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骑自行车的人在与其他道路使用者的交通事故中没有得到很好的保护，而且自行车上很少有主动安全系统。在这项研究中，我们已经评估了使用廉价的实时运动卫星导航（RTK-SN）接收机与多个卫星星座，连同航位推算精确定位自行车，使主动安全功能，如碰撞警告。这是以前的工作的延续，我们得出结论，单独RTK-SN在中等密集的城市区域是不够的，因为建筑物和其他障碍物显著降低RTK-SN的性能。在这项工作中，我们增加了定位系统的测距，以及扩展RTK-SN，用多个卫星星座来处理情况，这里的天空的视野很差，因此卫星更少。为了验证定位系统的性能，我们使用超宽带无线电作为一个独立的定位系统来比较在RTK-SN的恶劣条件下进行测试的同时，我们能够验证添加航位推算和多个卫星星座改善了性能。在恶劣的条件下显著提高了定位系统对主动安全系统的作用。
一、引言
骑自行车的人是脆弱的道路使用者，现在很少有主动安全系统可供他们使用。瑞典的研究表明，在所有类型的自行车事故中，第二种最常见的事故是骑自行车的人和机动车。同样的研究还表明，69%的致命事故是骑自行车的人与机动车发生碰撞。考虑到骑自行车旅行在城市环境中越来越普遍，这是90%的严重自行车事故发生，有一个强烈的动机，以提高自行车安全。
如果自行车的位置可以以更大的精度为1times;0.5米来测量，则该信息可用于主动安全系统，例如，当其他道路使用者发出警告时，可使用该信息。
自行车以这样的方式接近它们的轨道，可能会发生碰撞。另一个例子是为自行车头盔配备具有增强现实（ARR）的装置，它警告骑车人关于其他道路使用者有可能与他们发生碰撞或即将到来的危险，如损坏或道路滑滑。
对于所提出的定位系统来说，它不仅要满足精度要求，还必须价格低廉，功耗低，不占用太大的空间。在以前的工作中，我们已经评估了使用廉价的实时运动卫星导航[RTK-Sn]定位在静态和动态条件下，并得出结论，它在良好的条件下运行良好，但偶尔有很差的天空视野的城市环境会降低性能。曼斯明显。在这项研究中，我们已经改进了定位系统，通过使用更多的卫星星座，并引入航位推算使用测距和惯性导航。为了评估性能，我们已经开发了一个单独的定位系统，使用超宽带（UWB）无线电作为参考，这是不受我们的实验中的条件，降解RTK-SN的性能的影响。我们观察到在使用更多卫星星座和合并航位推算时RTK-SN的恶劣条件下性能的显著改善。所提出的定位系统集成在一个紧凑的印刷电路板（PCB）由我们开发的，外部只需要一个天线RTK-SN，测距仪输入和电源。
本文的其余部分整理如下：在第二节中，我们报告该区域的相关工作，并在第三节中介绍我们提出的实施方案。第四节介绍了我们的评价方法，第五节介绍了我们的实验结果。在第六节中，我们从这项工作中给出了我们的结论。
二、相关工作
主动安全系统，避免骑自行车事故，是非常重要的，需要更多的研究在该地区。由于新技术和低成本的消费电子产品，预计自行车的主动安全系统市场将在不久的将来增长。根据文献已经使用的一种策略是配备自行车传感器，以检测其他道路使用者的存在和运动，并在预测可能碰撞时用声音信号警告骑车人在本地或其他道路使用者。这种尝试的例子涉及装备自行车与雷达、声纳和激光传感器。另一种方法是依赖于道路使用者之间的通信，并在可能的碰撞被预测时通知他们，以便他们能够阻止它们。
在早期的研究中，已经提出了专门的短距离通信和射频识别（RFID）信标，这些信标在交叉口附近的基础设施中用于定位，以确定骑车人何时会与汽车发生碰撞。这些标记由骑自行车的人和汽车驾驶员携带，它们会根据它们之间的通信和基础设施中的信标的相对位置知识来警告它们。随着智能手机的使用越来越广泛，后来的研究已经提出使用它们作为显示器，甚至作为定位和通信设备。
后来的一项研究建议使用安装在自行车把手上的智能手机。由于智能手机是唯一的设备，在该研究中，它被用于定位与内置全球导航卫星系统（GNSS）接收器和通信使用内置的互联网连接。定位精度达到5 m左右，通信延迟在500 ms左右，驾驶员接近交叉口，延迟补偿和地图知识，能够预测一个十字路口的车辆碰撞时可能发生的碰撞。骑自行车的人。然而，智能手机的定位不够准确，无法确定简在哪个自行车上，这在很多情况下是有限制的。此外，他们进行实验的路线有比较好的天空观，这是他们使用RTK-SN作为参考定位系统的要求。他们还得出结论，智能手机的定位性能下降太多，以防碰撞预测时，穿在口袋里，这意味着智能手机必须连接到自行车的把手。
在上述研究中，我们的工作与智能手机安装在自行车把手上的研究相比是最好的。我们提出的实现的优点是位置精度至少是一个数量级，并且通信延迟显著更低。这使得能够确定骑车人和其他车辆在哪个车道上，并且碰撞可以被预测，而无需访问位置必须匹配的环境的精确和详细地图。我们提出的实施成本与
智能手机的好处是，使用智能手机的好处是很多人已经可以使用智能手机了。与在自行车上安装传感器的研究相比，我们的解决方案具有较少的硬件所需的优点，并且碰撞预测算法能够更早地访问更多的数据，但缺点是它仅与使用类似系统T的道路使用者一起工作。HAT可以与我们的系统通信。
三、提出暗示
我们已经尝试证明我们的定位系统在自行车上的现实实现。图L示出了我们开发的定制PCB的绘制，包含惯性测量单元（IMU）、RTK-SN模块、控制器局域网（CAN）总线接口、用于通信的两个无线电设备和执行传感器融合的皮质M4微控制器。PCB的尺寸为55times;98 mm，但是如果省略了未使用的扩展连接器，则可以显著减少。将此PCB连接到RTK-SN的天线，并且电源足够以5 Hz的速率获得位置信息，精度为10厘米或更好，当天空的视角足够好时，至少10个轨道至少5个GPS和/或GLONASS卫星。如果PCB从自行车上的车轮传感器提供测距数据，则位置更新率增加到100 Hz，并且可以利用测距计数据和IMU单独的航位推算在短距离内对RTK-SN进行恶劣的条件下操作。在没有任何节电优化的情况下，我们的PCB的功耗约为200毫安，这意味着两个3 AH 18650尺寸的锂离子电池电池总重量为100g，可以在一次充电上使其功率超过20小时。当省略测距时，PCB、天线和电池可以集成在自行车头盔中，可能与某种类型的AR显示器一起。
我们已经附加了这个PCB 10一个电动自行车聊天，我们可以访问。我们使用电动自行车的Reaon是，它有一个马达控制器，它可以通过CAN总线和电量10提供定位电路板，但是一个带有轮传感器和一个小电池的普通自行车同样可以工作。图2示出了安装在木板上的PCB和用于测量的UWB无线电。在第四节中进一步描述了UWB无线电。图3示出了与我们的电动自行车的电池箱连接的相同的木板，其中在板的顶部还可以看到RTK-SN天线。唯一的连接板是白色电缆，它既有CAN总线，又有来自自行车电机控制器的电源。
PCB上的两个无线电单元以不同的频率和数据速率工作。一台收音机工作在大约450兆赫，并打算接收一个RTK-SN的校正数据流，它的传输距离可达10公里，带宽约为100 B/s。
2.4 GHz，用于道路用户之间的短程通信，带宽为250千比特/秒。与因特网连接的数百毫秒延迟相比，该无线电使路用户能够以1-2毫秒的潜伏期进行通信，类似于通信标准802.11p ACHI。因此，未来连接车辆的现实延迟。
A.实时动态卫星导航
我们实现的主要定位技术是RTK-SN，其精度可达1厘米左右。除了对GNSS信号进行编码测量之外，RTK SLN还通过锁定信号的载波相位来实现更高的分辨率。与代码测量相比，载波相位测量不提供测量卫星绝对距离的手段，而是仅以高精度和分辨率跟踪距离的变化。因此，RTK-SN需要来自基站的相同原始测量，其具有在IO km内的已知位置，以实现高精度。来自基站的那些测量被称为校正数据，并且它们以大约I Hz的速率被要求。来自所有GPS和GNONASS卫星的公共L1信号平均的校正数据可以使用RTCM3传输标准在大约100字节的数据中传输.
当使用我们使用的UBLUX M8P2接收机启动RT-K-SN系统时，在锁定到来自大多数可见卫星的信号之后，需要大约一分钟的时间来收敛位置。这一次受多颗卫星的影响。
可以看出，使用的天线在拒绝反射方面有多好。每次Jess比4颗卫星被跟踪时，位置固定丢失，并且解决方案必须再次收敛，这就是为什么密集的城市环境对RTK-SN具有挑战性。不仅位置信息丢失时，太多的天空被遮挡，它也需要一个相对长的时间10收敛后，失去位置时，足够的，但仍然很少，卫星信号可以跟踪。因此，在城市环境中获得更多的卫星是非常重要的。相比以前的工作，我们只使用GPS卫星，我们看到了显着的改善时，也包括GLNASS卫星时，天空的视野较差。作为一个例子，图4示出了RTK-SN天线在靠近一些树和其他建筑物的窗口中的放置，图5示出了从该位置的开放源代码软件包RTKLIB的跟踪输出。第一列显示了从GPS卫星开始的数字和从GRONASS卫星开始的数字，最后一列显示浮标或FIX，这取决于对于当前位置使用的卫星是否已经解决了该卫星的整周模糊度。在。使用GLNASS和GPS卫星，RTKLIB能够在一整天内从跟踪卫星信号中保持位置解而没有问题，但是当仅使用GPS卫星时，仅在几天内每隔几分钟实现一次位置解决方案，每次5分钟或Jess。
B.航位推算
为了获得更高的位置更新率，并更好地处理RTK-SN定位解决方案在短时间内丢失的情况，我们在我们的定位系统上实现了航位推算的支持。我们实施的航位推算工作通过使用自行车车轮旋转的测距数据来确定自行车运动的距离和从IMU的偏航角度来确定运动的方向。当车轮滑移率较低时，通常是骑自行车者的情况，距离1min测量在移动100米的距离后误差小于1m。航位推算误差的主要来源是由IMU数据的偏航引起的。可以通过两种不同的方式从IMU获得偏航信息：通过积分陀螺仪提供的角速度和利用磁力仪测量地球磁场的直接离子。
使用陀螺仪的问题是偏航角随着时间的推移将漂移，因为没有绝对参考，S1NALL误差会累积。因此，陀螺仪角HA用绝对源校正，该源可以在移动时从连续的RTK-SN样本获得，或者在静止时从磁力仪获得。磁力计没有漂移的问题，但是它受到自行车本身和自行车运动环境中金属物体引起的偏移的影响。我们已经通过椭球拟合和变换方法补偿了自行车本身的偏移量，但是由于环境不易预测，由环境引起的偏移更难处理。
这意味着航位推算的主要误差来源是偏航角估计。陀螺仪单独给出了一个很好的近似，在我们的实验中每分钟漂移大约0.5度。在移动的同时，RTK-SN位置样本保持这个误差远远低于一个程度，并且RTK-SN不可用于短持续时间的情况可以被处理，但是当自行车静止时，该误差累积而没有上界。即使在静止时，磁强计也可用于偏航校正，但在某些环境下会引起偏航误差超过10度，从而大大降低航位推算性能。在第五节中，我们展示了使用和不使用磁强计进行偏航校正的实验结果并进行了比较。
四、评估设置
为了评估我们的定位系统的性能，我们开发了一种基于DeaWaveDWMIOO-UWB无线电的距离测量PCB和一个不受RTK-SN多个误差源影响的微控制器。DWM1000收音机具有高分辨率时钟，可以在精确的时间发送分组，并且TI1NE邮票精确地接收分组。这可以用来确定无线电信号的飞行时间（TOF），它可以通过光速除以计算收发无线电之间的距离。与发送数据包所需的时间相比，该测量时间非常短，因此无线电之间的小时钟速度差对测量具有很大的影响。处理这一问题的一种方法是使用称为双向测距（TWR）的方案，其中在两个无线电之间发送三个分组，在两个无线电之间测量距离。这样做是为了消除时钟速度差的计算。通过对距离相关的信号衰减进行进一步补偿，从而影响数据包由硬件进行时间戳记的位置，可以使用DWM1000无线电实现大约10厘米的绝对精度。此外，为了减少测量期间的噪声，我们的实施使得使用TWR的IO测量并取它们对于每个距离样本的平均值。
这些UWB PCB中的一个通过CAN总线连接到我们的定位PCB，三个其他UWB PCB与电池一起放在三脚架上，如图6所示，并用作UWB定位系统的锚定器。然后使用UWB收音机测量自行车和这些锚之间的距离，并利用已知的锚定位置和自行车的估计位置计算。通过将测得的距离与自行车的估计距离进行比较，计算出误差。
值得注意的是，RT K-SN在中等到良好的条件下具有比UWB距离测量更好的精度，并且在我们的实验中有几何条件，例如锚和自行车处于水平平面的假设，对精度有负面影响。然而，UWB系统的精度仍然足以确定自行车上的定位系统是否对我们的应用具有足够的性能，并且由于它具有独立的误差源，所以它可以用于对RTK-SN具有挑战性的条件。
五、结果
图7示出了住宅小区中的车库的RTK-SN OUT IDE的三个UWB锚和基站天线。一部分天空覆盖了基站天线和自行车，因此RTK-SN的条件是好的，但不是最佳的。
注意以下内容：本节中的地图上的痕迹有两条线：一条红色线，表示由航位推算和RTK-Sn之间的传感器融合确定的自行车轨迹；和一条用RTK-SN表示自行车轨迹的品红色线。在良好的条件下，线大多是重叠的，彼此无法区分，但在恶劣的条件下，它们之间是有区别的。具有距离偏差图的图表示到最接近UWB锚的计算距离与同一锚的UWB距离测量之间的差异。基于航迹推算和RTK-SN之间的传感器融合的UWB测量与锚定距离之间的偏差是蓝线，单独偏离RTK-SN是红线。这些图中所示的误差主要是由RTW-SN在良好条件下的UWB测量引起的，但是在最后一个实验中，自行车在车库中，其中卫星信号大多被阻挡，UWB测量具有更高的精度。
首先，我们做了一个测试循环20米，在GOD条件下的最后一个轻微的转折。图8示出了图迹线，图9示出了与UWB测量的距离差。图8中的地图上的迹线是重叠的，图9中的距离偏差小于整个时间的35厘米。
我们在另一个条件下对RTK SN进行了另一个测试，它具有更多的匝数，这是因为使用磁强计来校正
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