GPS定位模块在车辆导航中的应用.docx
《GPS定位模块在车辆导航中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS定位模块在车辆导航中的应用.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
GPS定位模块在车辆导航中的应用
GPS定位模块在车辆导航中的应用
摘要
GPS是美国国防部在1973年建立的一种导航卫星定时测距全球定位系统，简称全球定位系统。
现在，GPS定位系统己经广泛应用于民用导航、测速、时间比对、地壳监测等众多领域。
本文中的GPS车辆行车记录仪是指可以放置在汽车上，完成GPS定位或监控的设备，相当于一个汽车黑匣子。
通过GPS接收到的卫星信号准确定位，并将该定位信息存储到记录仪的存储器中。
当汽车开回来之后，将该记录仪取下来跟PC连接，并结合电子地图显示该汽车曾经走过的路线、行驶的速度以及它在什么地方停留过、停留了多久等信息。
这套系统主要由主单片机、液晶显示屏、GPS模块、USB模块组成。
系统使用可靠性高的Motorola公司的M12模块,可以最大同时追踪12颗GPS卫星,使得在恶劣的天气环境和交通环境下能够有最佳的观测信号.软件开发上,我们对系统进行细化,采用模块化的设计方式,并给出各个模型的实现方法。
实验结果表明,系统达到了覆盖范围广,容量大的,数据可靠性高的效果,具有相当的实用价值,并且具有一定的可扩充性.
英文摘要：
.
GPS（GlobalPositioningSystem）isdefinedasaNavigationTimingandRangingGlobalPositionsystemwhichwasdevelopedbyDepartmentofDefensein1973.Nowiswidelyusedinthefieldofautomobilenavigation,speedmeasurement,timing,landsurveying.
TheGPSvehiclerunningrecorderinthisthesis,whichcouldputonyourcar,isanequipmentthatcanfinishGPSorientationandinspectandcontrolyourcar,whichseemsasa‘blackbox’.ItgoestoorientationcorrectlythroughthesecondaryplantsignalbyGPSandsendthesignaltotheRAMintherecorder.Afterthevehicle’scomingback,wegettherecorderandlinkittoPC.Combiningtheelectronicmap,wecanseetheinformationsuchas:
itsspeed,whereitwent,whereandhowlongitstayed.Thesystemiscomposedbyasingle-chipmicrocomputer,aGPSchip,apanelandaUSBchip
ThesystemusedhighreliabilityM12ofMOTORALAcompany.Itcantrack
12satellitemaximallyatonetime,thismadeuscangetthebestGPSsatellitesignalinbadweatherandtrafficenvironment.Inthesoftwaredeveloping,wedividethesystembasedonmodularization-devisingmethod,andgivesomeschemesofvariousmodule-realization.Thesystemhasreachedtheresultofwidemonitoringrange,largesystemcapacity,highreliabilityofGPSdata.Thesystemhasgoodpracticalvalueandcertainandextensibleability.
一.课题介绍:
设计目标:
设计车辆行车记录仪,完成车辆的定位与监控。
设计思想:
通过GPS模块输出卫星定位数据,由单片机AT89C51通过串口与GPS模块通信,将GPS定位数据暂存到单片机AT89C51的片内RAM中，同时单片机AT89C51将GPS数据解码，将需要的数据（时间、经度、纬度、速度）存储到片外RAM（HM6264）中。
单片机AT89C51协调各模块工作,存储器6264每秒存储一次定位数据,LCD显示器显示接受到的数据。
当汽车开回来之后，将该记录仪取下来，通过USB接口与计算机通信,将存储器内的数据送给计算机,并与电子地图结合起来，显示汽车走过的路线、行驶的速度、在什么地方停留过以及停留了多久等信息。
即：
该记录仪拥有"黑匣子"的功能。
二.课题在国内外的研究和应用现状：
2.1GPS发展趋势：
从发展趋势来看，国内GPS市场呈现出两个重点：
一是以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统：
在GPS应用领域中，车辆应用所占的比例较大。
最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪、车辆导航两大系统。
但当Motolora推出将车辆导航与跟踪集于一体的车辆信息系统（Telematics）后，它就成了发展的方向。
以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。
前者是指车主离开汽车，停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏、移动时，车辆通过自身的监控系统向GPS监控中心发出警报，并自动与车主手机联系、电话报警等。
后者则可对行使中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录，甚至控制车辆断电、断油等。
二是面向个人消费者的GPS终端产品：
芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。
目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。
移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分。
有用于集装箱等货物、车辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品，也有多功能的综合车载平台。
但随着产品成本的降低与体积微型化，市场上已出现供儿童、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用的手表类、寻人仪、儿童玩具型GPS产品，它们可佩带在身上、嵌入老人的拐棍中、甚至植入体内。
与上述产品相比，各种个人消费类GPS电子产品则更加接近人们的生活。
有集成了GPS芯片和GIS数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑、笔记本电脑等移动设备的插卡（CF卡式GPS接收机）式、外接（GPS接收机）式等集成产品。
目前国内市场上多见的是Garmin、Magellan（麦哲伦）、NavSys等外国公司品牌的GPS手持机、汽车导航仪等产品。
2.2汽车行驶记录仪概述：
2.2.1汽车行驶记录仪使用背景：
汽车行驶记录仪，俗称“汽车黑匣子”，用来记录汽车历史行驶状态。
随着飞机黑匣子在飞行管理方面的成功运用，汽车黑匣子已陆续在许多国家和地区大量使用。
在国外，早在1900年以前欧共体就通过了在汽车上安装黑匣子的立法，要求欧共体的十五个成员国在十年以内给使用中的约900万辆商用车安装这一装置。
美国、日本、香港和马来西亚等国家和地区也相继广泛使用汽车黑匣子。
在国内，2001年10月24日公安部、交通部、国家安全生产监督管理局联合下发公通字[2001]83号《关于加强公路客运交通安全管理的通知》和2002年2月21日交通部下发交公路发[2002]57号文《关于印发关于进一步加强道路运输车辆管理的若干意见的通知》，两份文件都提出从事长途客运班线的班车按规定逐步安装使用符合国家有关标准的行车记录仪。
2002年5月24日交通部下发交公路发[2002]226号文《关于继续进行道路危险货物运输专项整治的通知》，文中提出对于从事运输剧毒化学品、爆炸品等危害性极大的危险化学品的车辆，应安装GPS卫星定位系统或行车记录仪和通信设备，所有这些在全国范围内引起极大反响，各省市自治区也纷纷出台相关政策。
例如据新华社长沙2002年12月21日，湖南省交管局和省运管局日联合做出决定，凡为安装车辆行驶记录仪的跨省长途客运车辆、高速公路客运车辆及危险货物运输车辆一律不准参加2003年春运或着营运，从2004年1月1日起，凡未安装行驶记录仪的客运车辆一律不准参加营运性旅客运输。
统计资料表明，汽车黑匣子的使用，使交通事故率降低了37%--52%，大大减少了人员伤亡和财产损失，产生了显著的社会效益和经济效益。
汽车行驶记录仪被认为是作为确保汽车安全的有效手段，可以迅速获取有关行车数据，提高行之有效的监控手段，改善营运状况，势必成为车辆交通管理必不可少的设备。
2.2.2汽车行驶记录仪的分类：
由于各研制生产厂家的出发点不同，因而产品的类型不同，产品结构形式也不尽相同。
汽车行驶记录仪根据其功能不同可以分为单一型、事故型、管理型、综合管理型和3G型。
单一型，这种主要记录车辆行驶过程中的某一项参数。
速度监控器电子限速器，主要记录行车过程中的速度参数，并对记录下来的数据进行相应的管理。
比如，加拿大的车辆速度监控器，对出现超速情况首先报警提示，三次报警后，如还在超速，就会自动控制刹车。
起特点是：
简单明了、价位底。
这是记录仪的雏形。
事故型，这种以记录事故发生时的车辆状态为主的记录模式是飞行黑匣子为参照蓝本。
主要特征是记录停车前短时间内的数据，一般为一分钟到几小时之间，并不是连续全程记录模式。
汽车黑匣子就因此命名的。
除了可以记录行车过程中的速度变化状况和和发出超速报警信号外，还可记录行车过程中车辆运行的方向变化和驾驶人员的操作行为，以便在出现事故时，能够以一段时间内的信息来分析判断事故的原因和责任方。
如：
德国VDOKIENZLE公司生产的UDS型事故数据记录仪。
次类记录仪一般可记录、存储每次行车的起始时间、结束时间、行驶里程、停车前的一分钟内和十分钟内的最大车速以及停车前一分钟内的速度、左灯、右灯、大灯、喇叭、刹车刹车气压等工作状态和相关数据。
管理型是在事故型的基础上，结合数字式记录仪记录的数据可以进行二次开发利用的特点，根据营运车辆管理的需要开发的新一带数字式汽车行驶记录仪，也叫机动车综合记录仪。
也可以说是事故型的升级型。
主要特征是事故型+简单的计算机管理系统。
其功能除了事故型记录仪的主要事故分析功能外，还增加了简单的计算机管理系统，用于营运单位的司机、车辆、车队以及实现营运单位的营运数据的自动化和网络化基本管理。
目前国内外市场上出现的记录仪大部分是属于这一类的产品。
综合管理型是在吸取了事故型和管理型经验教训的基础上，从软件、硬件和系统功能上进行了优化设计，以综合管理为目的而开发的新一代汽车行驶记录仪。
主要特点是多通道数据采集处理、全程连续记录、大容量存储卡和强大的综合管理软件系统，实现资源共享。
此类型记录仪利用多通道数据采集处理平台、GPS卫星定位仪、大容量数据存储卡、日趋成熟的地理信息系统和后台综合管理平台软件等强有力的现代化技术手段，来完成车辆综合化管理进程。
可通过在微机软件界面上的重放的全程连续记录曲线和各开关传感器的连续状态，对车辆的营运、安全、质量等综合指标进行强有力的全程监控，并根据需求打印统计图表。
3G型汽车行驶记录仪综合全球定位系统（GlobalPositioningSystem,简称GPS）技术、地理信息系统（GeographicInformationSystem,简称GIS）技术和各种无线通信网络技术于一体。
这些通信网络包括GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）移动通信公共网、GPRS（GeneralPacketRadioService）分组交换通讯系统技术、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）码分多址技术等。
目前市场上所见到的产品多属GPS+GIS+GSM，当然他们也可以结合管理信息系统（ManagementInformationSystem,简称MIS）、计算机网络（Internet）和呼叫中心（CallCentre）来实现车辆的实时监控、调度、管理和信息发布等。
我们把这一类记录仪产品都3G型汽车行驶记录仪。
三.车载GPS技术及国内外应用情况：
3.1发展
微电子技术、计算机技术、空间技术及制图技术的发展使车辆导航系统获得了飞速的发展。
目前，随着GPS定位技术的出现，并结合其它导航系统（如DR），车辆定位系统可确定行驶在每个街道和十字路口的车辆的准确位置。
3.2导航系统的分类
3.2.1驾驶信息系统
驾驶信息系统为驾驶员提供各种形式的有利于决定如何到达目的地的导航信息，范围可包括从最小的方向信息到根据实时的分步路线引导指令得出距目的地的直线距离。
（1）VDO系统
目前欧洲市场上有一种叫“城市领航员”的航位推算系统，使用的是一个地磁场传感器和一个里程表传感器。
根据相应的累计行驶增量来连续地估计汽车相对初始位置的位移。
（2）Etak系统
最先进人商业应用并在航位推算基础上增加地图匹配的汽车导航系统是Etak导航者。
这一系统利用地图匹配人工智能模式校正汽车轨迹同公路图之间的误差。
（3）BlaupunktEVA系统
Bosh-Blaupunkt开发了一种叫EVA的地图匹配系统，包含一个差分里程表和一个产生最佳路线的路线搜索软件，交叉口的拐弯、路线变化等都以简图形式在LCD上标明，简图包括路界和路向表示箭头。
3.2.2交通管理系统
车载路线引导系统在改善交通方面的潜力早已被人认识，事实上这一系统是六十年代末期美国联邦公路局ERGS工程的中心，即使这一研究到目前为止仍仅限于美国本土，但在日本和欧洲它已成为发展社区导航和路线引导系统的基础。
（1）PhilipsCARIN
CARIN首先利用压缩盘（CD—ROM）来存储数字地图信息（GIS），包括路线搜索算法，并提供逐步路线引导。
当在路线引导模式下运行时，彩色地图上就会显示出车辆所在地的周围环境，同时语音还会不断提示驾驶员。
（2）AutoGuide
自动引导信标自身是一个小型计算机，存储着列表形式的电子信号信息，这些信息不断地被控制中心的大型计算机更新。
在当前交通状况基础上，控制中心不断地重复计算、设计路线。
依靠全市区最新的信息，驾驶员就能接受引导。
（3）ALI-SCOUT
ALI-SCOUT是路线引导系统的一个重要的新进展，ALI-SCOUT结合了CARIN和自动引导的某些特点，如同自动引导要依靠最近的信标，车载设备也包括航位推算（DR）和地图匹配（MM），在信标间实现自主导航，这样信标间距就可大些。
（4）CALTRAN
当Eta系统在每个街区不提供路线引导时，CALTRAN系统允许在显示地图上添加实时交通信息，而驾驶员在路线计划时就能对此加以考虑。
3.2.3车队管理系统
多年来各种远距离监视汽车位置和状态的系统已成为车队管理的重要手段，特别是车队调度控制和警车调遣。
车队汽车提供的位置信息几乎是一成不变地通过无线网同调度中心通信，而不是作为导航信息提供给驾驶员。
（1）Etak调度系统
Etak导航者是一个AVL（自动汽车定位）的位置传感器和Etak公司提供的调度系统。
（2）RoutewareARCS
自动路线控制系统（ARCS）在数据传递路径上，除实时路线引导外，还提供了命令和控制功能，这一系统是车辆导航在车队管理应用中的深入发展。
3.3车辆导航系统中的定位技术
（1）NavstarGPS
NavstarGPS已成为车辆导航系统的基础，系统由24颗卫星组成。
安装在车辆上的GPS接收机能提供连续的实时定位信息：
经度、纬度、速度、方向。
（2）Loran-CAVL
Loran-C定位的基本原理是在主站和从站之间脉冲到达的时间差可计算出实时位置。
（3）Geostar定位
Geostar卫星系统将成为世界第一家为车队管理者提供全面定位和双向通信的商业网。
（4）组合定位系统
目前，最常用的组合定位方式是GPS与惯性系统组成的DR的组合。
四．方案配置及论证：
本课题是设计一个车辆行车记录仪，通过GPS芯片将定位数据接受下来，并通过串口交给单片机进行解码，然后存储在存储器中，当本系统从车上取下来后，通过USB与PC连接，然后将定位数据通过USB发送给PC，在PC上用VB编制的接受软件将定位数据接受下来，处理过后与电子地图连接，在电子地图上显示对应的位置。
为了完成上诉功能，本系统选用以下几个部分组成：
主单片机AT89C51、GPS卫星定位模块M12、LCD显示模块MSC-C1620YRN-2N、USB模块USB100、电源模块7805、地址锁存器74LS373、存储器模块HM6264。
AT89C51是系统的核心部分，协调其他各个模块之间的工作，对系统的各个模块的数据进行处理，负责与GPS模块、LCD显示模块、USB模块之间的通信，识别NEMA—0183协议（GPS协议）。
GPS模块负责接受卫星信号，并将收到的信号交与单片机进行处理。
LCD显示模块用于显示单片机处理之后的数据（包括：
经度、纬度、速度、时间）。
存储器模块用于存储单片机处理过的数据。
USB模块负责与计算机之间的通信，响应计算机的请求，将单片机处理过的数据送给计算机。
方案一：
本方案由GPS模块（M12）接受信号，通过NEMA—0183协议将数据送给单片机AT89C51；单片机通过并口将数据送给LCD液晶模块（MSC-C1620YRN-2N）显示和RAM6264存储起来；当车停下来以后单片机通过USB模块（USB100）将数据送给计算机。
如图1所示：
M12
RAM6264
单片机
AT89C51
MSC-C1620YRN-2N
USB100
图1
方案二：
本方案由GPS模块（M12）接受信号，通过NEMA—0183协议将数据送给单片机AT89C51；单片机通过并口将数据送给LCD液晶模块（MSC-C1620YRN-2N）显示和RAM6264存储起来；当车停下来以后单片机通过USB模块（PDIUSBD12）将数据送给计算机。
如图2所示：
单片机
AT89C51
M12
RAM6264
MSC-C1620YRN-2N
PDIUSBD12
图2
方案三：
本方案由GPS模块（M12）接受信号，通过NEMA—0183协议将数据送给单片机AT89C51；单片机通过并口将数据送给LCD液晶模块（MSC-C1620YRN-2N）显示和RAM6264存储起来；当车停下来以后单片机通过串口（RS232）将数据送给计算机。
如图3所示：
RAM6264
M12
单片机
AT89C51
RS232
MSC-C1620YRN-2N
图3
以上三套方案都是可行的，但是电路繁简程度不一样，程序编制的繁简程度也不一样，综合各方面的因素考虑，本设计选择第一套方案，原因如下：
1、USB模块中USB100接口简单，而PDIUSBD12是飞利浦公司的芯片，接口电路更复杂。
2、在编程时，USB100芯片不用管USB和PC之间的通信协议，而PDIUSBD12还要编USB和PC之间的通信协议，相对来说更复杂。
3、就元件购买而言，USB100在成都力源单片机公司有售，并且它提供相关的参数和技术支持，做实验更可靠。
而PDIUSBD12没人用过，可靠性要查一些。
4、而相对于串口来说，USB接口简单，使用广泛，用起来方便，适用性更强。
五．电路组成及工作原理：
5.1器件介绍：
5.1.1GPS模块
GPS是全球卫星定位通讯接受机。
在本设计中采用的是Motorola公司的M12，M12是全球体积最小，重量最轻的接收机之一，而且它功耗低，定位快，干扰能力强，采用了先进的信号滤波技术，
提高了抗遮挡性能，即使在城市、机场及其它靠近无线电辅射源和工业干扰的地方也能正常工作。
而且M12具有独特的用户可控制天线检测回路，用于检测天线的工作状态，接收机利用这一电路，可有效地确认天线是否正常连接和工作。
M12还具有射频信息抗干扰：
M12在小于1525MHz时，输入＋20dB抗窄带CW干扰，在大于1625MHz时，输入－130dB可避免卫星信号失锁。
M12的基本信息如表1所示：
跟踪能力
同时跟踪12颗卫星
定位精度
美国国防部实施选择可用性（SA），精度降为100M（2DRMS）
小于25MSEP（无SA时）
定时精度
〈500纳秒有SA时
输出信息
_
纬度，精度，高度，速度，航向，时间
motorola二进制，9600波特率
NMEA0813格式，4800波特率
TTL接口电平（0-3V）
第二个串口用于接收RTCM输入
尺寸
接收器：
40.0′60.0′10.0毫米（1.57′2.36′0.39英寸）
重量
接收器：
25克有源天线<40克
硬件接口
数据/电源：
10针（2′5）开式插座射频：
MMCX
天线与接收器的连接
单根同轴电缆天线传感电路
标准配备
串口1，MOTOROLADGPS修正输入，9600波特率
串口2，RTCMSC-104类型1和类型9DGPS信息输入，2400，4800，9600波特率
NMEA0183输出
提供逆向差分所需数据
表1
附：
NMEA0183协议
该协议为NAEA01832.0版，此协议是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的RTCM标准。
NAEA0183语句以ASCII格式输出，传输速率可自定义。
缺省波特率为4800。
传输长度表：
传输长度=传输总字符数/每秒传输数
波特率
每秒传输数
语句
最大字符
1200
120
GPGGA
72
2400
240
GPGSA
65
4800
480
GPGSV
210
9600
960
GPRMC
70
在读取输出语句时数据之间最好用“，”区分，不要按位读取，以保证应用程序的兼容性
1、GGA
$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<11>、<12>*hh
<1>UTC时间，hhmmss格式（定位它的）
<2>经度ddmmmmmm格式（非0）
<3>经度方向N或S
<4>纬度dddmmmmmm格式（非0）
<5>纬度方向E或W
<6>GPS状态批示0—未定位1—无差分定位信息2—带差分定位信息
<7>使用卫星号（00~08）
<8>精度百分比
<9>海平面高度
<10>*大地随球面相对海平面的高度
<11>差分GPS信息
<12>差分站ID号0000-123
2、GSA
$GPGSA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、*hh
<1>模式M—手动，A—自动
<2>当前状态1—无定位信息，2—2D3—3D
<3>PRN号01~32
<4>位置精度
<5>垂直精度
<6>水平精度
3、GSV
$GPGSV、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>*hh
<1>GSV语句的总数目
<
升级会员 