GPS導(dǎo)航智能小車(chē)設(shè)計(jì)

湖北大學(xué)知行學(xué)院 李 欣

隨著科技地發(fā)展，GPS導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多元化。利用GPS導(dǎo)航小車(chē)，可以實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的無(wú)人駕駛，具體設(shè)計(jì)如下。

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(chē)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)。具體的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

GPS導(dǎo)航板通過(guò)數(shù)據(jù)輸出線與EasyARM1138開(kāi)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(kāi)發(fā)板上的串口與上位機(jī)連接，通過(guò)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(chē)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(kāi)發(fā)板供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)板提供的。

2.2 EasyARM1138開(kāi)發(fā)板

EasyARM1138開(kāi)發(fā)板具有簡(jiǎn)明的外圍電路設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)無(wú)需任何連線和跳線，操作極為方便。開(kāi)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(wú)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(lái)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(lái)控制兩個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

2.3 小車(chē)行駛狀態(tài)的控制

小車(chē)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。具體電路如圖2所示。

圖2 小車(chē)行駛狀態(tài)控制電路圖

L298N是一個(gè)H橋集成芯片，其中IN1～I(xiàn)N4接收EasyARM1138開(kāi)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(guò)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(chē)的左輪和右輪。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(kāi)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。

3.2 GPS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(shuō)是一個(gè)反饋系統(tǒng)，根據(jù)小車(chē)的目前形式情況和目前的經(jīng)度緯度信息，控制小車(chē)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(chē)演奏音樂(lè)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 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。

[1]Simon Haykin,Adaptive Filter Theory,Publishing House of Electronics Industry.

[2]周立功.Cortex-M3處理器簡(jiǎn)介[M].廣州:廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.

[3]鮑遠(yuǎn)律,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)GPS實(shí)驗(yàn)室——GPS.

[4]李文天,GPS原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[5]胡友健,羅昀,曾云,全球定位系統(tǒng)(GPS)原理與應(yīng)用[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2003.