礦車車載GPS上位機軟件設計與開發

郝 剛 郭繼毅 管長焦 邵明杰

（1.煤炭科學研究總院沈陽研究院, 遼寧 撫順 113122；2.三一重型裝備有限公司，沈陽 110027 )

我國是礦山生產安全事故高發國家，礦石百萬噸死亡率是美國、南非等礦業發達國家的30倍以上[1]。在露天礦中，運輸事故是主要礦山事故，據安太堡露天煤礦和黑岱溝露天煤礦統計，每年礦車運輸事故占采運事故的比例達70%以上。引發事故的部分原因是司機缺少足夠的可視度和可供參考的實時圖形圖像信息，因此開發助駕系統可以降低與采礦設備操作有關的風險，減少采礦工業的傷亡率。

礦車助駕系統是全球衛星定位技術(GPS)、電子地圖、無線通信綜合在一起的高科技應用系統，是智能交通系統的重要組成部分。GPS的應用價值和市場需求正變得越來越大，成為眾多公司和科研機構的研究對象。

本文設計的上位機軟件將接收的GPS定位信號，解讀出其中的時間、經緯度、海拔等定位信息并實時顯示在界面上，同時將定位信息存入數據庫，將接收數據結合匹配的電子地圖在屏幕上顯示，駕駛員便可瀏覽車輛附近礦區信息、選擇安全的行駛路線。

1 GPS導航系統

GPS導航系統的結構主要是 GPS接收天線、GPS接收機、導航計算機、可視顯示器以及位置檢測裝置等組成。其結構如圖1所示[2]。

圖1 礦車GPS導航系統結構圖

系統根據不同的位置進行分類檢測，絕對位置的檢測采用GPS全球定位系統，相對位置的檢測采用方向傳感器，并利用車輪轉速傳感器測量車輛行駛距離。

由于 GPS衛星導航與自律導航所測到的礦車坐標位置數據及前進的方向與實際行駛的路線軌跡在電子地圖上都存在一定誤差。為修正這二者的誤差，確保二者在電子地圖上路線坐標相統一，需采用地圖匹配（Map Matching）技術，這是一項確定車輛在帶有街道名稱和地址的地圖上的定位技術，即在導航系統控制電路中要增加一個地圖匹配電路，對礦車行駛路線與電子地圖上道路的誤差進行實時數字相關匹配，作出自動修正。它經過導航計算機（ECU）的整理程序進行實時快速處理，得到礦車在電子地圖上指示出的正確位置路線。車載GPS的工作原理如圖2所示[3]。

2 模塊設計及實現

圖2 車載GPS導航系統工作原理圖

上位機軟件的設計要求是能夠接收GPS接收機發出來的數據幀，進行解碼并將解碼后的信息顯示出來，能夠根據需要在電子地圖上實時顯示車輛的當前位置，同時可以將GPS信息保存并根據需要進行查詢。為了保證軟件的通用性和可移植性，使用C++語言編寫軟件，并結合Access數據庫。軟件模塊主要分為數據接收模塊、數據處理模塊、數據庫模塊、顯示模塊。系統主要功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

2.1 數據接收模塊和數據處理模塊

GPS數據接收模塊負責接通過接口發送給個人計算機的數據，交由處理模塊進行相應的處理。GPS數據處理模塊把上傳的信息保存在數組緩沖區中，并把其中以$GPGGA和$GPVTG開頭的語句從全部信息中提取出來，通過以上對GPS報文格式的分析，以$GPGGA為開頭的數據幀包含時間、經緯度、GPS狀態、衛星數量、海拔高度的信息，以$GPVTG為開頭的數據幀則包含了速度信息，這七項內容正是需要提取、轉換、顯示、存儲的關鍵信息，這也正是數據處理模塊的主要功能。GPS報文的一幀信息以$加報文頭開始，以回車換行符結束，對一條信息的處理流程如圖4所示。

圖4 一條信息的處理流程

數據處理模塊將時間、緯度、經度、GPS狀態、衛星數量、海拔和速度信息從接收到的數據中提取出來后，與display表中NAME、vel列的名稱一一拼接在一起就構成一組完整的GPS信息顯示在界面上。其顯示結果如圖5所示。

圖5 系統主界面

2.2 數據庫模塊

綜合管理系統在后臺搭建Access數據庫，主要包括兩張表：display和 test，分別用來儲存要顯示的GPS條目的名稱以及GPS每幀信息的詳細內容。此外對表 display的操作還包括添加、修改以及刪除，這樣做的目是為了系統擴展的需要。

2.3 顯示模塊

一個完整的導航系統必須具有良好的人機接口，提供用戶與導航設備的交互，顯示模塊就是將以上各部分的內容整合在一起，給用戶提供一個簡明舒適的人機界面，將信息反饋給用戶，本文設計的GPS調試系統的界面如圖5所示。

全球定位系統所提供的位置信息是礦車坐標系位置，對于礦區中的礦車可以結合谷歌地球（Google Earth）等電子地圖，將GPS所提供的位置信息匹配在數字道路地圖上，為礦車司機提供實時顯示所駕駛車輛及附近車輛位置、礦區地質地形、運輸道路、行駛安全路線、邊坡、卸礦點、緊急撤退路線等信息。

3 結論

本文著重闡述了礦車助駕系統中車載GPS的上位機系統的開發，經過了系統方案的確定、模塊的設計、軟件的測試等過程，完成了系統的開發工作，達到了預期的要求。接下來將進行無線數據傳輸與電子地圖匹配等研究。

[1]王啟明,周愛民. 淺論礦山工程地質災害控制[J].采礦技術, 2004, 4(4)∶ 20-23.

[2]孔慶華.現代交通電子控制技術[M].哈爾濱：東北林業大學出版社, 2004.3, 137-163.

[3]楊東凱. ITS系統分析與自動車輛定位[D]. 北京：北京航空航天大學博士學位論文, 2000.