基于GPS的路線測量與擬合

前言

　　GPS（全球定位系統(tǒng)）由24顆衛(wèi)星支持，具備全球性，全天候，連續(xù)的導航與定位。由于其高精度，高速度，低成本，使用方便的特點，不僅在軍事上獲得廣泛的關注，在民用部門的應用也越來越多。

　　目前，國內對GPS的應用主要集中在車輛信息服務系統(tǒng)和鐵路、公路施工勘測上。對鐵、公路路線的勘測可分兩種情況，一是建設路線的需要，利用 GPS進行初測導線點與水準點的定位，一是對現(xiàn)有路線通過GPS采集路線數(shù)據(jù)，還原出實際路線圖。對后一種情況，由于路線采集點密度和測量誤差的因素，在實際應用中，需要利用所得數(shù)據(jù)進行一定的擬合。

　　2 課題背景

　　在國內 ，現(xiàn)有機車頭燈都是固定的，當機車進入彎道時，光線并不能實時照射在前方鐵軌上。設計一種活動頭燈，以機車路線數(shù)據(jù)為基礎，通過GPS獲得機車當前位置，并實時調整頭燈轉角，可以大大提高機車行車安全。該系統(tǒng)框圖如下：

圖1 機車頭燈控制系統(tǒng)框圖

　　在車載控制器中，GPS接收機獲得的位置、速度數(shù)據(jù)與預先存儲的路線數(shù)據(jù)表進行比較計算，最終得出當前機車所在位置需要發(fā)出的控制轉角信號量。預先存儲的路線數(shù)據(jù)表需要在個人計算機機中提前進行處理，即前言提到的擬合。無論是在車輛信息服務系統(tǒng)還是其他與地理路線相關的應用系統(tǒng)中，路線數(shù)據(jù)的采集與擬合都是極為重要的環(huán)節(jié)。

　　3 GPS數(shù)據(jù)的采集

　　GPS接收機接收到的數(shù)據(jù)是按一定報文格式的數(shù)據(jù)流以串口方式輸出的。其格式為：

　　$GP RMC,081546，A,105.7038,N,30.3624,E,0.000,0.0,220406,1.1,W*78

　　以逗號為分隔符，各數(shù)據(jù)項依次表示新數(shù)據(jù)幀的開始標志、格林威治標準時間、數(shù)據(jù)有效標志、緯度 、南北緯標志 、精度 、東西經標志、移動速度、日期 、磁變、東西磁變標志與校驗和。對于路線的擬合，實際需要的只是每個點的經緯度，為此需要進行提取處理，具體可通過便攜計算機隨車采集，計算機與GPS接收機之間通過串口通信， 通信控制可利用微軟公司的MSCcomm串行通信控件進行簡單靈活的編程，另外也可以直接調用Windows API函數(shù)或動態(tài)鏈接庫進行更底層豐富的設計。這些方法有很多文章進行專門的論述，本文就該系統(tǒng)實際采用的PC104微型主板通過串口通信的方法做個簡單介紹。PC104微型主板體積小，加上GPS接收機仍然非常小巧，便于攜帶，采集路線數(shù)據(jù)時置于機車上，采集的數(shù)據(jù)存儲在自身FLASH上，采集完畢可以通過IDE接口拷貝到個人計算機硬盤上。PC104裝載的是DOS6.0系統(tǒng)， 對串口操作分軟中斷和硬中斷兩種方式，硬中斷相對效率要高些。采用C語言在DOS下進行硬中斷方式的串口通信編程步驟及注意事項如下：

　　1． 串行通信以通用異步發(fā)送/接收器8250進行控制，8250有10個可編程的單字節(jié)寄存器，占用7個端口地址，復用地址通過讀/寫操作和線路控制寄存器的第7位來區(qū)分。COM1、COM2對應的7個端口地址分別為3F8H~3FEH、2F8H~2FEH。初始化串口主要是寫波特率因子寄存器以設定通信速率，其次是讀取接收寄存器和中斷標志寄存器以清除現(xiàn)有的接收或發(fā)送中斷標志。

　　2． 硬中斷通道IRQ4（COM1）和IRQ3（COM2）分別對應中斷向量0BH和0CH，在載入新的中斷服務程序之前必須獲取并保存原中斷服務程序的入口地址，相應函數(shù)為getvect()和setvect()。

　　3． 中斷控制器8259有兩個口線用作COM1和COM2硬中斷通道，可通過設置其中斷屏蔽寄存器位（bit4對應IRQ4，bit3對應IRQ3）來開啟或屏蔽，中斷屏蔽寄存器的端口地址為21H。每次中斷服務程序返回必須往中斷命令寄存器(地址20H)寫入20H以使8259清除相關寄存器位。