GPS技术在机车头灯自动寻迹中的应用

2011-04-14 16:26:29来源: 互联网
引言

  GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益、速度快和成本低等显著优点。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS接收机通过接收卫星信号解算出自身的经纬度位置、速度, 以实现定位导航及定时的功能,成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。目前,欧洲各国铁路正在加强利用GPS技术,并沿相应线路设置差分机站,使之与移动通信技术结合,以提高铁路的通过能力[2、3]。在我国,采用GPS、GIS、GSM和计算机等高新技术集成的RITS(铁路智能运输系统)技术,成功地研制出了铁路“GPS安全报警系统”,该系统已于2001年8月在我国第一条客运专项——秦沈客运铁路专线上交付使用。因此,GPS实时定位技术在铁路列车上的应用将越来越普及,而开发GPS在铁路列车上的应用具有广阔前景。

  1 机车头灯自动寻迹的可行性分析

  在我国,机车头灯是不能旋转的,它被固定在机车头部。当机车进入弯道时,机车头灯照射的方向和铁轨线路相切,也就是说,机车头灯不能始终照射在轨道的中心线上。因此,机车在夜间高速行驶中带来了安全隐患。

  GPS定位技术的工作原理是,GPS接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最佳位置的卫星,卫星发出的时间信号好比一个精确的时钟信号,从而算出每个卫星的半径距离,再以卫星的位置利用三角定位原理定出机车的位置及高度。GPS接收机定位精度在50m以内,如果需要的话,加上后期优化算法处理过程,精确度可以更高,而采用DGPS技术后定位精度可达3m。可见GPS技术是一个高精度的定位技术。

  铁路不同于公路,一辆确定的机车只在固定的某一段线路及某一时段上运行。通过装有GPS接收机的控制系统接收离散定位数据,可以高精度的模拟出该机车所经过的铁路轨迹,从而计算出该段线路所有弯道的起始位置、结束位置和曲率半径。当系统获得了以上数据,根据算法和控制指令,可以控制步进电机驱动头灯,使它始终照射在铁路中心线上。

  2 系统整体解决方案

  2.1 机车头灯自动寻迹系统的硬件构成

  本系统使用ARM核微控制器作为控制中心,外围电路由GPS接收机、电气控制模块和Flash存储模块组成。硬件原理图如图1所示。

  


  图1 机车头灯自动寻迹系统硬件原理图

  2.1.1 系统中央处理单元

  采用Atmel公司的嵌入式CPU芯片AT91R40008,这是一款具有ARM7TDMI核的处理器,外围接口丰富,处理能力强,低功耗,具有两条主要总线:先进系统总线ASB(Advanced System Bus)和先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。它用于接收GPS接收机发来的数据、进行线路数据提取,线路算法计算和产生控制信号。

  2.1.2 GPS接收机

  为简化整个系统的设计,采用了LBWXG1 Jupiter GPS接收机,这款接收机的几个重要参数如下:同时跟踪12颗卫星,重新捕获时间小于2.0s,热启动时间小于18s,冷启动时间小于120s,速度精度为0.1m/s,定位精度小于15m(2dRMS),时间精度为1μs,加速度限制为4g,速度限制为950m/s,数据更新率为 1次/s,可连续更新,能够输出NMEA格式或者二进制格式数据。该型GPS接收机可以满足机车定位精度要求,用于接收卫星信号,向中央处理器传送数据。

  2.1.3 电气控制模块

  由专用的硬件电路组成,用于接收微处理器的控制信息,驱动步进电机控制机车头灯旋转。

  2.2 机车头灯自动寻迹系统的工作原理

  整个系统解决方案分2个阶段。

  第1阶段是GIS地图生成阶段。对于一条从来没有运行该系统的铁路线路来说,线路数据文件是不存在的,必须通过调用系统中线路采集程序生成 GIS地图。首先,Jupiter GPS接收机通过GPS天线接收卫星信号,读取RMC数据,从中解算出机车移动终端的位置信息,就是提取机车当前位置的经度(Long)和纬度(Lat)数据,并以(Lat ,Long)的形式存储在存储器中。然后,采用样条插值拟合算法,优化线路数据。最后,重复以上二步,最终形成该条线路离散GIS地图,并保存在系统 Flash中,作为系统参考地图。

  第2阶段是系统控制阶段。当系统生成GIS参考地图后,就可以在该条线路上运行系统控制程序,控制机车头灯自动寻迹。当机车运行时,Jupiter GPS接收机接收卫星信号,通过RS232串口发送到中央控制单元MCU,MCU读取RMC数据,从中提取经度(Long)、纬度(Lat)和速度(Velocity)数据。然后,根据系统位置识别算法,识别出与GIS参考地图数据最接近的地理位置,从而判断机车前方是否进入弯道。若进入,则求解弯道的曲率半径及旋转步数,进而控制步进电机旋转。

  2.3 机车头灯自动寻迹系统的软件构成

  2.3.1 GPS数据的提取

  日前,几乎所有GPS厂商都遵循美国国家海洋电子协会(NaTIonal Marine Electronics Association)制定的NMEA-0183 version 2.01通信标准格式,所有数据信息以ASCII格式编码,输出语句达十多种,包括GGA、GSA、GSV、RMC、BIT、RID、ZCH等。这些定位数据语句不仅给出了位置、速度、时间等信息,而且指出当地的卫星接收情况。实际导航中,应读取GPS的空间定位数据时,可以根据需要每隔几秒钟更新一次数据。

  Jupiter GPS接收机语句输出遵循串行通信协议,数据格式为8位数据位、l位起始位、l位停止位,无奇偶校验,并且可以根据需要选择传输速率。

  

GPS数据提取流程图

  图2 GPS数据提取流程图

  机车头灯自动寻迹系统要求高精确度、高实时性和高可靠性,因此对于更新率应采用系统最小设定值:1s更新一次,并且在提取过程中只需要提取 RMC数据,从中得到经度、纬度和速度数据,提取流程如图2所示。RMC数据设置包括时间、经度、纬度、高度、系统状况、速度、过程和日期等信息。RMC 数据设置描述如表1所列,其数据设置示例如下:

  $GPRMC,185203,A,3339.7332,N,11751.7598,

  W,0.000,121.7,160404,13.8,E*55

  表1 RMC数据设置描述

  

  2.3.2 GIS地图生成算法

  该系统采用样条插值法。样条插值法克服了分段三次埃尔米特插值的弱点,它只需要在插值区间端点比拉格朗日插值多二个边界条件,就可以构造出插值函数,而且这类插值函数在插值节点处具有二阶导数连续,从而具有更好的光滑性。

  首先,线路数据采用分段处理的方法。在给定区间[a,b]上的一个划分:a=x0

  

分段函数

  函数S(x)就是f(x)样条插值函数,根据样条插值函数f(x)满足以下条件:

  ① 插值条件和函数连续条件,S(xj)=yj,S(xj+0)=S(xj-0);

  ② n-1个内结点处的一阶导数连续,S′(xj+0)=S′(xj-0);

  ③ n-1个内结点处的二阶导数连续,S″(xj+0)=S″(xj-0);

  ④ 自然边界条件,S″(x0)=0, S″(xn)=0。可求出分段函数S(x),也就是优化轨迹曲线。

  然后,根据分段函数S(x),在给定的区间[a,b]上均匀取点,一般保证每相邻两点之间的距离小于二分之一的GPS精度,形成该段线路离散GIS地图数据库。在不同的分段上重复使用这个算法,计算所有的分段,形成完整的GIS参考地图。

  2.3.3 微控制器控制过程

  机车头灯自动寻迹系统软件总流程图如图3所示。

  该系统控制软件以μCOSII嵌入式实时操作系统为平台,嵌入式操作系统μCOSII是一个公开源代码的占先式多任务的微内核RTOS,其性能和安全性可以与商业产品竞争,具有可移植性、可裁剪性、可剥夺性等优点[4]。

  在嵌入式操作系统μCOSII中,首先进行系统的初始化,开定时器,开串口中断,并进行相应的I/O设置。然后,加载2个主要的任务。任务1串口接收程序,负责实时接收Jupiter GPS接收机发来的RMC数据,并提取经度(Long)、纬度(Lat)和速度(velocity)数据,通过信号量的方式,发送给任务2。任务2控制算法程序进行路径比较、弯道判断和旋转角度计算,得出结果发送至控制命令,驱动电气控制模块,进而驱动步进电机旋转。

  

机车头灯自动寻迹系统软件总流程图

  图3 机车头灯自动寻迹系统软件总流程图

  结语

  随着GPS定位技术的日益成熟,定位精度日益提高,在不久的将来,作为独立于铁路信号系统的GPS列车定位系统对高速列车的安全将起着重大作用。未来GPS技术在铁路上必将大有作为。

关键字:技术  自动  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0414/article_6978.html
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