GPS技術(shù)在機車頭燈自動尋跡中的應(yīng)用

2.1.1 系統(tǒng)中央處理單元

　　采用Atmel公司的嵌入式CPU芯片AT91R40008，這是一款具有ARM7TDMI核的處理器，外圍接口豐富，處理能力強，低功耗，具有兩條主要總線：先進系統(tǒng)總線ASB（Advanced System Bus）和先進外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。它用于接收GPS接收機發(fā)來的數(shù)據(jù)、進行線路數(shù)據(jù)提取，線路算法計算和產(chǎn)生控制信號。

2.1.2 GPS接收機

　　為簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計，采用了LBWXG1 Jupiter GPS接收機，這款接收機的幾個重要參數(shù)如下：同時跟蹤12顆衛(wèi)星，重新捕獲時間小于2.0s，熱啟動時間小于18s，冷啟動時間小于120s，速度精度為0.1m／s，定位精度小于15m（2dRMS），時間精度為1μs，加速度限制為4g，速度限制為950m／s，數(shù)據(jù)更新率為 1次／s，可連續(xù)更新，能夠輸出NMEA格式或者二進制格式數(shù)據(jù)。該型GPS接收機可以滿足機車定位精度要求，用于接收衛(wèi)星信號，向中央處理器傳送數(shù)據(jù)。

2.1.3 電氣控制模塊

　　由專用的硬件電路組成，用于接收微處理器的控制信息，驅(qū)動步進電機控制機車頭燈旋轉(zhuǎn)。

2.2 機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)的工作原理

　　整個系統(tǒng)解決方案分2個階段。

　　第1階段是GIS地圖生成階段。對于一條從來沒有運行該系統(tǒng)的鐵路線路來說，線路數(shù)據(jù)文件是不存在的，必須通過調(diào)用系統(tǒng)中線路采集程序生成GIS地圖。首先，Jupiter GPS接收機通過GPS天線接收衛(wèi)星信號，讀取RMC數(shù)據(jù)，從中解算出機車移動終端的位置信息，就是提取機車當(dāng)前位置的經(jīng)度（Long）和緯度（Lat）數(shù)據(jù)，并以（Lat ，Long）的形式存儲在存儲器中。然后，采用樣條插值擬合算法，優(yōu)化線路數(shù)據(jù)。最后，重復(fù)以上二步，最終形成該條線路離散GIS地圖，并保存在系統(tǒng)Flash中，作為系統(tǒng)參考地圖。

　　第2階段是系統(tǒng)控制階段。當(dāng)系統(tǒng)生成GIS參考地圖后，就可以在該條線路上運行系統(tǒng)控制程序，控制機車頭燈自動尋跡。當(dāng)機車運行時，Jupiter GPS接收機接收衛(wèi)星信號，通過RS232串口發(fā)送到中央控制單元MCU，MCU讀取RMC數(shù)據(jù)，從中提取經(jīng)度（Long）、緯度（Lat）和速度（Velocity）數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)系統(tǒng)位置識別算法，識別出與GIS參考地圖數(shù)據(jù)最接近的地理位置，從而判斷機車前方是否進入彎道。若進入，則求解彎道的曲率半徑及旋轉(zhuǎn)步數(shù)，進而控制步進電機旋轉(zhuǎn)。

2.3 機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

2.3.1 GPS數(shù)據(jù)的提取

　　日前，幾乎所有GPS廠商都遵循美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）制定的NMEA-0183 version 2.01通信標(biāo)準(zhǔn)格式，所有數(shù)據(jù)信息以ASCII格式編碼，輸出語句達十多種，包括GGA、GSA、GSV、RMC、BIT、RID、ZCH等。這些定位數(shù)據(jù)語句不僅給出了位置、速度、時間等信息，而且指出當(dāng)?shù)氐男l(wèi)星接收情況。實際導(dǎo)航中，應(yīng)讀取GPS的空間定位數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)需要每隔幾秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。

　　Jupiter GPS接收機語句輸出遵循串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位、l位起始位、l位停止位，無奇偶校驗，并且可以根據(jù)需要選擇傳輸速率。

圖2 GPS數(shù)據(jù)提取流程圖

　　機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)要求高精確度、高實時性和高可靠性，因此對于更新率應(yīng)采用系統(tǒng)最小設(shè)定值：1s更新一次，并且在提取過程中只需要提取RMC數(shù)據(jù)，從中得到經(jīng)度、緯度和速度數(shù)據(jù)，提取流程如圖2所示。RMC數(shù)據(jù)設(shè)置包括時間、經(jīng)度、緯度、高度、系統(tǒng)狀況、速度、過程和日期等信息。RMC數(shù)據(jù)設(shè)置描述如表1所列，其數(shù)據(jù)設(shè)置示例如下：

＄GPRMC,185203,A,3339.7332,N,11751.7598,
W,0.000,121.7,160404,13.8,E*55

表1 RMC數(shù)據(jù)設(shè)置描述

2.3.2 GIS地圖生成算法

　　該系統(tǒng)采用樣條插值法。樣條插值法克服了分段三次埃爾米特插值的弱點，它只需要在插值區(qū)間端點比拉格朗日插值多二個邊界條件，就可以構(gòu)造出插值函數(shù)，而且這類插值函數(shù)在插值節(jié)點處具有二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，從而具有更好的光滑性。