車載多媒體導(dǎo)航儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)車輛在行駛過(guò)程中的導(dǎo)航定位問(wèn)題，實(shí)時(shí)接收車輛的經(jīng)緯度、高度、方向等位置信息的需求，設(shè)計(jì)一款基于GPS的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ARM內(nèi)核的微控制器為硬件部分的核心，GPS模塊接收到的衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)串口傳送到開發(fā)板擴(kuò)展的LCD上顯示，在PC機(jī)上使用軟件接收GPS模塊的信息與地圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GPS定位和信息獲取、有良好穩(wěn)定性，滿足車載導(dǎo)航的要求。

關(guān)鍵詞：GPS；車載導(dǎo)航；定位；匹配；GPRS

1 前言

汽車作為現(xiàn)代人出行的代步工具，對(duì)車輛的導(dǎo)航定位有更高的要求。隨著人們收入的增加，汽車的銷售量也有所增長(zhǎng)，人們選用自駕車的方式出行，需要實(shí)時(shí)獲取相應(yīng)的地理位置和行車路徑，方便駕駛者更快更準(zhǔn)確到達(dá)目的地。進(jìn)入二十一世紀(jì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，實(shí)現(xiàn)任何物品間信息交換，對(duì)物體的跟蹤定位，方便人們實(shí)時(shí)處理突發(fā)情況。隨著各國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn)，廣泛用于道路、航空、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本系統(tǒng)基于GPS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?yàn)轳{駛者提供連續(xù)、精確的車輛導(dǎo)航定位信息，以STM32F103為主控制器處理從GPS模塊接收到的定位信息，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)把信息傳送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也能夠通過(guò)手機(jī)接收汽車相關(guān)的位置信息，車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅幫助駕駛者準(zhǔn)確、安全地到達(dá)目的地，而且提高了交通運(yùn)輸?shù)男?，?duì)智能化交通的發(fā)展有一定的意義。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)圍繞GPS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由車載設(shè)備和監(jiān)控終端組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器負(fù)責(zé)處理GPS模塊接收的定位信息，GPS模塊自動(dòng)獲取車輛的當(dāng)前位置、行駛速度和時(shí)間等信息，然后使用與地圖匹配的方法，由GPRS模塊負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送，通過(guò)現(xiàn)有的導(dǎo)航軟件為用戶顯示車輛行車地理位置和導(dǎo)航路徑，在車輛發(fā)生異常情況時(shí)車載系統(tǒng)可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將其位置信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，方便駕駛者實(shí)時(shí)了解車輛的安全情況。

3 車載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 GPS模塊的設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)的GPS部分選用瑞士U-BLOX公司的一款以NEO-6M為模組的第6代GPS接收機(jī)，搭載了高性能的50通道衛(wèi)星接收功能，捕獲追蹤靈敏度為-161dBm，創(chuàng)新的RF架構(gòu)使抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)還具備慣性導(dǎo)航、自動(dòng)航跡推算（ADR）和A-GPS等技術(shù)，提供UART，USB，IIC，SPI等多種接口，兼容3.3V/5V單片機(jī)系統(tǒng)。模塊GPS定位的數(shù)據(jù)輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)格式基本上采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183協(xié)議。GPS開啟后，周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，模塊采用GPRMC的數(shù)據(jù)格式，每行以字符‘$開頭，接著顯示信息類型和數(shù)據(jù)，相鄰數(shù)據(jù)之間用逗號(hào)分隔開，一整行的基本格式如下（其中hh為校驗(yàn)和，CR和LF代表回車換行）：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh以上各數(shù)字代表了GPS接收的時(shí)間、定位狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、速率、航向和日期等信息，其表示的格式，在得到經(jīng)度和緯度后需要進(jìn)行度分秒格式的轉(zhuǎn)換，經(jīng)、緯度的計(jì)算方法相同，以緯度換算為例，如測(cè)得的緯度信息為2419.69167，將數(shù)據(jù)整除以100就可直接讀出24度，然后先減去度數(shù)24再乘以60就可直接讀出11分，最后把前面的結(jié)果減去分?jǐn)?shù)11后再乘以60得到就可直接讀出48秒，所以測(cè)得的緯度信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后為24°11′48″；對(duì)于NMEA-0183協(xié)議的校驗(yàn)，通過(guò)對(duì)命令格式中的“$”到“*”符號(hào)之間字符的ASCII碼進(jìn)行異或運(yùn)算得到校驗(yàn)和（hh）；通過(guò)了解協(xié)議的內(nèi)容后，可以進(jìn)行代碼的編寫，然后主控器STM32解析GPS模塊接收的數(shù)據(jù)格式，從而獲得GPS定位的各種信息。

3.2 車載設(shè)備硬件與設(shè)計(jì)

載設(shè)備以汽車為載體，包括了主控制器、GPS模塊、GPRS模塊和其他擴(kuò)展模塊等硬件設(shè)備。系統(tǒng)的主控制器模塊選用32位的ARMCortex-M3微控制器STM32F103，其最高工作頻率為72MHz，帶有256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，多達(dá)112個(gè)I/O口、5個(gè)USART、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種工作模式，保證了低功耗應(yīng)用的要求，其豐富的外設(shè)使這款微控制器適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合。GPRS模塊用于將處理好的GPS衛(wèi)星定位信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控終端，并且在擴(kuò)展模塊檢測(cè)到異常的時(shí)候把信息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，實(shí)時(shí)對(duì)汽車進(jìn)行調(diào)度管理。

4 車載系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 GPS導(dǎo)航定位的設(shè)計(jì)

4.1.1 GPS定位精度

由于GPS模塊獲取衛(wèi)星定位信息時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行軌道和時(shí)鐘等存在誤差，各種自然因素對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，還有SA技術(shù)的影響，使得GPS的定位精度只有100m，本系統(tǒng)使用偽距差分將GPS定位精度提高至3m-10m。偽距差分是通過(guò)已知的基準(zhǔn)站坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷，求得衛(wèi)星到基準(zhǔn)站之間距離精確值后與基準(zhǔn)站偽距值求差，得到的差分修正值傳送至流動(dòng)臺(tái)對(duì)衛(wèi)星偽距觀測(cè)值進(jìn)行修正再單點(diǎn)定位，其中基準(zhǔn)站與流動(dòng)臺(tái)可相距200km-300km。

4.1.2 GPS定位與地圖匹配

車載系統(tǒng)中GPS模塊接收到定位信息以后，將帶有一定誤差的GPS位置信息與電子地圖進(jìn)行匹配，最終以圖像的形式與用戶進(jìn)行交互，確定車輛在地圖上的位置，地圖匹配算法流程圖。

4.2 車載系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)定位信息的處理

首先對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控終端通信，終端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，為用戶顯示出車輛的導(dǎo)航路線與定位信息。GPRS模塊選用的是SIMCOM公司的一款GSM/GPRS芯片SIM900A，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，使用AT命令可以簡(jiǎn)單的與終端進(jìn)行TCP連接。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的車載系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)行駛車輛的定位信息獲取和顯示，采用偽距差分方法提高定位精度，通過(guò)地圖匹配和地圖匹配算法將最佳路徑在地圖上表示并供駕駛者參考，使得系統(tǒng)整體的導(dǎo)航定位可靠性提高。系統(tǒng)基于GPS技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)系統(tǒng)的其他擴(kuò)展模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)車輛地理位置的遠(yuǎn)程通信，智能獲取車輛環(huán)境的各種信息，為駕駛者提供良好、舒適的駕駛體驗(yàn)，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。

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（作者身份證號(hào)：130281198810220510）

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)龍，1988年生，男，漢族，河北省遵化市，大專學(xué)歷，助理工程師，主要研究車載多媒體影音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。