GPS導航智能小車設計

湖北大學知行學院 李 欣

隨著科技地發展，GPS導航的應用領域越來越多元化。利用GPS導航小車，可以實現惡劣環境下的無人駕駛，具體設計如下。

1 系統總體設計

GPS接收機接收到的GPS信號，經處理實現對GPS信號的跟蹤、鎖定、測量。利用UART0將GPS導航定位信息發送到控制器LM3S1138并從中提取經度和緯度。這些坐標值與預設目標點坐標比較后，將按一定的算法控制小車按預設航線行駛，最終實現GPS自動導航的功能。同時，LM3S1138內部的64KB的FLASH可以實現數據的存儲。具體的系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

GPS導航板通過數據輸出線與EasyARM1138開發板上的異步收發UART0的數據接收口相連接，這樣GPS定位信息將直接傳輸到主控芯片LM3S1138中。將開發板上的串口與上位機連接，通過軟件編程控制異步收發UART2口的數據發送，這樣控制芯片LM3S1138內儲存的數據就傳送到上位機中。設計中使用兩個減速電機對小車進行驅動，提取GPS數據并結合導航算法給對應引腳高低電平實現對兩個輪子的控制。在總體設計中使用12V蓄電池供電，利用降壓芯片將12V電壓降至5V分別為電機和EasyARM1138開發板供電。

2 硬件電路設計

2.1 GPS導航板

選用GARMIN的GPS-15W，可同時跟蹤多達12顆GPS衛星，從而能夠快速的定位。在設計中用到的三個接口線分別為黑色的地線、紅色的電源線和黃色的數據輸出線。數據輸出線與LM3S1138的U0Rx口相接，將GPS接收到的數據輸入到ARM中。GPS接收板所輸出的數據是以美國國家海洋電子協會的NMEA 0183 ASCII碼接口協議為基礎的，包括$PGRMM、$GPRMC、$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$PGRME，在設計中主要提取$GPRMC。接口特性為CMOS電平，波特率固定為4800。GPS使用的是3.3V供電，由EasyARM1138開發板提供的。

2.2 EasyARM1138開發板

EasyARM1138開發板具有簡明的外圍電路設計，調試時無需任何連線和跳線，操作極為方便。開發板內嵌 USB 接口與上位機連接可實現“三合一”功能：程序下載與在線仿真、5V供電、UART 串行通信。具體的應用如下：GPIO管腳PB0～PB3與無線電接收模塊相連；GPIO管腳PA4和PA5與L298N的兩個使能端口ENA和ENB相連，來控制使能兩個電機；GPIO管腳PC4～PC7與L298N的四個數據口相連，在有使能信號的情況下分別用來控制兩個電機的正轉和反轉。

2.3 小車行駛狀態的控制

小車的機械部分使用的兩輪驅動，即前輪為主動輪，后輪為從動輪。具體電路如圖2所示。

圖2 小車行駛狀態控制電路圖

L298N是一個H橋集成芯片，其中IN1～IN4接收EasyARM1138開發板的高低電平控制信號，ENA和ENB為兩個使能口。經過H橋后，IN1、IN2和ENA三個信號一起控制B1電機的工作，B1電機的兩端分別接OUT1和OUT2，利用OUT1和OUT2輸出的高低電平可以控制電機的正轉和反轉；IN3、IN4和ENB三個信號一起控制B2電機的工作, B2電機的兩端分別接OUT3和OUT4。B1、B2電機分別對應的小車的左輪和右輪。

3 軟件設計

3.1 GPS有用數據的提取

EasyARM1138的UART0中斷負責接收GPS定位信息，同時判斷提取對導航有用的GPS數據并存儲。在存儲數據時可以利用數組存儲，也可以利用EasyARM1138內部的64KB的FLASH。GPS導航板每秒鐘接收一組數據，當定位有效時提取$GPRMC推薦定位信息中的經度和緯度。

為提高效率，在UART中斷讀取到GPS數據時會直接提取以$GPRMC開頭的一整行數據。這樣在存儲時就可以減少存儲的數據量，在后續的經度和緯度的提取中，可以直接讀取經度和緯度所在的字段。

3.2 GPS導航算法的軟件設計

整個GPS導航的軟件部分從總體上說是一個反饋系統，根據小車的目前形式情況和目前的經度緯度信息，控制小車調整行駛方向，每次做完小的調整后，直走2秒鐘。再次處理數據判斷當前位置是否是目標位置，如果是目標位置停車演奏音樂作為提示，如果不是目標位置繼續上一步的工作。在多次重復的判斷和調整中，最終找到目標位置。

4 小節

本文在提出方案的基礎上，完成了系統的硬件和軟件設計，可以準確的接收當前點的GPS導航坐標并進行單點對單點的導航，同時也可以完成多點的導航，但是在一定程度上還是受到天氣的影響。

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