GPS导航智能小车设计

2015-03-27湖北大学知行学院

电子世界 2015年18期

湖北大学知行学院李欣

随着科技地发展，GPS导航的应用领域越来越多元化。利用GPS导航小车，可以实现恶劣环境下的无人驾驶，具体设计如下。

1 系统总体设计

GPS接收机接收到的GPS信号，经处理实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量。利用UART0将GPS导航定位信息发送到控制器LM3S1138并从中提取经度和纬度。这些坐标值与预设目标点坐标比较后，将按一定的算法控制小车按预设航线行驶，最终实现GPS自动导航的功能。同时，LM3S1138内部的64KB的FLASH可以实现数据的存储。具体的系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

GPS导航板通过数据输出线与EasyARM1138开发板上的异步收发UART0的数据接收口相连接，这样GPS定位信息将直接传输到主控芯片LM3S1138中。将开发板上的串口与上位机连接，通过软件编程控制异步收发UART2口的数据发送，这样控制芯片LM3S1138内储存的数据就传送到上位机中。设计中使用两个减速电机对小车进行驱动，提取GPS数据并结合导航算法给对应引脚高低电平实现对两个轮子的控制。在总体设计中使用12V蓄电池供电，利用降压芯片将12V电压降至5V分别为电机和EasyARM1138开发板供电。

2 硬件电路设计

2.1 GPS导航板

选用GARMIN的GPS-15W，可同时跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。在设计中用到的三个接口线分别为黑色的地线、红色的电源线和黄色的数据输出线。数据输出线与LM3S1138的U0Rx口相接，将GPS接收到的数据输入到ARM中。GPS接收板所输出的数据是以美国国家海洋电子协会的NMEA 0183 ASCII码接口协议为基础的，包括$PGRMM、$GPRMC、$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$PGRME，在设计中主要提取$GPRMC。接口特性为CMOS电平，波特率固定为4800。GPS使用的是3.3V供电，由EasyARM1138开发板提供的。

2.2 EasyARM1138开发板

EasyARM1138开发板具有简明的外围电路设计，调试时无需任何连线和跳线，操作极为方便。开发板内嵌 USB 接口与上位机连接可实现“三合一”功能：程序下载与在线仿真、5V供电、UART 串行通信。具体的应用如下：GPIO管脚PB0～PB3与无线电接收模块相连；GPIO管脚PA4和PA5与L298N的两个使能端口ENA和ENB相连，来控制使能两个电机；GPIO管脚PC4～PC7与L298N的四个数据口相连，在有使能信号的情况下分别用来控制两个电机的正转和反转。

2.3 小车行驶状态的控制

小车的机械部分使用的两轮驱动，即前轮为主动轮，后轮为从动轮。具体电路如图2所示。

图2 小车行驶状态控制电路图

L298N是一个H桥集成芯片，其中IN1～IN4接收EasyARM1138开发板的高低电平控制信号，ENA和ENB为两个使能口。经过H桥后，IN1、IN2和ENA三个信号一起控制B1电机的工作，B1电机的两端分别接OUT1和OUT2，利用OUT1和OUT2输出的高低电平可以控制电机的正转和反转；IN3、IN4和ENB三个信号一起控制B2电机的工作, B2电机的两端分别接OUT3和OUT4。B1、B2电机分别对应的小车的左轮和右轮。

3 软件设计

3.1 GPS有用数据的提取

EasyARM1138的UART0中断负责接收GPS定位信息，同时判断提取对导航有用的GPS数据并存储。在存储数据时可以利用数组存储，也可以利用EasyARM1138内部的64KB的FLASH。GPS导航板每秒钟接收一组数据，当定位有效时提取$GPRMC推荐定位信息中的经度和纬度。

为提高效率，在UART中断读取到GPS数据时会直接提取以$GPRMC开头的一整行数据。这样在存储时就可以减少存储的数据量，在后续的经度和纬度的提取中，可以直接读取经度和纬度所在的字段。

3.2 GPS导航算法的软件设计

整个GPS导航的软件部分从总体上说是一个反馈系统，根据小车的目前形式情况和目前的经度纬度信息，控制小车调整行驶方向，每次做完小的调整后，直走2秒钟。再次处理数据判断当前位置是否是目标位置，如果是目标位置停车演奏音乐作为提示，如果不是目标位置继续上一步的工作。在多次重复的判断和调整中，最终找到目标位置。