時間上也選擇了車流較 少的夜間來做測試以避免塞車的情況發生,而測試路段的起 點為國道一號高速公路上的中壢服務區開始往南行進,途中 會經過中壢、內壢、幼獅工業區、楊梅與湖口交流道,最後 在竹北交流道下匝道往光明六路東一段向東行駛,經過高鐵 新竹站後接至東興路一段此路段為縣道 120 路段,繼續行經 至東興路二段,最後在新竹縣芎林鄉的富林路三段為測試終 點停止行車資料的記錄。

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3.4.3 3.4.3 3.4.3 3.4.3 分析項目分析項目分析項目分析項目 分析內容主要包含以下 3 個項目: 1.GPS 軌跡分析: 藉由 GPS 的軌跡分析可以了解到駕駛人在行駛過程中經常處 於直線前進狀態或是多彎道路段狀態,因為長時間行駛於多 彎道的路段會使得駕駛人需要集中注意力,而直接增加駕駛 人生理與精神上的疲勞。 2.加速規資料分析: 藉由加速規的資料分析可以得知車輛的行駛狀態是否優良, 車輛是行駛在平穩或是顛簸的道路上,車輛的震動數值是否 過大等都會影響駕駛人的駕駛狀況,在此研究中只取加速規 的 Y 軸向(車輛加減速)與 Z 軸向(車輛垂直軸上下震動)的數 據出來作分析,將直接忽略參考價值較低的 X 軸向(車輛橫向 搖擺)的震動數值不做分析。 3.陀螺儀資料分析: 藉由陀螺儀的資料分析可以得知車輛在行駛過程中的轉向角 度和車輛動態的角速度是否經常過大或是轉向太過頻繁,頻 繁的轉向對駕駛以及乘客來說都會造成生理上的不適,在此 研究中只取三軸陀螺儀的 Y 軸向(車輛直向傾斜角速度)與 Z 軸向(車輛水平轉向角速度)的數據出來作分析,將直接忽略 掉參考價值較低的 X 軸向(車輛橫向傾斜角速度)數值不做分 析,而車規陀螺儀的部分只有單軸向(車輛水平方向角度)的 數據可以了解車輛的轉向變化。

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第四章

第四章

第四章

第四章 測試結果

測試結果

測試結果

測試結果

本章節將針對三種不同測試路段所記錄下來的 GPS 座標資料、加 速規加速度資料、陀螺儀角度與角速度資料的各種物理量透過本研究 所開發出來的行車動態資料記錄系統軟體的報表分析功能,使用 YT 圖型顯示出來,圖 4.1 為實測之 GPS 軌跡圖型。 圖 4.1 Google Earth GPS 軌跡

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4.1 平面道路測試

平面道路測試

平面道路測試

平面道路測試結果

結果

結果

結果

平面道路行車測試路段是由新竹縣橫山鄉到新北市鶯歌區的省 道路線,然而因為 Google Earth 在系統軟體上所顯示的是車輛動態 的行車軌跡,無法顯示車輛全部路程的行車軌跡,所以在此是由 Google Map 來做平面道路測試的行車軌跡示意如圖 4.2 所示,此平 面路段主要是以直線路段與彎道路段各約占一半。 圖 4.2 平面道路路段 GPS 行車軌跡

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平面道路路段車規陀螺儀的量測數據如圖 4.3 所示為車輛水平 方向的轉向角度,正值為右轉角度、負值為左轉角度,在此的量測數 據顯示車輛在此路段的平均轉向角度為±10 度左右,只有部分較大彎 角路段的與切換車道的轉向角度偏大,最大正值為 25 度、最大負值 為接近-45 度,而轉向角度越大對乘坐的舒適性影響也越大。 圖 4.3 平面道路路段車規陀螺儀測試數據 平面道路路段三軸陀螺儀所量測的 Y 軸數據如圖 4.4 所示,表示 車輛直向傾斜的角速度,正值代表車頭向上傾斜的角速度、負值代表 車頭向下傾斜的角速度,依下圖所示代表車輛在大部份時間的俯仰角 速度不大,平均值都在±10 度以內,而部分路段因路面狀況造成了較 大的角速度變化,最大正值為超過 175 度,而行車速度的快慢與路面 坑洞、路面凸起等均會造成俯仰的角速度較大,對乘客也會造成衝擊 進而影響乘坐的舒適性,也代表此路段的路面狀況較差,最大負值與 平均值相近。

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圖 4.4 平面道路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據 平面道路路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表示車輛的轉向角 速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.5 所示平均的轉向角速 度都在±20 度以內,最大正值為 85 度左右、最大負值為接近-30 度, 而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的變化,此路段的彎路 大多屬於較平順的彎道,平均時速約 50~60 公里,只有極少數路段因 較大的轉向與車速影響所產生的轉向角速度較大,轉向角速度越大乘 坐的舒適性也會越差。 圖 4.5 平面道路路段三軸陀螺儀 Z 軸數據 平面道路路段三軸加速規所量測的 Y 軸數據,表示車輛行進間的 加減速度,單位以 G 值表示(1G=9.81 2 sec / m ),正值代表車輛的加速 度、負值代表車輛的減速度也就是代表煞車狀態,如圖 4.6 所示最大

數據

表 2.1 GLONASS 與 GPS 衛星系統比較[4]  參 數  GLONASS  GPS  衛星數目  24  24  軌道面數  3  6  傾角  64.08  55  衛星高度  19100km  20180km  一圈週期  11 小時 15 分  11 小時 58 分  重覆地面軌跡時間  每 1 星日  每 8 星日  大地基準  SGS85 (PE-90)  WGS80  時間基準  GLONASS 時  GPS 時  系統時間改正  相對於 UTC(SU)  相對於 UTC(SUNO

表 2.1

GLONASS 與 GPS 衛星系統比較[4] 參 數 GLONASS GPS 衛星數目 24 24 軌道面數 3 6 傾角 64.08 55 衛星高度 19100km 20180km 一圈週期 11 小時 15 分 11 小時 58 分 重覆地面軌跡時間 每 1 星日 每 8 星日 大地基準 SGS85 (PE-90) WGS80 時間基準 GLONASS 時 GPS 時 系統時間改正 相對於 UTC(SU) 相對於 UTC(SUNO p.24
圖 2.3 橢圓座標系統示意圖[12]

圖 2.3

橢圓座標系統示意圖[12] p.26
圖 2.12 LabVIEW 的人機介面與程式方塊圖[21]

圖 2.12

LabVIEW 的人機介面與程式方塊圖[21] p.42
圖 3.7 GPS 模組平台 ComPort 設定

圖 3.7

GPS 模組平台 ComPort 設定 p.49
圖 3.22 量測介面(未連線)  一般軟體系統的架構大多是由眾多的原始碼經由資料的串流互 相組合成一個子程式,一個子程式往往只會負責單一的功能,如擷取 資料的子程式只負責與硬體溝通再將資料送到軟體中,交給另一個子 程式做運算,運算後的資料再交由圖表的子程式顯示成圖形給使用者 觀看,而做資料記錄的子程式便會將資料記錄到電腦硬碟中以利往後 的分析以及再運算等等之用途。在此系統軟體中量測資料是由 RS-232  to USB 傳送到電腦做分析與記錄,程式碼則包含了 RS-232 必要的連 線參數設定如圖 3.2

圖 3.22

量測介面(未連線) 一般軟體系統的架構大多是由眾多的原始碼經由資料的串流互 相組合成一個子程式,一個子程式往往只會負責單一的功能,如擷取 資料的子程式只負責與硬體溝通再將資料送到軟體中,交給另一個子 程式做運算,運算後的資料再交由圖表的子程式顯示成圖形給使用者 觀看,而做資料記錄的子程式便會將資料記錄到電腦硬碟中以利往後 的分析以及再運算等等之用途。在此系統軟體中量測資料是由 RS-232 to USB 傳送到電腦做分析與記錄,程式碼則包含了 RS-232 必要的連 線參數設定如圖 3.2 p.58
圖 3.23 RS-232 設定程式碼  此研究的量測資料分為 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料,GPS 資料在記錄下來後需要再匯入 Google Earth 做運算才 能顯示行車軌跡,所以必須將 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料各儲存成一個檔案,程式碼如圖 3.24 所示。  圖 3.24 資料儲存程式碼

圖 3.23

RS-232 設定程式碼 此研究的量測資料分為 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料,GPS 資料在記錄下來後需要再匯入 Google Earth 做運算才 能顯示行車軌跡,所以必須將 GPS 座標資料與加速規和陀螺儀的物理 量資料各儲存成一個檔案,程式碼如圖 3.24 所示。 圖 3.24 資料儲存程式碼 p.59
圖 3.26 量測介面主架構程式碼  GPS 與車規陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類與資料除 錯,以分類出 GPS 的資料跟車規陀螺儀的資料再進入子程式做解碼的 動作。將 GPS 與車規陀螺儀的 RS-232 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨 姿態感測系統模組開發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動 作,程式碼如圖 3.27 所示。  圖 3.27 GPS 與車規陀螺儀主程式碼

圖 3.26

量測介面主架構程式碼 GPS 與車規陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類與資料除 錯,以分類出 GPS 的資料跟車規陀螺儀的資料再進入子程式做解碼的 動作。將 GPS 與車規陀螺儀的 RS-232 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨 姿態感測系統模組開發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動 作,程式碼如圖 3.27 所示。 圖 3.27 GPS 與車規陀螺儀主程式碼 p.61
圖 3.29 車規陀螺儀解碼用子程式碼  三軸加速規與三軸陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類 與資料除錯,以分類出三軸加速規的資料跟三軸陀螺儀的資料再進入 子程式做解碼的動作,程式碼如圖 3.30 所示。將三軸加速規與三軸 陀螺儀的 RS-2322 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨姿態感測系統模組開 發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動作。  圖 3.30 三軸加速規與三軸陀螺儀主程式碼

圖 3.29

車規陀螺儀解碼用子程式碼 三軸加速規與三軸陀螺儀的量測資料會先經過初步的資料分類 與資料除錯,以分類出三軸加速規的資料跟三軸陀螺儀的資料再進入 子程式做解碼的動作,程式碼如圖 3.30 所示。將三軸加速規與三軸 陀螺儀的 RS-2322 編碼的 ASCⅡ字元按照車載暨姿態感測系統模組開 發商所提供的解碼方式,做 ASCⅡ字元的解碼動作。 圖 3.30 三軸加速規與三軸陀螺儀主程式碼 p.63
圖 3.32 三軸陀螺儀解碼用子程式碼  3.3.3 3.3.3 3.3.3  3.3.3 報表介面架構報表介面架構 報表介面架構 報表介面架構 在報表介面中如圖 3.33 所示主要設計了可以同時顯示多筆資料 的分析圖表,可以將記錄下來的資料同時顯示在同一個分析圖表中, 讓不同物理量的資料可以方便在同一個時間點來做互相的比對,再加 上 GPS 資料繪製而成的行車路線軌跡,更能讓使用者知道在某個路段、 時間點,各個感測器所記錄下來的數據為何。而數據資料的管理可以 由資料夾路徑來選擇要讀取的數據資料在硬碟上的位

圖 3.32

三軸陀螺儀解碼用子程式碼 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 報表介面架構報表介面架構 報表介面架構 報表介面架構 在報表介面中如圖 3.33 所示主要設計了可以同時顯示多筆資料 的分析圖表,可以將記錄下來的資料同時顯示在同一個分析圖表中, 讓不同物理量的資料可以方便在同一個時間點來做互相的比對,再加 上 GPS 資料繪製而成的行車路線軌跡,更能讓使用者知道在某個路段、 時間點,各個感測器所記錄下來的數據為何。而數據資料的管理可以 由資料夾路徑來選擇要讀取的數據資料在硬碟上的位 p.65
圖 3.33 報表介面

圖 3.33

報表介面 p.66
圖 3.34 執行行車軌跡運算

圖 3.34

執行行車軌跡運算 p.67
圖 3.35 報表介面程式碼

圖 3.35

報表介面程式碼 p.67
圖 3.40 GPS 座標資料匯入 Google Earth 用程式碼

圖 3.40

GPS 座標資料匯入 Google Earth 用程式碼 p.70
圖 3.39 GPS 原始檔案轉換 KML 檔案用程式碼

圖 3.39

GPS 原始檔案轉換 KML 檔案用程式碼 p.70
圖 3.42 車載暨姿態感測系統模組專用治具     3.43.43.4 3.4... .222 2 測試路段測試路段測試路段 測試路段    本研究做為測試的路段區分為平面道路、高速公路、高速公路與 平面道路混合路段進行資料記錄測試,每一路段將記錄 1 個行車測試 資料並透過軟體的報表分析功能來加以說明。  以下分別為三個測試路段的詳細說明:  1.平面道路測試說明:  此研究在平面道路測試所選擇的路段為一般的省道路段,刻 意的避開了會容易塞車的人口密集都市路段,時間上也選擇 了車流較少的夜間來做測試,以

圖 3.42

車載暨姿態感測系統模組專用治具 3.43.43.4 3.4... .222 2 測試路段測試路段測試路段 測試路段 本研究做為測試的路段區分為平面道路、高速公路、高速公路與 平面道路混合路段進行資料記錄測試,每一路段將記錄 1 個行車測試 資料並透過軟體的報表分析功能來加以說明。 以下分別為三個測試路段的詳細說明: 1.平面道路測試說明: 此研究在平面道路測試所選擇的路段為一般的省道路段,刻 意的避開了會容易塞車的人口密集都市路段,時間上也選擇 了車流較少的夜間來做測試,以 p.72
圖 4.4 平面道路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據  平面道路路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表示車輛的轉向角 速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.5 所示平均的轉向角速 度都在±20 度以內,最大正值為 85 度左右、最大負值為接近-30 度, 而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的變化,此路段的彎路 大多屬於較平順的彎道,平均時速約 50~60 公里,只有極少數路段因 較大的轉向與車速影響所產生的轉向角速度較大,轉向角速度越大乘 坐的舒適性也會越差。  圖 4.5 平面道路路段三軸陀螺儀 Z

圖 4.4

平面道路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據 平面道路路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表示車輛的轉向角 速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.5 所示平均的轉向角速 度都在±20 度以內,最大正值為 85 度左右、最大負值為接近-30 度, 而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的變化,此路段的彎路 大多屬於較平順的彎道,平均時速約 50~60 公里,只有極少數路段因 較大的轉向與車速影響所產生的轉向角速度較大,轉向角速度越大乘 坐的舒適性也會越差。 圖 4.5 平面道路路段三軸陀螺儀 Z p.78
圖 4.10 高速公路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據  高速公路路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表示車輛的轉向角 速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.11 所示平均的轉向角 速度都在±5 度以內,最大正值為接近 160 度、最大負值為-15 度左右, 而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的變化,因為此路段是 高速公路路段,平均時速為 80~90 公里而大多是屬於較平順的直線路 段,只有匝道進出時的較大轉向與高速變換車道時所產生的角速度較 大,轉向角速度越大乘坐的舒適性也會越差。  圖 4.11

圖 4.10

高速公路路段三軸陀螺儀 Y 軸數據 高速公路路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表示車輛的轉向角 速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.11 所示平均的轉向角 速度都在±5 度以內,最大正值為接近 160 度、最大負值為-15 度左右, 而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的變化,因為此路段是 高速公路路段,平均時速為 80~90 公里而大多是屬於較平順的直線路 段,只有匝道進出時的較大轉向與高速變換車道時所產生的角速度較 大,轉向角速度越大乘坐的舒適性也會越差。 圖 4.11 p.83
圖 4.16 平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀 Y 軸數據  平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表 示車輛的轉向角速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.10 所 示平均的轉向角速度都在±10 度以內,最大正值為接近 120 度、最大 負值為接近-20 度,而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的 變化,因此路段為混合路段且彎道路段不多,只有進出匝道與部分高 速變換車道時所產生的角速度較大轉向,角速度越大乘坐的舒適性也 會越差。  圖 4.17 平面道路與高速公路混合路段三

圖 4.16

平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀 Y 軸數據 平面道路與高速公路混合路段三軸陀螺儀所量測的 Z 軸數據,表 示車輛的轉向角速度,正值代表左轉、負值代表右轉,如圖 4.10 所 示平均的轉向角速度都在±10 度以內,最大正值為接近 120 度、最大 負值為接近-20 度,而車速與轉向角度均會影響到角速度數值大小的 變化,因此路段為混合路段且彎道路段不多,只有進出匝道與部分高 速變換車道時所產生的角速度較大轉向,角速度越大乘坐的舒適性也 會越差。 圖 4.17 平面道路與高速公路混合路段三 p.88
圖 4.19 平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Z 軸數據  平面道路與高速公路混合路段各物理量數據之最大值、最小值與 平均值如表 4.7 所示。  表 4.7 平面道路與高速公路混合路段各物理量數據     種類  數據  車規陀螺儀  三軸陀螺 儀 Y 軸  三軸陀螺儀 Z 軸  三軸加速 規 Y 軸  三軸加速規 Z 軸  最大值  15 度  325 度  120 度  0.3G  1.2G  最小值  -50 度  5 度  -20 度  -0.2G  -0.7G  平均值  ±5 度  ±5

圖 4.19

平面道路與高速公路混合路段三軸加速規 Z 軸數據 平面道路與高速公路混合路段各物理量數據之最大值、最小值與 平均值如表 4.7 所示。 表 4.7 平面道路與高速公路混合路段各物理量數據 種類 數據 車規陀螺儀 三軸陀螺 儀 Y 軸 三軸陀螺儀 Z 軸 三軸加速 規 Y 軸 三軸加速規 Z 軸 最大值 15 度 325 度 120 度 0.3G 1.2G 最小值 -50 度 5 度 -20 度 -0.2G -0.7G 平均值 ±5 度 ±5 p.90
圖 4.23 平面道路與高速公路混合路段車規陀螺儀與三軸陀螺儀 Z 軸 數據

圖 4.23

平面道路與高速公路混合路段車規陀螺儀與三軸陀螺儀 Z 軸 數據 p.94

參考文獻