浅谈GPS 导航智能机器设计方式及过程

2015-12-17李敏

电脑知识与技术 2015年28期

李敏

摘要：隨着科技的发展，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本设计硬件采用EasyARM1138开发板和GPS-15W导航板，通过简单并且实用的GPS数据处理和导航算法控制小车按指定目标行驶。

关键词：GPS导航；LM3S1138

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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一般情况

GPS是英文Global Positioning System 的缩写，是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

考虑到GPS系统的巨大的经济利益及增加大量就业机会等优点，克林顿时期开放后可以供为民用。

经10多年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

2 GPS导航的特点

1）全球、全天候工作：能为用户提供连续实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响。

2）全球PVT能力：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。时间精度达到10～20ns

3）功能多、应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。

4）用户生存能力强。

5）易被干扰。

6）完好性有待进一步提高。

3 北斗卫星导航系统目标

提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射六颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

4 设计介绍

随着科技的发展，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本设计硬件采用EasyARM1138开发板和GPS-15W导航板，通过简单并且实用的GPS数据处理和导航算法控制小车按指定目标行驶。具体设计如下。

4.1 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。

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。

4.2硬件电路设计

4.2.1 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。

4.2.2 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。

4.2.3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。

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。

4.3软件设计

4.3.1 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中断讀取到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。

4.3.2GPS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。

4.4小节

本文在提出方案的基础上，完成了系统的硬件和软件设计，可以准确的接收当前点的GPS导航坐标并进行单点对单点的导航，同时也可以完成多点的导航，但是在一定程度上还是受到天气的影响。

5 结束语

经过这段时间对系统的分析和设计，在仔细的研究下，顺利完成了GPS导航小车的设计。在这一过程中，需要准确的分析问题，同时也要注意理论联系实际；需要有系统的思维方式，要静下心来一步一步地进行分析，不可一蹴而就；注重自身理论知识的学习和积累，遇到困难时，要积极寻求解决方案，比如：向别人请教，查阅相关资料等等。

GPS导航小车的应用将在一定程度上实现恶劣环境下的无人驾驶，给大部分用户带来便利，当然，受个人知识水平限制，本管理系统难免存在很多不足之处，为此，将进一步在实践过程中进行改进。

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