基于GPS和GSM的車輛智能定位與跟隨研究*

于文泰，段敏，白松讓，楊曉麗，鄭蘇

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

前言

隨著“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的實(shí)施，汽車尤其是新能源汽車制造進(jìn)入了高速增長期，汽車逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾某鲂泄ぞ撸c此同時在城市道路尤其是在無信號燈十字交叉口造成的交通擁擠現(xiàn)象頻頻發(fā)生，因此在城市道路進(jìn)行多車定位于跟隨成為了研究熱點(diǎn)[1-2]。基于全球定位系統(tǒng)（GPS）和全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的實(shí)時定位和無線傳輸特性[3]，開發(fā)了一種多車智能定位與跟隨控制系統(tǒng)，對采集到的前車地理位置信息進(jìn)行解析組包成短消息并通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁S車控制系統(tǒng)上，為跟隨車主提供準(zhǔn)確可靠的前車位置服務(wù)，及時提醒跟隨車主進(jìn)行有序行駛，提高道路通行效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在前后車上安裝跟隨控制系統(tǒng)硬件平臺，前車的硬件平臺采用STM32微控制器作為主控芯片，基于GPS定位技術(shù)對行駛工況下的前車采集其地理位置信息，并送STM32對GPS信息幀進(jìn)行解析、提取、轉(zhuǎn)換等運(yùn)算處理后，重新組包為短消息格式的定位信息，將該定位信息通過中國移動通信GSM網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)礁S車硬件接收平臺上，進(jìn)行解析前車定位信息并顯示到液晶顯示屏上，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件平臺主要包括STM32微控制器最小系統(tǒng)電路、GPS地理位置信息采集電路、系統(tǒng)供電電路、GSM遠(yuǎn)程無線通信電路、串口調(diào)試電路等各個具體功電路。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件中的GSM電路為直流（DC）5V供電、GPS模塊和STM32微控制器為直流3.3V供電，考慮到汽車行駛狀態(tài)下提供12V直流電源的工況，采用車載12V電源進(jìn)行DC-DC穩(wěn)壓出5V和3.3V，設(shè)計(jì)中通過LM2596S-5.0芯片穩(wěn)壓出5V，該芯片具有3A輸出電流，最大到40V的寬電壓輸入特性[4]，完全滿足GSM模塊中射頻器件的供電，同時將穩(wěn)壓出的5V作為XC6206-3.3V芯片的輸入電壓，輸出得到GPS模塊和STM32所需的3.3V電壓。系統(tǒng)供電電路原理圖如圖2所示。

在本系統(tǒng)中基于UBLOX NEO-7M GPS模塊設(shè)計(jì)了前車定位信息采集電路，該模塊是采用低功耗主芯片設(shè)計(jì)的超小型GPS接收模組，定位準(zhǔn)確，最大更新速率達(dá)到10 Hz，適用于汽車跟蹤定位、汽車物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等領(lǐng)域。模塊上電后，通過有源天線自動搜索衛(wèi)星，然后通過NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)GPS接收機(jī)輸出協(xié)議解析出所定位汽車的經(jīng)緯度信息、海拔、航向、速度、用于定位的衛(wèi)星數(shù)、可見衛(wèi)星數(shù)、 UTC時間等信息[5]。設(shè)計(jì)中GPS模塊通過串行通信接口（UART2）與STM32微控制器進(jìn)行物理連接，該電路如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)供電電路原理圖

圖3 GPS定位信息采集電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用嵌入式C語言在MDK-ARM 集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫代碼，然后編譯成二進(jìn)制機(jī)器碼文件，運(yùn)行于STM32微控制器上。在前車上的軟件主要包括：初始化模塊、GPS定位信息采集模塊、GSM短信組包發(fā)送模塊等；跟隨車上的軟件主要包括：初始化模塊、GSM短信接收模塊、GPS數(shù)據(jù)解析和顯示模塊等。前車采集發(fā)送和跟隨車接收、解析、顯示等兩部分軟件總體流程圖如圖4所示。

圖4 前車與跟隨車軟件總體流程圖

4 系統(tǒng)測試和分析

系統(tǒng)硬件平臺已制作完畢并進(jìn)行前后車跟隨調(diào)試，當(dāng)前車車進(jìn)入行駛狀態(tài)時，此時采集GPS定位信息與實(shí)際的定位相比，誤差在1～2米范圍內(nèi)， 同時GSM網(wǎng)絡(luò)無延遲，跟隨車能及時收到前車發(fā)來的信息并解析同時顯示在串口小助手上如圖5所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖5 系統(tǒng)測試GPS定位信息解析圖

5 結(jié)論

基于GPS和GSM技術(shù)的實(shí)時定位和遠(yuǎn)程無線傳輸特性，開發(fā)了一種多車智能定位與跟隨控制系統(tǒng)，對采集到的前車地理位置信息進(jìn)行解析組包成短消息并通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁S車控制系統(tǒng)上，為跟隨車主提供準(zhǔn)確可靠的前車位置服務(wù)，及時提醒跟隨車主進(jìn)行有序行駛，提高道路通行效率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。