基于u-Blox GPS的工礦料場無人化車輛監控研究

黎雪芬

（無錫職業技術學院控制技術學院，江蘇　無錫214121）

基于u-Blox GPS的工礦料場無人化車輛監控研究

黎雪芬

（無錫職業技術學院控制技術學院，江蘇無錫214121）

結合煤礦、鋼鐵廠等大型料場管理的實際需求，進行了基于u-Blox GPS的料場進出車輛監控問題研究。設計了基于u-Blox GPS應用單元，研究了LEA-4H型GPS接收機模塊的設置方法及PUBX00報文信息提取技術。結合料場監控需要，研究了柵格化地圖標定、縮放、平移及行駛軌跡匹配技術。針對車輛是否進入料場的檢測問題，提出了“同側判斷法”，實現了僅通過利用GPS位置信息來檢測車輛是否在料場區域內。應用于某無人化料場車輛監控與管理系統中，表明本文研究的正確性和穩定性，為各類相關料場、車隊等的監控與管理提供了一種行之有效的實現方案。

GPS；料場；監控；同側判斷法

在煤礦、鋼鐵廠等大型貨物、材料堆積場（以下簡稱“料場”）中，保證作業中的堆料塔機吊車與進出車輛免于發生碰撞，保障貨物的運輸通暢，是料場管理的首要任務。其中，獲得運輸車輛的準確位置對料場與貨料管理具有重要意義。而GPS（Global Positioning System，全球定位系統）接收機由于成本低、定位信息較準確，已在飛機、船舶、汽車等交通工具中得到大量應用。

本文基于新型u-Blox GPS接收機，結合料場管理的實際需要，對料場車輛監控管理進行研究。首先基于u-Blox GPS模塊設計GPS應用單元，然后研究了GPS坐標轉換方法并對精度進行了分析，在此基礎上，基于GPS位置研究提出了車輛進出料場的檢測方法。

1　u-Blox GPS應用單元設計

1.1u-Blox LEA-4H型GPS特點

GPS信號接收機是GPS導航衛星的用戶設備，是實現GPS衛星導航定位的終端儀器。按用途分GPS接收機可分為授時型、測地型、導航型三種［1］。其中導航型接收機主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。實時處理接收信號，定位精度為米級，價格便宜，應用廣泛。

u-Blox是瑞士一家從事GPS接收機研究設計與生產制造的公司［2］，其獨有的ANTARIS技術GPS模塊可以在天空視野有限的區域內提供動態條件下出色的導航性能，具有16通道路并行信道與8 192個搜索位，保證了快速的啟動時間。此外，uBlox GPS模塊具有低功耗與FixNow節電模式，適用于手持機及電池供電類設備。uBlox開發了LEA、TIM等多系列產品，其中LEA-4H型GPS接收機模塊是L1頻段C/A碼16通道導航型接收機，其性能參數見表1.

表1　LEA-4H型GPS信號接收機模塊技術參數

由上表可知，該接收機具有能耗小、啟動速度快、動態性能好的特點，并提供了串口與外部通信，可以方便地集成在其他電路系統中。工作溫度范圍為-40～85℃，圓誤差概率定位精度優于2.5 m，適于工業應用。因此在本文中選用該型GPS模塊進行應用研究。

1.2硬件設計

LEA-4H型GPS模塊僅需要為模塊提供電源并接入GPS天線，即可通過USB或UART接口與外部設備進行通信，輸出定位信息。

然而為了獲得車輛的定位信息，還必須采用無線數字傳輸模塊，將相關信息傳輸到管理中心。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術［3］。它的傳輸速率為10 kB/s～250 kB/s，在低功耗待機模式下，兩節普通5號電池可使用6～24個月。ZigBee無線通信網絡可以是星形、網狀型、簇狀形、樹形和MESH網狀網等任意網絡拓撲結構。通過相鄰節點路由，可以通過“多級跳”的方式來通信，具有自組織、自愈能力強、通信可靠的特點。由上述分析可見，ZigBee無線通信非常適于本文料場監控管理的需要，因此本文采用了基于Zigbee技術的SZ05型無線數字傳輸模塊。

根據以上研究，本方提出了如圖1所示的GPS無線應用單元硬件設計方案。該方案中，MCU通過UART對GPS模塊和ZigBee無線數字傳輸模塊進行設置，對GPS定位信息進行解析提取，并將信息通過另一UART通過無線傳輸模塊發送出去。

圖1　GPS應用單元硬件組成方案

1.3LEA-4H型GPS模塊設置方法

理論上使用該GPS接收機時不需要設計接口電路即可直接將信號輸出。其輸出信號協議遵從NMEA0183協議［4］。與本文所使用的GPS模塊有關的NMEA0183標準協議有GPGGA等十種。

在實際應用中，由于該接收機模塊冷啟動后進入缺省設置狀態，以9.6 kbps的波特率以1 Hz輸出GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG、ZDA等協議數據，這將帶來四個問題：（1）信息更新率僅1 Hz，需通過軟件將其更新率設至4 Hz，以充分發揮其優勢；（2）輸出的8種協議，每次傳輸多達560余字節，其內容涉及授時、位置、星數、精度、定位狀態、衛星信息、速度、航向、測距殘差、偽距誤差、提示信息等，且各協議內容有較多交疊重復，有些是與實際應用無關的；（3）在4 Hz數據更新率的情況下，每秒應傳送的數據超過2 240字節，超過默認的波特率下的通信帶寬，造成數據丟失；（4）按照默認設置，MCU將要處理大量的冗余信息，造成資源浪費，并影響定位信號數據傳輸的實時性。

事實上，u-Blox公司開發了PUBX00等專屬的NMEA協議，其信息內容包括經度、緯度、海拔、地速、航向、定位狀態等，方便用戶使用。

根據該情況，并針對上述問題，LEA-4H模塊上電之后應對其進行初始化設置，其步驟如下：

（1）將MCU的UART0的波特率設置為9 600 bps，使之與GPS模塊的缺省波特率一致；

（2）依次輸入相關指令以禁止以下七種默認的輸出協議：ZDA、GSV、RMC、VTG、GGA、GSV、GLL，在每條指令輸入完成后各延時0.2 s以等待指令生效；

（3）輸入指令以允許PUBX00協議輸出，并延時2 s以待指令生效；

（4）輸入指令以更改GPS模塊的接口波特率至38 400 bps，延時2 s以待指令生效；

（5）將MCU的UART0的波特率設置為38 400 bps，與GPS模塊波特率一致；

（6）輸入指令以設置GPS輸出數據更新率和導航頻率為4 Hz，延時1 s以待指令生效；

經過以上步驟，即按要求完成了GPS模塊配置，然后可進入正常的處理流程。其中第2、3、4、6步中各指令如表2所示。

表2　GPS設置指令

1.4PUBX00協議報文數據提取方法

通過對LEA-4H設置后，GPS模塊將以4 Hz的更新頻率輸出PUBX00協議。PUBX00協議其格式為：

$PUBX，00，hhmmss.ss，Latitude，N，Longitude，E，AltRef，NavStat，Hacc，Vacc，SOG，COG，Vvel，ageC，HDOP，VDOP，TDOP，GU，RU，DR，*cs＜CR＞＜LF＞

該協議包含信息較多，而實際上大多數用戶所關心的定位信息較為有限，若能將所關心的協議中的有關信息預先提取出來，組成一個精簡的定制協議，即可進一步降低串行通信和無線數字傳輸模塊的數據吞吐量，提高可靠性。

MCU軟件中，為處理接收PUBX00協議報文，首先應開辟一個足夠大（如128Byte）的接收緩沖區GPSBuffer，然后在UART接收中斷服務程序中從’$’開始接收字符，依次放入GPSBuffer，直接接收到幀尾＜CR＞或＜LF＞，此時將接收完成標志gps_frame_over置位。

在主循環中查詢如果gps_frame_over被置位，則調用相關函數進行GPS報文數據提取，執行完該函數后將gps_frame_over復位。

其中報文數據提取函數的設計思路如下：

（1）進行校驗，以確保所接收到的數據的正確性與完備性。

（2）根據面向字符型協議的特點，以逗號為序，依次提取出相關的字符串，并按所設計的GPS精簡協議轉換成指定格式的數值。

（3）如果轉換完成，則將上述數值編制成GPS精簡協議，并啟動發送。

通過以上方法，所關心的車輛GPS信息以4Hz的頻率通過無線數據傳輸模塊發送到監控中心［5］。

2　柵格化地圖技術

為了反應出車輛行駛過程中與地面的位置關系，在監控中心必須采用地圖技術。目前市場上已經出現了各種矢量化數字地圖軟件，在應用中存在著以下不足：（1）軟件開放性差，不適于集成在監控中心內；（2）地圖更新慢，很多道路、建筑等與實際情況并不對應；（3）地圖比例尺度過大而失之于粗略，不能反應車輛行行駛范圍內的詳細情況。為此，本文研究了一種柵格化地圖技術，可將普通的地圖圖片掃描形成柵格文件后，通過對其進行標定，再配合GPS定位數據以實時反應車輛與地面的真實位置關系。

2.1地圖標定

地圖標定的目的是建立起與GPS位置的對應關系，具體而言要包括：1）確定圖形中某一像素點（通常是地圖中心像素點）對應的經緯度坐標；2）確定地圖的比例關系，即地圖上每動一個像素，對應的經緯度的增減量。

可通過確定地圖上斜對角上的兩個點實現地圖的標定。設地圖分辨率為xM×yM，圖上兩個像素p1 （x1，y1）、p2（x2，y2）對應的經緯度值分別為p1（λ1，φ1）、p2（λ2，φ2），圖形設備坐標系odxdyd原點為圖形的左上點，xd向左為正，yd向下為正，則有

地圖中心點的經緯度有：

地圖標定好之后，將式（1）、（2）所得四個數值寫入特定文件，以供程序調用。

由于地球平面是三維橢球面，而地圖是二維平面，因而任何二維地圖均不可避免存在變形誤差，導致車輛實際位置與地圖上顯示的位置有偏移。應用上述方法標定后四個角點最大經度誤差為：

以料場車輛范圍300 km×300 km、地圖中心點位于北緯31°的上海市郊為例推算，可得經度最大誤差為2.257 8e-9°，轉換后得最大距離誤差為0.252 m.該誤差小于GPS定位精度，在應用中略去不計。

2.2地圖縮放與平移

為實現地圖的平移和縮放，定義縮放系數Cz、左右偏移量△x、上下偏移量△y.其中Cz初值為1，△x與△y初值均為0.

當△x與（或）△y變化時，按式（5）更新地圖的左上角點在以窗口左上角點為坐標原點的窗口坐標系（Y軸向下為正）中的位置值Lx，Ly以及地圖欲平鋪的范圍xD，yD；當Cz變化時則依次按式（4）、式（5）計算更新相關參數，即可顯示縮放和平移后的圖形。

式（5）中W、H表示地圖顯示窗口的寬與高的像素值。

2.3軌跡匹配與顯示

在地圖縮放與平移后，為了使車輛行駛軌跡與地面匹配，應按式（6）進行變換，為將車輛某時刻經緯位置（λi，φi）轉化為窗口坐標系下的像素位置（xi，yi）.

值得注意的是，式中yi的計算中并不需要考慮南北半球而產生的正負號問題，這是由于式（1）中sφ的算式已經自動帶入了符號。這樣依時間順序繪制出各車輛的位置連線，即可形成與地圖實際位置相對應的動態行駛軌跡。

3　基于GPS的出入料場檢測方法

料場管理中重要的一項是對進入料場車輛進行重點監控以保證安全，而如何在不使用其他附屬手段的條件下，僅使用車輛GPS位置信息檢測車輛是否進入料場是其中的關鍵問題。

通常料場輪廓形狀較為規則，一般為矩形。如圖2所示，考慮由逆時針頂點P1，P2……Pn的凸多邊形料場，移動點M為車輛，則問題歸結為如何判斷M在凸多邊形內部。

圖2　進出凸多邊形料場檢測方法

通過研究，本文提出了“同側判斷法”。在圖2中，如果車輛在凸多邊形內部，車輛始終位于沿凸多邊形逆時針頂點所構成的各邊的左側（如頂點按順時針順序排列，則在右側）。設M點坐標為（x，y），則M到頂點Pk-1（xk-1，yk-1）與Pk（xk，yk）的距離d有：

值得注意的是，式（7）中側距離d是有符號的量，從上一頂點Pk-1向下一頂點Pk方向看，若當前位置M位于任務軌跡的左側，則d為正值，反之為負值。

因此，檢測M點在凸多邊形內部的“同側判斷法”可以簡單地歸納為：M點到各邊的距離均為正或均為負時，表明M點在凸多邊形內部，否則在外部。

對于非凸多邊形區域，可將其劃分為2個或多個凸多邊形區域再分別進行判斷，如圖3所示。只要在其中一個凸多邊形區域即可確認。

圖3　非凸多邊形可以劃分成多個凸多邊形

通過上述方法，僅通過利用已有的GPS位置信息，即可檢測車輛是否在料場區域內。

4　應用

本文研究成果在某鐵礦石無人化料場得到應用。該料場包括兩個不連通的南北兩個區域。每個料場中間是塔機吊車的軌道。當車輛進入料場時，裝在各車輛上的GPS應用單元向監控中心傳輸定位信號，監控中心對位置進行監測以防止與吊車發生碰撞，實現對無人化料場的監控與管理。該系統還可以擴展到貨料運輸監控管理中。

該料場車輛監控系統人機界面如圖4所示。該界面主要包含2個部分，即串口通信區與料場地圖與車輛顯示區。

圖4　某鐵礦石料場車輛監控系統

串口通信區位地界面左側，用戶可以選擇串行通信的端口號及其波特率并建立連接，在提示框中依次顯示最新的若干條提示信息和命令，還可以通過手動發送自定義信息經數字傳輸模塊傳送到相關車輛終端。

料場地圖與車輛顯示區中顯示地圖與車輛位置，可選擇是否顯示各車輛的行駛軌跡。可使用工具欄中的上、下、左、右、放大、縮小、恢復等按鈕對地圖進行相關操作；在行駛軌跡重疊不分時，可點擊工具欄中的橡皮擦按鈕以清除此前的軌跡。

所設計的GPS應用單元和料場監控系統運行可靠，表明了本文研究的正確性和穩定性。

5　結束語

本文結合大型料場進出車輛管理需要，研究了基于u-Blox GPS的料場車輛監控問題。在分析u-Blox GPS接收機特點的基礎上，設計了GPS應用單元的硬件，并研究了LEA-4H型GPS接收機模塊的設置方法和GPS報文信息提取技術。根據料場地圖顯示需要，研究了柵格化地圖的標定、縮放、平移及地圖與車輛軌跡匹配技術。提出了“同側判斷法”，實現了僅通過利用GPS位置信息，即可檢測車輛是否在料場區域內。本文研究成果在某無人化料場車輛監控與管理系統中，可靠運行多年，表明了本文研究的正確性和穩定性，為各類相關料場、車隊等的監控與管理系統的設計提供了有益參考。

［1］龔真春.GPS在微型無人機導航定位中的研究與應用［D］.杭州：浙江大學，2005.

［2］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.《ZigBee技術及應用》［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007：6.

［3］Klaus Betke.NMEA 0183［Z］.2001.

［4］u-Blox公司.ANTARIS Protocol Specification［Z］.2007.

Research on Unmanned Vehicle Monitoring System based on GPS u-Blox in Industrial and Mining Area

LI Xue-feng
（Control and Technology College，Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121，China）

For the vehicle manage require of the large materials yard，this paper research the monitor problem based on u-Blox GPS.Design the GPS applicable unit，research the setting method of LEA-4H and the extract skill of GPS protocol data.Research the grid-based map technology to mark，zoom，translation the map and match the vehicle track.Propose the“same side judgment”to check the vehicle whether in the yard only by GPS location. The correctness and stability of the research result are proved by the reliable operation of a unmanned iron ore yard vehicle system for years.The research providegood reference for the design of the monitor and manage system in other material yard and fleet.

GPS；material yard；monitor；same side judgment

TP391.4

A

1672-545X（2016）07-0166-05

2016-04-09

黎雪芬（1979-），女，江西豐城人，碩士，講師，從事自動化控制方面教學與研究工作。