基于北斗/GPS的工程機(jī)械車(chē)載定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 俊，廖 平

LIN Jun, LIAO Ping

（中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

工程機(jī)械是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的重要組成部分，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供技術(shù)裝備的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、現(xiàn)代工業(yè)化水平的提高以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃等方面起著至關(guān)重要的作用[1,2]。隨著國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的加快，工程機(jī)械大規(guī)模使用，而且作業(yè)范圍不斷擴(kuò)大，這無(wú)疑增加了工程機(jī)械的監(jiān)控管理難度，因此研究和開(kāi)發(fā)出一種能夠準(zhǔn)確確定工程機(jī)械的地理位置且能遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控的定位監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的意義。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北斗系統(tǒng)）是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)已逐步開(kāi)始對(duì)民用市場(chǎng)開(kāi)放。北斗系統(tǒng)具有短報(bào)文通信功能，使得工程機(jī)械在作業(yè)環(huán)境惡劣、通信不佳的情況下仍可保持通信，這為搶險(xiǎn)救災(zāi)帶來(lái)極大的便利。考慮到北斗系統(tǒng)現(xiàn)階段服務(wù)區(qū)域的限制，本文就上述問(wèn)題，提出了一種基于北斗/GPS雙模定位的工程機(jī)械車(chē)載定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，既能滿(mǎn)足工程機(jī)械高精度定位導(dǎo)航的需求，又能提供北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，有助于推動(dòng)國(guó)家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展[3～7]。

1 定位數(shù)學(xué)模型

1.1 北斗單系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

采用偽距法分析北斗單系統(tǒng)定位[8,9]，接收端除了接收觀(guān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)空間坐標(biāo)分量（x，y，z）外，還有接收端的時(shí)鐘差，一共有4個(gè)未知量，因此，為了求解這4個(gè)未知量，需要4顆或4顆以上衛(wèi)星的偽距測(cè)量值，如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星定位原理

對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量得到如下方程組：

為求解方程組(1)，本文采用線(xiàn)性化的迭代方法進(jìn)行求解。假設(shè)接收機(jī)的近似位置已知，則真實(shí)位置（x，y，z）可由近似位置和偏移量來(lái)表示，再加上時(shí)間偏差估計(jì)值則可得到單一近似偽距函數(shù)：

方程(2)的解可看作近似分量和增量分量?jī)刹糠纸M成，因此有：

對(duì)式(3)在近似點(diǎn)處用一階Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)[10]并截去一階導(dǎo)數(shù)之后的項(xiàng)以消除非線(xiàn)性項(xiàng)，經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理后單一偽距方程可表示為：

因此方程組(1)可表示為：

其中，

方程組(1)的解為：

當(dāng)采用超過(guò)4顆衛(wèi)星來(lái)定位時(shí)，用最小二乘法[11]求解方程組，得到方程組(1)的解為：

1.2 雙系統(tǒng)聯(lián)合定位數(shù)學(xué)模型

同樣采用偽距法對(duì)北斗和GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位進(jìn)行分析。在雙系統(tǒng)聯(lián)合定位前，北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)需要統(tǒng)一。由于北斗系統(tǒng)采用的CGCS2000坐標(biāo)系和GPS采用的WGS-84坐標(biāo)系都是協(xié)議地心直角坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系的原點(diǎn)、尺度和定向都相同，且兩個(gè)坐標(biāo)系的精度都達(dá)到了5cm，因此對(duì)于工程機(jī)械的定位而言，兩個(gè)坐標(biāo)系可看作同一個(gè)坐標(biāo)系，不需要進(jìn)行坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。北斗的時(shí)間系統(tǒng)和GPS的時(shí)間系統(tǒng)采用的時(shí)間基準(zhǔn)不一致，而組合定位算法是在單系統(tǒng)各自獨(dú)立定位的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)，定位原理相似，因此通過(guò)增加狀態(tài)變量把各自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的接收模塊時(shí)鐘差當(dāng)做未知量一起求解，從而使得組合定位系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。基于上述原理，在北斗單系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加接收模塊相對(duì)GPS的時(shí)鐘差未知量，如北斗單系統(tǒng)一樣建立偽距方程組，通過(guò)線(xiàn)性迭代的方法將方程組線(xiàn)性化，再采用最小二乘法求解方程組中的5個(gè)未知量，因此，采用雙系統(tǒng)聯(lián)合定位時(shí)觀(guān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量必須大于等于5顆。

2 定位監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的工程機(jī)械車(chē)載定位監(jiān)控系統(tǒng)主要由核心處理單元、LCD人機(jī)交互界面、定位模塊和4G無(wú)線(xiàn)通信模塊組成，如圖2所示。其中定位模塊采集工程機(jī)械的地理位置、航向、速度等信息；核心處理單元對(duì)定位模塊采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)處理，并傳輸至LCD人機(jī)交互界面顯示；4G無(wú)線(xiàn)通信模塊則通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將工程機(jī)械的地理位置等信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 車(chē)載定位監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，本定位監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路采用“核心板+功能板”方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，核心板電路包含了i.MX6Q核心處理器、2G DDR3內(nèi)存、8G eMMC存儲(chǔ)單元等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)等功能；功能板電路由供電模塊、定位模塊、LCD顯示、4G無(wú)線(xiàn)通信模塊等組成，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能。

3.1 核心板

圖3 定位系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

本文的核心板設(shè)計(jì)采用工業(yè)級(jí)汽車(chē)處理器i.MX6Q系列高性能處理器，是基于ARM Cortex-A9內(nèi)核的處理器，擁有四個(gè)核心，主頻高達(dá)1GHz，內(nèi)部集成UART、I2C、SPI、PCIe等諸多外設(shè)，還自帶圖形加速、音視頻編解碼等功能，性能強(qiáng)悍，同時(shí)支持Linux系統(tǒng)和Android系統(tǒng)，既能滿(mǎn)足當(dāng)前定位系統(tǒng)的功能需求，又便于后期的系統(tǒng)功能擴(kuò)展和升級(jí)。核心板上還擴(kuò)展了2G DDR3內(nèi)存和8G eMMC存儲(chǔ)單元以保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3.2 定位模塊

本文的定位模塊采用中科微電子的ATGM336H-5N搭建外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。引腳11外接GPS天線(xiàn)增強(qiáng)接收衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度，引腳4發(fā)出秒脈沖，外接發(fā)光二極管D2，正常工作時(shí)發(fā)光二極管以脈沖頻率閃爍，便于確定定位模塊是否正常工作運(yùn)行。引腳6外接后備電池，同時(shí)提供3.3V電源以保證定位模塊得以熱啟動(dòng)。定位模塊可以與處理器通過(guò)I2C或者UART進(jìn)行通訊，因本系統(tǒng)采用間接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，故采用UART與處理器通訊，通過(guò)引腳2發(fā)送數(shù)據(jù)給處理器，引腳3接收處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 4G無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊是本地和監(jiān)控中心進(jìn)行通信的核心，綜合考慮當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境、傳輸速率以及成本，本文最終采用美芯訊科技有限公司的SIM7100C4G模塊作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信模塊。

3.4 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)要求能夠本地顯示當(dāng)前地理位置信息，考慮到工程機(jī)械的工作環(huán)境比較惡劣，因此本文采用7寸TFT高清電容觸摸屏，分辨率1024×600，既能清晰地顯示所需信息，也能有效地增強(qiáng)抗干擾能力。

3.5 供電電源模塊

本系統(tǒng)主要需要12V、5V、3.3V三種電源，其中12V為外部接入電源，5V主要用于LCD供電，3.3V用于給處理器、4G模塊、定位模塊等功耗相對(duì)較低的部分供電。

圖4 定位電路

5V電源和3.3V電源都是由12V電源利用降壓芯片MP1495DJ獲得，輸出電壓與輸出電路中的兩個(gè)電阻參數(shù)有關(guān)，其計(jì)算公式為：

圖5 電源電路

以5V電源電路為例，圖5即為5V穩(wěn)壓電路的實(shí)現(xiàn)原理圖。要獲得3.3V電壓只需更改R1和R2的參數(shù)，將圖5中R2所標(biāo)識(shí)的電阻阻值由7.5K改為12.7K即可。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的系統(tǒng)需要接收ATGM336H-5N雙模定位模塊的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息，對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析獲得需要的有效數(shù)據(jù)，并在LCD上顯示定位信息及電子地圖信息，同時(shí)需要向監(jiān)控中心上傳地理位置信息。為滿(mǎn)足軟件系統(tǒng)的交互性、穩(wěn)定性等需求，本文采用“Linux+Qt”的方式實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)軟件[12]，軟件系統(tǒng)整體由底層軟件和上層應(yīng)用軟件組成。底層軟件包括u-boot-2015.04的移植、kernel-4.1.15移植以及Qt根文件系統(tǒng)搭建，上層應(yīng)用軟件則主要由定位部分和4G無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸部分構(gòu)成。

4.1 定位部分軟件設(shè)計(jì)

4.1.1 定位模塊數(shù)據(jù)輸出協(xié)議簡(jiǎn)介

ATGM336H-5N雙模定位模塊輸出數(shù)據(jù)協(xié)議整體兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183協(xié)議，數(shù)據(jù)格式協(xié)議框架如表1所示。

由于ATGM336H-5N模塊支持北斗/GPS雙模定位，因此輸出數(shù)據(jù)還包含了特殊的協(xié)議幀[13,14]：兩條地址符相同的$GNGSV協(xié)議幀，數(shù)據(jù)量會(huì)隨著北斗定位衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度變化而發(fā)生改變的$BDGSV協(xié)議幀。

4.1.2 定位模塊輸出數(shù)據(jù)解析

ATGM336H-5N模塊輸出的數(shù)據(jù)有一定的特點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含以下協(xié)議幀：

$GPTXT、$GNGGA、$GNGLL、$GPGSA、$BDGSA、多條$GPGSV、2條$BDGSV、$GNRMC、$GNVTG和$GNZDA，以上協(xié)議幀的輸出格式都遵循圖4所示的數(shù)據(jù)格式協(xié)議框架。ATGM336H-5N模塊輸出數(shù)據(jù)的解析包含了下面四個(gè)關(guān)鍵基本步驟：數(shù)據(jù)包的分割、協(xié)議幀的識(shí)別、協(xié)議幀的分割、協(xié)議幀的信息解讀[15]。本文數(shù)據(jù)解析都是基于上述四個(gè)基本步驟加上協(xié)議幀糾錯(cuò)完成解析的。由于ATGM336H-5N模塊連續(xù)不斷地通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)，串口數(shù)據(jù)容易發(fā)生粘包，且MCU定時(shí)讀取串口數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)可能不完整，因而無(wú)法直接使用接收的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)量也比較大，因此在解析ATGM336H-5N模塊的輸出數(shù)據(jù)時(shí)增加了處理機(jī)制，盡量保存完整的數(shù)據(jù)，接收并處理數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

4.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸部分軟件設(shè)計(jì)

地理位置信息數(shù)據(jù)利用4G通信模塊采用UDP協(xié)議上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸流程

表1 數(shù)據(jù)格式協(xié)議框架

表2 24小時(shí)定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從早上8:00至次日7:00每間隔一小時(shí)從監(jiān)控中心讀取定位數(shù)據(jù)信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明文中的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。文中的系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位效果可以在LCD上顯示，顯示效果如圖8所示，達(dá)到了預(yù)期的要求。

圖8 實(shí)時(shí)定位效果

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗/GPS的工程機(jī)械車(chē)載定位監(jiān)控系統(tǒng)，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅實(shí)現(xiàn)了工程機(jī)械的定位導(dǎo)航，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大地方便了工程機(jī)械的管理，具有一定的實(shí)用性?xún)r(jià)值。