李敏

摘要：隨著科技的發(fā)展，GPS導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多元化。利用GPS導(dǎo)航小車，可以實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的無人駕駛本設(shè)計(jì)硬件采用EasyARM1138開發(fā)板和GPS-15W導(dǎo)航板，通過簡(jiǎn)單并且實(shí)用的GPS數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航算法控制小車按指定目標(biāo)行駛。

關(guān)鍵詞：GPS導(dǎo)航；LM3S1138

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）27-0147-02

Abstract： the design of the hardware adopts EasyARM1138 development board and GPS navigation-15w plate， through a simple and practical algorithm of GPS data processing and navigation control car according to the specified target.

Key words： GPS navigation； LM3S1138

1 GPS一般情況

GPS是英文Global Positioning System 的縮寫， 是美國(guó)國(guó)防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

考慮到GPS系統(tǒng)的巨大的經(jīng)濟(jì)利益及增加大量就業(yè)機(jī)會(huì)等優(yōu)點(diǎn)，克林頓時(shí)期開放后可以供為民用。

經(jīng)10多年我國(guó)測(cè)繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯 著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具 導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。

2 GPS導(dǎo)航的特點(diǎn)

1） 全球、全天候工作：能為用戶提供連續(xù)實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和精密時(shí)間，不受天氣的影響。

2） 全球PVT能力： 單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。時(shí)間精度達(dá)到10～20ns

3） 功能多、應(yīng)用廣：隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的加深，GPS不僅在測(cè)量，導(dǎo)航，測(cè)速，測(cè)時(shí)等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大 。

4） 用戶生存能力強(qiáng)。

5） 易被干擾。

6） 完好性有待進(jìn)一步提高。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目標(biāo)

提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為50納秒，測(cè)速精度0.2米/秒；授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

中國(guó)計(jì)劃2012年左右，“北斗”系統(tǒng)將覆蓋亞太地區(qū)，2020年左右覆蓋全球。我國(guó)正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，已成功發(fā)射六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4 設(shè)計(jì)介紹

隨著科技的發(fā)展，GPS導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多元化。利用GPS導(dǎo)航小車，可以實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的無人駕駛本設(shè)計(jì)硬件采用EasyARM1138開發(fā)板和GPS-15W導(dǎo)航板，通過簡(jiǎn)單并且實(shí)用的GPS數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航算法控制小車按指定目標(biāo)行駛。具體設(shè)計(jì)如下。

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

GPS接收機(jī)接收到的GPS信號(hào)，經(jīng)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量。利用UART0將GPS導(dǎo)航定位信息發(fā)送到控制器LM3S1138并從中提取經(jīng)度和緯度。這些坐標(biāo)值與預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)比較后，將按一定的算法控制小車按預(yù)設(shè)航線行駛，最終實(shí)現(xiàn)GPS自動(dòng)導(dǎo)航的功能。同時(shí)，LM3S1138內(nèi)部的64KB的FLASH可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

GPS導(dǎo)航板通過數(shù)據(jù)輸出線與EasyARM1138開發(fā)板上的異步收發(fā)UART0的數(shù)據(jù)接收口相連接，這樣GPS定位信息將直接傳輸?shù)街骺匦酒琇M3S1138中。將開發(fā)板上的串口與上位機(jī)連接，通過軟件編程控制異步收發(fā)UART2口的數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣控制芯片LM3S1138內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就傳送到上位機(jī)中。設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)減速電機(jī)對(duì)小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，提取GPS數(shù)據(jù)并結(jié)合導(dǎo)航算法給對(duì)應(yīng)引腳高低電平實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)輪子的控制。在總體設(shè)計(jì)中使用12V蓄電池供電，利用降壓芯片將12V電壓降至5V分別為電機(jī)和EasyARM1138開發(fā)板供電。

4.2硬件電路設(shè)計(jì)

4.2.1 GPS導(dǎo)航板

選用GARMIN的GPS-15W，可同時(shí)跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，從而能夠快速的定位。在設(shè)計(jì)中用到的三個(gè)接口線分別為黑色的地線、紅色的電源線和黃色的數(shù)據(jù)輸出線。數(shù)據(jù)輸出線與LM3S1138的U0Rx口相接，將GPS接收到的數(shù)據(jù)輸入到ARM中。GPS接收板所輸出的數(shù)據(jù)是以美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)的NMEA 0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)的，包括$PGRMM、$GPRMC、$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$PGRME，在設(shè)計(jì)中主要提取$GPRMC。接口特性為CMOS電平，波特率固定為4800。GPS使用的是3.3V供電，由EasyARM1138開發(fā)板提供的。

4.2.2 EasyARM1138開發(fā)板

EasyARM1138開發(fā)板具有簡(jiǎn)明的外圍電路設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)無需任何連線和跳線，操作極為方便。開發(fā)板內(nèi)嵌 USB 接口與上位機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)“三合一”功能：程序下載與在線仿真、5V供電、UART 串行通信。具體的應(yīng)用如下：GPIO管腳PB0～ PB3與無線電接收模塊相連；GPIO管腳PA4和PA5與L298N的兩個(gè)使能端口ENA和ENB相連，來控制使能兩個(gè)電機(jī)；GPIO管腳PC4～ PC7與L298N的四個(gè)數(shù)據(jù)口相連，在有使能信號(hào)的情況下分別用來控制兩個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

4.2.3小車行駛狀態(tài)的控制

小車的機(jī)械部分使用的兩輪驅(qū)動(dòng)，即前輪為主動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪。

L298N是一個(gè)H橋集成芯片，其中IN1～I(xiàn)N4接收EasyARM1138開發(fā)板的高低電平控制信號(hào)，ENA和ENB為兩個(gè)使能口。經(jīng)過H橋后，IN1、IN2和ENA三個(gè)信號(hào)一起控制B1電機(jī)的工作，B1電機(jī)的兩端分別接OUT1和OUT2，利用OUT1和OUT2輸出的高低電平可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；IN3、IN4和ENB三個(gè)信號(hào)一起控制B2電機(jī)的工作， B2電機(jī)的兩端分別接OUT3和OUT4。B1、B2電機(jī)分別對(duì)應(yīng)的小車的左輪和右輪。

4.3軟件設(shè)計(jì)

4.3.1 GPS有用數(shù)據(jù)的提取

EasyARM1138的UART0中斷負(fù)責(zé)接收GPS定位信息，同時(shí)判斷提取對(duì)導(dǎo)航有用的GPS數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)可以利用數(shù)組存儲(chǔ)，也可以利用EasyARM1138內(nèi)部的64KB的FLASH。GPS導(dǎo)航板每秒鐘接收一組數(shù)據(jù)，當(dāng)定位有效時(shí)提取$GPRMC推薦定位信息中的經(jīng)度和緯度。

為提高效率，在UART中斷讀取到GPS數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)直接提取以$GPRMC開頭的一整行數(shù)據(jù)。這樣在存儲(chǔ)時(shí)就可以減少存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，在后續(xù)的經(jīng)度和緯度的提取中，可以直接讀取經(jīng)度和緯度所在的字段。

4.3.2GPS導(dǎo)航算法的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)GPS導(dǎo)航的軟件部分從總體上說是一個(gè)反饋系統(tǒng)，根據(jù)小車的目前形式情況和目前的經(jīng)度緯度信息，控制小車調(diào)整行駛方向，每次做完小的調(diào)整后，直走2秒鐘。再次處理數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前位置是否是目標(biāo)位置，如果是目標(biāo)位置停車演奏音樂作為提示，如果不是目標(biāo)位置繼續(xù)上一步的工作。在多次重復(fù)的判斷和調(diào)整中，最終找到目標(biāo)位置。

4.4小節(jié)

本文在提出方案的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確的接收當(dāng)前點(diǎn)的GPS導(dǎo)航坐標(biāo)并進(jìn)行單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的導(dǎo)航，同時(shí)也可以完成多點(diǎn)的導(dǎo)航，但是在一定程度上還是受到天氣的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過這段時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，在仔細(xì)的研究下，順利完成了GPS導(dǎo)航小車的設(shè)計(jì)。在這一過程中，需要準(zhǔn)確的分析問題，同時(shí)也要注意理論聯(lián)系實(shí)際；需要有系統(tǒng)的思維方式，要靜下心來一步一步地進(jìn)行分析，不可一蹴而就；注重自身理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和積累，遇到困難時(shí)，要積極尋求解決方案，比如：向別人請(qǐng)教，查閱相關(guān)資料等等。

GPS導(dǎo)航小車的應(yīng)用將在一定程度上實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的無人駕駛，給大部分用戶帶來便利，當(dāng)然，受個(gè)人知識(shí)水平限制，本管理系統(tǒng)難免存在很多不足之處，為此，將進(jìn)一步在實(shí)踐過程中進(jìn)行改進(jìn)。

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