加入技術(shù)交流群
引言
當前，衛星導航成為導航技術(shù)發(fā)展的主要方向，自助式導航繼續發(fā)展，組合導航系統已經(jīng)成為主要的導航方式。針對電子羅盤(pán)經(jīng)啟動(dòng)后要較長(cháng)時(shí)間才能穩定，而陀螺球轉速高、磨損大、壽命短等問(wèn)題[1]，本文做了載體姿態(tài)和位置測量的研究。就測姿定位問(wèn)題，本文基于單片機最小系統，設計了基于GPS/電子羅盤(pán)的測姿定位系統，將GPS與電子羅盤(pán)組合,利用多種信息源相互補充，構成了一種有多余度和高精度的導航定位系統。它具有高精度、穩定、小型化、易操作等特點(diǎn)，為最終組合導航的實(shí)現奠定了基礎。
1 系統總體設計方案
基于GPS/電子羅盤(pán)的測姿定位系統結構框圖如圖1所示。
RXD0為GPS接收機發(fā)送到單片機的數據;RXD1為電子羅盤(pán)發(fā)送到單片機的數據；TXD0為單片機發(fā)送到MAX3232的數據；P(2~3)為單片機發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示的數據。整個(gè)流程如下：首先，GPS接收機iTrax0302通過(guò)天線(xiàn)接收GPS衛星發(fā)射的信號，按要求輸出當前經(jīng)度、緯度和高度信息。電子羅盤(pán)HMR3300 實(shí)時(shí)輸出跟蹤天線(xiàn)的當前方向、俯仰信息。GPS 接收機iTrax0302和電子羅盤(pán)HMR3300 輸出的信息由C8051F021單片機通過(guò)串行口接收，單片機子系統是整個(gè)系統的控制核心，它完成串行信息的接收、數據處理和對各部分電路的控制工作。經(jīng)處理的信息由單片機串行口輸出后，再經(jīng)過(guò)電平轉換芯片MAX3232實(shí)現由TTL到RS232電平的轉換。最后，再由MAX3232將信息傳入上位機顯示即可。
圖1 基于GPS/電子羅盤(pán)的測姿定位系統結構框圖
2 系統硬件設計
2.1 電路的基本構成
在信息接收模塊中，本系統采用iTrax0302作為GPS接收機，GPS上電后將自動(dòng)從天線(xiàn)接收GPS衛星發(fā)射的射頻信號，經(jīng)過(guò)一系列的處理過(guò)程，通過(guò)并行通道完成最佳位置衛星的跟蹤，測出衛星到天線(xiàn)的傳播距離，解讀導航電文，從而計算出經(jīng)度、緯度、海拔高度等信息。iTrax0302是體積小、功耗低的GPS OEM板，具有極快的信號獲取引擎，自帶2個(gè)UART接口，可接收NMEA0183格式的數據和二進(jìn)制的iTalk格式數據。
iTrax0302內嵌8 Mb的Flash，可用于存儲中間定位數據，并為授時(shí)應用提供極高的精度[2]。對偏航、俯仰等姿態(tài)信息的獲取選用了數字電子羅盤(pán)HMR3300，航向精度為±1.0°，分辨率可達0.1°，橫滾和俯仰的精度為±0.3°，分辨率為±0.1°,輸出端口采用RS232（或RS485）。同時(shí)，它還具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等特點(diǎn)[3]。
在信息處理模塊中，GPS和電子羅盤(pán)將采集到的信息通過(guò)串口不斷發(fā)送過(guò)來(lái)，單片機通過(guò)對這些數據的處理提取所需的有用信息，然后將有用信息按一定協(xié)議組裝成數據包傳送給電平轉換器發(fā)送模塊?？刂普麄€(gè)系統的中央處理器選用C8051F021，它是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是改進(jìn)了可以控制片內數字資源與外部I/O引腳相連的交叉開(kāi)頭網(wǎng)絡(luò )。
C8051F021具有異步的雙串口UART0和UART1,可分別用于接收電子羅盤(pán)信息與GPS信息。而在接收電子羅盤(pán)信息與GPS信息時(shí)要分為兩個(gè)中斷分別進(jìn)行信息處理。C8051F021具有多中斷源，滿(mǎn)足這一性能要求。此外，C8051F021還具有低功耗、高速度、低電壓工作（3.3 V）、高容量存儲器等特性，滿(mǎn)足本方案的要求，故信息處理模塊采用C8051F021單片機。
信息接收和信息處理模塊的硬件電路圖如圖2所示。
圖2 信息接收和信息處理模塊的硬件電路圖
2.2 串行通信接口電路
在信息傳輸模塊中，由于C8051F021引腳的信號電平為T(mén)TL類(lèi)型，而上位機串口的異步串行通信是基于RS232標準的，兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行信號電平轉換。而MAX3232芯片能直接將單片機輸出的TTL電平轉換成上位機能接收的RS232電平，或將PC機輸出的RS232電平轉換成單片機能接收的TTL電平，故采用MAX3232來(lái)實(shí)現其中的電平轉換，從而實(shí)現系統的串行通信[4]。本系統的串行通信硬件結構框圖如圖3所示。
圖3 串行通信硬件結構框圖
3 系統軟件設計
系統的軟件實(shí)現采用C語(yǔ)言，C語(yǔ)言具有功能豐富的標準函數庫，具有運算速度快和可移植性強等特點(diǎn)。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)軟件會(huì )大大縮短開(kāi)發(fā)周期，增強軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴充。
對于串口的數據處理有兩種方法：一種是查詢(xún)的方法，另一種是中斷的方法。查詢(xún)的方法是不斷地檢測接收和發(fā)送標志位，當查詢(xún)到有數據進(jìn)入到SBUF時(shí)對SBUF數據進(jìn)行判斷，是否為所需的數據，如果是則存儲到數據寄存器中。由于查詢(xún)方法在編寫(xiě)程序時(shí)比較復雜，需要反復地查詢(xún)標志位，但是相較于其他算法對于實(shí)現循環(huán)比較簡(jiǎn)單。本系統對串口接收和發(fā)送的數據采用的是查詢(xún)的方法[4]。
圖4 單片機信息處理流程
單片機信息處理流程如圖4所示。首先，待單片機初始化后，開(kāi)啟中斷0，關(guān)閉中斷1，開(kāi)始通過(guò)串口0接收電子羅盤(pán)信息。電子羅盤(pán)HMR3300更新頻率為8 Hz，即每秒最多可更新8次[5]。為了保證其穩定輸出，每秒鐘提取4次電子羅盤(pán)信息。然后，以判斷回車(chē)來(lái)表示接收完一次羅盤(pán)信息，即hmr[i]=10。待接收完畢后，開(kāi)啟中斷1，關(guān)閉中斷0，通過(guò)串口1接收GPS定位信息。iTrax0302更新速率為1fix/s。提取定位信息時(shí)，每秒鐘提取一次GPS信息。接收到一條完整的語(yǔ)句后將其放入GPS數據存儲區。同樣地，我們以判斷回車(chē)來(lái)表示接收完一次GPS信息，即gps[i]=10。
GPS信息接收完畢后，再開(kāi)啟中斷0，關(guān)閉中斷1，接收電子羅盤(pán)信息。同時(shí)，將采集到的姿態(tài)和定位信息通過(guò)串口0傳送給MAX3232后，不斷發(fā)送給上位機。在中斷0中接收電子羅盤(pán)的數據時(shí)，需要提取的是其航向、俯仰和滾動(dòng)信息，應判定接收到的數據是否為起始標志位,若是則開(kāi)始采集數據,讀取第二位數,進(jìn)行采集的同時(shí)保存數據；如不是，則繼續判定。
由于采用的是非定長(cháng)通信，因此，在采集數據的同時(shí)還要判定當前位是否為結束標志位,若是則進(jìn)行CRC校驗,若正確則對得到的數據進(jìn)行HPR分離；若否則開(kāi)始新的采集。同樣，在中斷1中應在接收有效后，判斷是否接收到GGA語(yǔ)句，若是再進(jìn)行分析處理[6]。也可直接發(fā)送指令給GPS接收機，使GPS接收機只輸出所需要的語(yǔ)句信息。同樣的操作也適用于電子羅盤(pán)HMR3300。
4 實(shí)驗驗證
為了驗證所設計系統的正確性和有效性，筆者進(jìn)行了地面跑車(chē)實(shí)驗。將該系統固定于汽車(chē)內，實(shí)驗過(guò)程中可見(jiàn)衛星數為11顆，可用衛星為7顆。實(shí)驗后，將采集到的數據運用MATLAB軟件進(jìn)行數據處理并對結果進(jìn)行了分析。跑車(chē)實(shí)驗數據分析如圖5所示。結論如下：
① 通過(guò)對比汽車(chē)內的里程顯示器與采集回來(lái)的實(shí)驗數據計算得出跑車(chē)距離，結果均為2.9 km，基本一致；對比分析圖中的軌跡顯示與實(shí)際跑車(chē)路線(xiàn)，基本匹配；對比分析圖中的姿態(tài)信息與實(shí)際跑車(chē)路線(xiàn)情況，基本匹配。
② 當衛星信號被某些障礙物暫時(shí)阻斷時(shí)，儀器線(xiàn)路的瞬間故障使基準信號無(wú)法與衛星信號混頻產(chǎn)生差頻信號；外界干擾或接收機所處的動(dòng)態(tài)條件惡劣，使載波跟蹤環(huán)路無(wú)法鎖定信號而引起信號的暫時(shí)失鎖等，所有這些原因都會(huì )使GPS計數中斷，使恢復跟蹤后的整周計數產(chǎn)生錯誤，如何在短時(shí)間內測出何時(shí)發(fā)生整周數跳變，并求出丟失的整周數，則需要與慣性導航相結合，才能在任何條件下都實(shí)現高精度的實(shí)時(shí)導航定位，為MEMSIMU/GPS/電子羅盤(pán)組合導航系統起到更好的輔助作用。
圖5 跑車(chē)實(shí)驗數據分析
結語(yǔ)
本文設計了基于GPS/電子羅盤(pán)的測姿定位系統，以無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現了載體的定位和姿態(tài)數據的采集，并通過(guò)將采集到的信息顯示于LCD及上位機上，使信息更直觀(guān)地展示在人們眼前。
評論