GPS技術(shù)在機(jī)車頭燈自動(dòng)尋跡中的應(yīng)用

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

關(guān)鍵詞 GPS 機(jī)車頭燈 自動(dòng)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(cè)時(shí)與測(cè)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(dòng)化、高效益、速度快和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。GPS由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。GPS接收機(jī)通過接收衛(wèi)星信號(hào)解算出自身的經(jīng)緯度位置、速度, 以實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航及定時(shí)的功能，成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測(cè)距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。我國GPS技術(shù)也在測(cè)量、?？諏?dǎo)航、車輛監(jiān)控調(diào)度、導(dǎo)彈制導(dǎo)、精密定位、動(dòng)態(tài)觀測(cè)、時(shí)間傳遞、速度測(cè)量等方面加以應(yīng)用。

　　將GPS應(yīng)用于鐵路列車，最早的報(bào)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(biāo)準(zhǔn)精確定位系統(tǒng)［1］。目前，歐洲各國鐵路正在加強(qiáng)利用GPS技術(shù)，并沿相應(yīng)線路設(shè)置差分機(jī)站，使之與移動(dòng)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(jì)算機(jī)等高新技術(shù)集成的RITS（鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)）技術(shù)，成功地研制出了鐵路“GPS安全報(bào)警系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已于2001年8月在我國第一條客運(yùn)專項(xiàng)——秦沈客運(yùn)鐵路專線上交付使用。因此，GPS實(shí)時(shí)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(jī)車頭燈自動(dòng)尋跡的可行性分析

　　在我國,機(jī)車頭燈是不能旋轉(zhuǎn)的，它被固定在機(jī)車頭部。當(dāng)機(jī)車進(jìn)入彎道時(shí)，機(jī)車頭燈照射的方向和鐵軌線路相切，也就是說，機(jī)車頭燈不能始終照射在軌道的中心線上。因此，機(jī)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(jī)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(shí)間信號(hào)好比一個(gè)精確的時(shí)鐘信號(hào)，從而算出每個(gè)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(jī)車的位置及高度。GPS接收機(jī)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(dá)3m?？梢奊PS技術(shù)是一個(gè)高精度的定位技術(shù)。

　　鐵路不同于公路，一輛確定的機(jī)車只在固定的某一段線路及某一時(shí)段上運(yùn)行。通過裝有GPS接收機(jī)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(jī)車所經(jīng)過的鐵路軌跡，從而計(jì)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)車頭燈自動(dòng)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(jī)、電氣控制模塊和Flash存儲(chǔ)模塊組成。硬件原理圖如圖1所示。

圖1 機(jī)車頭燈自動(dòng)尋跡系統(tǒng)硬件原理圖