基于GPS和光電編碼器的車輛定位裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

徐麗霞，徐 靖

(1．安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安237011;2．六安供電公司 營銷部，安徽 六安237011)

前言

在現(xiàn)代路產(chǎn)管理系統(tǒng)中，常常采用帶攝像設(shè)備的采集車將公路沿途的路況、路面環(huán)境和周圍的路標(biāo)等設(shè)施采集成公路視頻影像，然后在視頻回放中結(jié)合GIS地圖進(jìn)行圖像定位．在視頻圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)定位時(shí)，由于車輛自帶的里程表無法實(shí)現(xiàn)精確定位，而基于GPS的定位也存在一定誤差．為了很好地解決這一問題，將車輛行駛里程和實(shí)際地理位置精確對(duì)應(yīng)，采用GPS結(jié)合專用的定位設(shè)備是比較有效的方法［1］．

本文設(shè)計(jì)了以ARM處理器為核心的里程定位裝置，該裝置能獲得較為精確的里程定位數(shù)據(jù)，避免定位數(shù)據(jù)的丟失，保證了車輛的準(zhǔn)確定位．

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中主要硬件結(jié)構(gòu)包括GPS定位模塊、里程采集模塊、ARM處理器和輸入輸出模塊．GPS定位模塊用于獲得GPS數(shù)據(jù)，里程采集模塊用于獲得計(jì)數(shù)信號(hào)，ARM處理器將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合獲得定位數(shù)據(jù)［2］．

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 GPS定位模塊

GPS定位模塊是由GPS接收器和MAX232轉(zhuǎn)換器構(gòu)成．

具體實(shí)施時(shí)，將GPS接收器固定在車輛頂部，然后啟動(dòng)GPS接收器并進(jìn)行初始化和串口設(shè)置，確定連接成功后，GPS接收器開始實(shí)時(shí)采集車輛行駛的GPS數(shù)據(jù)并傳遞給MAX232轉(zhuǎn)換器，MAX232轉(zhuǎn)換器通過電平轉(zhuǎn)換將接收到的GPS數(shù)據(jù)通過RS232串口實(shí)時(shí)傳送給ARM處理器．ARM處理器從GPS數(shù)據(jù)中提取出由經(jīng)度和緯度構(gòu)成的位置數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)．

2．2 里程采集模塊

里程采集模塊由光電編碼器和CPLD計(jì)數(shù)器構(gòu)成．

具體實(shí)施時(shí)，光電編碼器安裝在車輛前右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)軸上，在車輛啟動(dòng)時(shí)光電編碼器的光柵盤同速旋轉(zhuǎn)，通過光敏元件接收光通量整形后輸出脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖信號(hào)．光電編碼器實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程中車輪旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)傳遞給CPLD計(jì)數(shù)器，CPLD計(jì)數(shù)器接收脈沖信號(hào)并進(jìn)行分頻處理后獲得計(jì)數(shù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給ARM處理器．圖2顯示了里程采集模塊對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程．

圖2 里程采集模塊處理過程示意圖

里程采集模塊還包括光電隔離器6N137，光電隔離器6N137用于實(shí)現(xiàn)光電編碼器和CPLD計(jì)數(shù)器的光電隔離［3］．具體連接見圖3所示．

圖3 光電編碼器與CPLD計(jì)數(shù)器連接電路圖

光電編碼器將脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離器6N137的PULS_COUNTER_IN引腳傳送給CPLD計(jì)數(shù)器，CPLD計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)信號(hào)通過PF0、PF1、PF2、PF3、PB4、PD5、PD6、PD7引腳傳遞給ARM處理器．

正式測量前，車輛需先行駛一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離(如1 km)，然后根據(jù)從起點(diǎn)到終點(diǎn)所獲得的脈沖個(gè)數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)距離除以這段距離內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，從而獲得單個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的里程數(shù)．ARM處理器根據(jù)所獲得的單個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的里程數(shù)就能換算得出當(dāng)前的里程值和車速值，然后傳遞給LCD顯示屏．

2．3 ARM處理器模塊

本文中ARM處理器采用的是工業(yè)級(jí)的ARM11處理器PXA270芯片［4］，通過實(shí)時(shí)接收GPS數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)信號(hào)并進(jìn)行融合處理后獲得定位數(shù)據(jù)．

具體來講，ARM處理器通過軟件插值法將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合．在車輛行駛過程中，GPS接收器每秒接收一次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，而1 s內(nèi)CPLD計(jì)數(shù)器會(huì)收到若干個(gè)脈沖，假設(shè)兩個(gè)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)之間有1 000個(gè)脈沖，則將這兩條經(jīng)緯度數(shù)據(jù)連成直線后分成1 000等份，使得每等份所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻都有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，從完成在兩個(gè)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)之間的脈沖插值操作獲得定位數(shù)據(jù)，有效保證里程數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后將所獲得的定位數(shù)據(jù)通過RS232接口傳遞給計(jì)算機(jī)并存入數(shù)據(jù)庫中，方便路產(chǎn)管理系統(tǒng)人員的使用．

ARM處理器與各模塊的連接如圖4所示．

如圖4所示，在電路連接上，MAX232轉(zhuǎn)換器通過串口PC－TXD和PC－RXD接收GPS接收器傳遞的GPS數(shù)據(jù)，并通過串口TXD1和RXD1將GPS數(shù)據(jù)傳遞給ARM處理器［5］．

圖4 ARM與MAX232轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖

2．4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊包括鍵盤和LCD顯示屏．LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示車輛行駛的里程值和車速值，鍵盤用于車輛標(biāo)準(zhǔn)距離的標(biāo)定．在車輛啟動(dòng)后根據(jù)實(shí)際路面所見的兩個(gè)連續(xù)的里程標(biāo)志牌出現(xiàn)的時(shí)刻，通過鍵盤輸入確認(rèn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)距離標(biāo)定，本裝置以1km作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離．

圖5 程序流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖5所示，當(dāng)車輛開始行駛后，車載電源啟動(dòng)供電，系統(tǒng)初始化，各模塊開始工作．具體執(zhí)行步驟如下:

1)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)度過程，此時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)判斷下一步的執(zhí)行步驟;

2)車輛啟動(dòng)判斷:是，進(jìn)入步驟A;否則繼續(xù)判斷;

3)GPS采集判斷:是，進(jìn)入步驟B;否則繼續(xù)判斷;

4)步驟A:設(shè)備初始化，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，里程采集模塊進(jìn)行里程和車速計(jì)算，并傳送給里程校正模塊，同時(shí)將信息通過顯示模塊顯示;

5)步驟B:GPS初始化，對(duì)連接GPS模塊的串口進(jìn)行連接，如果連接失敗則繼續(xù)連接，如果連接成功則采集GPS數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)獲得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，提取經(jīng)度、緯度、海拔、日期、時(shí)間等有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊將信息通過LCD顯示屏顯示．

4 系統(tǒng)測試

通過方案確定、硬件電路仿真、PCB制作、軟件編寫與調(diào)試，最終設(shè)計(jì)出如圖6所示樣機(jī)一套．

圖6 樣機(jī)實(shí)物圖

為了確定系統(tǒng)能否滿足設(shè)計(jì)要求，本文主要進(jìn)行了如下測試:

1)系統(tǒng)上電功能測試;

2)GPS接收功能測試;

3)光電編碼器接收功能測試;

4)1 km標(biāo)定功能測試;

5)車輛啟動(dòng)后速度和里程信息能否正常顯示功能測試．

圖7 里程、速度顯示界面

圖8 1 km里程標(biāo)定

經(jīng)測試，該裝置能實(shí)現(xiàn)上述功能，其中速度和里程信息顯示見圖7所示，1 km里程標(biāo)定見圖8所示．

為了測試本文設(shè)計(jì)的裝置與GPS定位、里程表定位相比是否具有優(yōu)勢，將本文所述裝置裝載到車輛上進(jìn)行了行駛實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，得出了表1所示的對(duì)比數(shù)據(jù)．

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)的裝置從多個(gè)參數(shù)角度來看都優(yōu)于其他兩種方法，平均絕對(duì)誤差比GPS定位減少了4．66 m，比里程表減少了2．2 m，從而進(jìn)一步提高了定位精度．

5 結(jié)論

經(jīng)測試本文設(shè)計(jì)的車輛定位裝置能在車輛行駛過程中對(duì)行駛里程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和定位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，同時(shí)通過鍵盤輸入還能進(jìn)行現(xiàn)場路面里程值的標(biāo)定，保證里程數(shù)據(jù)與所在位置圖像的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值．

［1］徐麗霞．路產(chǎn)影像管理系統(tǒng)中里程校正方法的研究及實(shí)現(xiàn)［D］．長安:長安大學(xué)，2009．

［2］徐麗霞．路產(chǎn)影像管理系統(tǒng)中里程校正方法的研究［J］．常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(10):31－33．

［3］邵輝，舒嶸．光電隔離器6N137的特性和應(yīng)用［J］．電子技術(shù)，1996(2):38－39．

［4］周祺睿．通用PXA270嵌入式開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［5］孫華．車載式公路路產(chǎn)信息采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［D］．長安:長安大學(xué)，2010．