GPS技術(shù)在機車頭燈自動尋跡中的應(yīng)用

摘要 介紹GPS技術(shù)，分析機車頭燈自動尋跡的可行性，重點闡述如何使用ARM微控制器來控制GPS接收機，實現(xiàn)機車頭燈依照鐵軌曲率自動旋轉(zhuǎn)的整體解決方案，以及運用占先式多任務(wù)實時嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II實現(xiàn)控制的軟件處理過程。

關(guān)鍵詞 GPS 機車頭燈 自動尋跡 μCOS-II

引言

　　GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)），全稱“導(dǎo)航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，是美國國防部于1973年11月授權(quán)開始研制的海陸空三軍共用的美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),于1994 年建成, 具有全天候、高精度、自動化、高效益、速度快和成本低等顯著優(yōu)點。GPS由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。GPS接收機通過接收衛(wèi)星信號解算出自身的經(jīng)緯度位置、速度, 以實現(xiàn)定位導(dǎo)航及定時的功能，成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣泛、實用性最強的全球精密授時、測距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。我國GPS技術(shù)也在測量、?？諏?dǎo)航、車輛監(jiān)控調(diào)度、導(dǎo)彈制導(dǎo)、精密定位、動態(tài)觀測、時間傳遞、速度測量等方面加以應(yīng)用。

　　將GPS應(yīng)用于鐵路列車，最早的報道是1984年美國柏林頓北方鐵路公司（Burlington Northern）和Rock well公司的合作。在80年代末期，開發(fā)出ARES（Advanced Railroad Electronic System）系統(tǒng)，并且已將GPS作為國家鐵路標準精確定位系統(tǒng)［1］。目前，歐洲各國鐵路正在加強利用GPS技術(shù)，并沿相應(yīng)線路設(shè)置差分機站，使之與移動通信技術(shù)結(jié)合，以提高鐵路的通過能力［2、3］。在我國，采用GPS、GIS、GSM和計算機等高新技術(shù)集成的RITS（鐵路智能運輸系統(tǒng)）技術(shù)，成功地研制出了鐵路“GPS安全報警系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已于2001年8月在我國第一條客運專項——秦沈客運鐵路專線上交付使用。因此，GPS實時定位技術(shù)在鐵路列車上的應(yīng)用將越來越普及，而開發(fā)GPS在鐵路列車上的應(yīng)用具有廣闊前景。

1  機車頭燈自動尋跡的可行性分析

　　在我國,機車頭燈是不能旋轉(zhuǎn)的，它被固定在機車頭部。當(dāng)機車進入彎道時，機車頭燈照射的方向和鐵軌線路相切，也就是說，機車頭燈不能始終照射在軌道的中心線上。因此，機車在夜間高速行駛中帶來了安全隱患。

　　GPS定位技術(shù)的工作原理是，GPS接收機從24顆在軌衛(wèi)星中選出4顆最佳位置的衛(wèi)星，衛(wèi)星發(fā)出的時間信號好比一個精確的時鐘信號，從而算出每個衛(wèi)星的半徑距離，再以衛(wèi)星的位置利用三角定位原理定出機車的位置及高度。GPS接收機定位精度在50m以內(nèi)，如果需要的話，加上后期優(yōu)化算法處理過程，精確度可以更高，而采用DGPS技術(shù)后定位精度可達3m?？梢奊PS技術(shù)是一個高精度的定位技術(shù)。

　　鐵路不同于公路，一輛確定的機車只在固定的某一段線路及某一時段上運行。通過裝有GPS接收機的控制系統(tǒng)接收離散定位數(shù)據(jù)，可以高精度的模擬出該機車所經(jīng)過的鐵路軌跡，從而計算出該段線路所有彎道的起始位置、結(jié)束位置和曲率半徑。當(dāng)系統(tǒng)獲得了以上數(shù)據(jù)，根據(jù)算法和控制指令，可以控制步進電機驅(qū)動頭燈，使它始終照射在鐵路中心線上。

2  系統(tǒng)整體解決方案

2.1  機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　本系統(tǒng)使用ARM核微控制器作為控制中心，外圍電路由GPS接收機、電氣控制模塊和Flash存儲模塊組成。硬件原理圖如圖1所示。

圖1  機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)硬件原理圖

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通信標準格式，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。

　　首先，線路數(shù)據(jù)采用分段處理的方法。在給定區(qū)間［a,b］上的一個劃分：a=x0＜x1＜L＜xn=b。已知函數(shù)f(x)在點xj上的函數(shù)值為f(xj)=yj (j=0,1,L,n)，其中x代表緯度，y代表經(jīng)度。存在分段函數(shù)

　　函數(shù)S(x)就是f(x)樣條插值函數(shù)，根據(jù)樣條插值函數(shù)f(x)滿足以下條件：

　　①  插值條件和函數(shù)連續(xù)條件，S(xj)=yj,S(xj+0)=S(xj-0);
　　②  n-1個內(nèi)結(jié)點處的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，S′（xj+0)=S′(xj-0);
　?、?nbsp; n-1個內(nèi)結(jié)點處的二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，S″(xj+0)=S″(xj-0);
　?、?nbsp; 自然邊界條件，S″(x0)=0, S″(xn)=0?？汕蟪龇侄魏瘮?shù)S(x)，也就是優(yōu)化軌跡曲線。

　　然后，根據(jù)分段函數(shù)S(x)，在給定的區(qū)間［a,b］上均勻取點，一般保證每相鄰兩點之間的距離小于二分之一的GPS精度，形成該段線路離散GIS地圖數(shù)據(jù)庫。在不同的分段上重復(fù)使用這個算法，計算所有的分段，形成完整的GIS參考地圖。

2.3.3  微控制器控制過程

　　機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示。

　　該系統(tǒng)控制軟件以μCOSII嵌入式實時操作系統(tǒng)為平臺，嵌入式操作系統(tǒng)μCOSII是一個公開源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS，其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競爭，具有可移植性、可裁剪性、可剝奪性等優(yōu)點［4］。

　　在嵌入式操作系統(tǒng)μCOSII中，首先進行系統(tǒng)的初始化，開定時器，開串口中斷，并進行相應(yīng)的I/O設(shè)置。然后，加載2個主要的任務(wù)。任務(wù)1串口接收程序，負責(zé)實時接收Jupiter GPS接收機發(fā)來的RMC數(shù)據(jù)，并提取經(jīng)度（Long）、緯度（Lat）和速度（velocity）數(shù)據(jù)，通過信號量的方式，發(fā)送給任務(wù)2。任務(wù)2控制算法程序進行路徑比較、彎道判斷和旋轉(zhuǎn)角度計算，得出結(jié)果發(fā)送至控制命令，驅(qū)動電氣控制模塊，進而驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)。

圖3  機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)軟件總流程圖

結(jié)語

　　筆者已研制出了實驗系統(tǒng)，并且針對定位精度要求高、響應(yīng)時間要求快這兩個關(guān)鍵問題提出了相應(yīng)的解決方案，通過一年多的試運行，取得了良好的實驗效果。

　　隨著GPS定位技術(shù)的日益成熟，定位精度日益提高，在不久的將來，作為獨立于鐵路信號系統(tǒng)的GPS列車定位系統(tǒng)對高速列車的安全將起著重大作用。未來GPS技術(shù)在鐵路上必將大有作為。