礦車車載GPS上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

郝 剛 郭繼毅 管長焦 邵明杰

（1.煤炭科學(xué)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(chǎn)安全事故高發(fā)國家，礦石百萬噸死亡率是美國、南非等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的30倍以上[1]。在露天礦中，運(yùn)輸事故是主要礦山事故，據(jù)安太堡露天煤礦和黑岱溝露天煤礦統(tǒng)計(jì)，每年礦車運(yùn)輸事故占采運(yùn)事故的比例達(dá)70%以上。引發(fā)事故的部分原因是司機(jī)缺少足夠的可視度和可供參考的實(shí)時圖形圖像信息，因此開發(fā)助駕系統(tǒng)可以降低與采礦設(shè)備操作有關(guān)的風(fēng)險，減少采礦工業(yè)的傷亡率。

礦車助駕系統(tǒng)是全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、電子地圖、無線通信綜合在一起的高科技應(yīng)用系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。GPS的應(yīng)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(jī)構(gòu)的研究對象。

本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件將接收的GPS定位信號，解讀出其中的時間、經(jīng)緯度、海拔等定位信息并實(shí)時顯示在界面上，同時將定位信息存入數(shù)據(jù)庫，將接收數(shù)據(jù)結(jié)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(qū)信息、選擇安全的行駛路線。

1 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是 GPS接收天線、GPS接收機(jī)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、可視顯示器以及位置檢測裝置等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 礦車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

由于 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與自律導(dǎo)航所測到的礦車坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)及前進(jìn)的方向與實(shí)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(biāo)相統(tǒng)一，需采用地圖匹配（Map Matching）技術(shù)，這是一項(xiàng)確定車輛在帶有街道名稱和地址的地圖上的定位技術(shù)，即在導(dǎo)航系統(tǒng)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(jìn)行實(shí)時數(shù)字相關(guān)匹配，作出自動修正。它經(jīng)過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)（ECU）的整理程序進(jìn)行實(shí)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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

圖2 車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)要求是能夠接收GPS接收機(jī)發(fā)出來的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行解碼并將解碼后的信息顯示出來，能夠根據(jù)需要在電子地圖上實(shí)時顯示車輛的當(dāng)前位置，同時可以將GPS信息保存并根據(jù)需要進(jìn)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(jié)合Access數(shù)據(jù)庫。軟件模塊主要分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、顯示模塊。系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊

GPS數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接通過接口發(fā)送給個人計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，交由處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。GPS數(shù)據(jù)處理模塊把上傳的信息保存在數(shù)組緩沖區(qū)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$GPGGA為開頭的數(shù)據(jù)幀包含時間、經(jīng)緯度、GPS狀態(tài)、衛(wèi)星數(shù)量、海拔高度的信息，以$GPVTG為開頭的數(shù)據(jù)幀則包含了速度信息，這七項(xiàng)內(nèi)容正是需要提取、轉(zhuǎn)換、顯示、存儲的關(guān)鍵信息，這也正是數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)處理模塊將時間、緯度、經(jīng)度、GPS狀態(tài)、衛(wèi)星數(shù)量、海拔和速度信息從接收到的數(shù)據(jù)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(gòu)成一組完整的GPS信息顯示在界面上。其顯示結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

2.2 數(shù)據(jù)庫模塊

綜合管理系統(tǒng)在后臺搭建Access數(shù)據(jù)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(xì)內(nèi)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(tǒng)擴(kuò)展的需要。

2.3 顯示模塊

一個完整的導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有良好的人機(jī)接口，提供用戶與導(dǎo)航設(shè)備的交互，顯示模塊就是將以上各部分的內(nèi)容整合在一起，給用戶提供一個簡明舒適的人機(jī)界面，將信息反饋給用戶，本文設(shè)計(jì)的GPS調(diào)試系統(tǒng)的界面如圖5所示。

全球定位系統(tǒng)所提供的位置信息是礦車坐標(biāo)系位置，對于礦區(qū)中的礦車可以結(jié)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(shù)字道路地圖上，為礦車司機(jī)提供實(shí)時顯示所駕駛車輛及附近車輛位置、礦區(qū)地質(zhì)地形、運(yùn)輸?shù)缆?、行駛安全路線、邊坡、卸礦點(diǎn)、緊急撤退路線等信息。

3 結(jié)論

本文著重闡述了礦車助駕系統(tǒng)中車載GPS的上位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，經(jīng)過了系統(tǒng)方案的確定、模塊的設(shè)計(jì)、軟件的測試等過程，完成了系統(tǒng)的開發(fā)工作，達(dá)到了預(yù)期的要求。接下來將進(jìn)行無線數(shù)據(jù)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(zhì)災(zāi)害控制[J].采礦技術(shù), 2004, 4(4)∶ 20-23.

[2]孔慶華.現(xiàn)代交通電子控制技術(shù)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社, 2004.3, 137-163.

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