基于ARM的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

基于ARM的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

在當(dāng)今社會(huì)，汽車成為城市主要的交通工具之一，也越來(lái)越成為人們生活中不可缺少的一部分。實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車更加準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位，將使外出旅行變得更加快捷方便，同時(shí)對(duì)改善我國(guó)的交通狀況也具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)由于GPS存在著導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)容易受到外部干擾或屏蔽的問(wèn)題。例如，當(dāng)車輛行駛在城市高樓區(qū)、地下隧道內(nèi)、立交橋下時(shí)，由于衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋而容易暫時(shí)“丟失”，而使GPS接收機(jī)無(wú)法給出定位解或定位精度很差。DR系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自主的導(dǎo)航定位，抗干擾性強(qiáng)，但是DR方向傳感器誤差較大，且隨時(shí)間積累，無(wú)法長(zhǎng)期使用。針對(duì)這些情況，本文給出一種利用嵌入式微處理器S3C44B0x開(kāi)發(fā)板作為中央處理單元，利用GPS模塊提供位置數(shù)據(jù)和DR模塊的航位推算，經(jīng)過(guò)聯(lián)合卡爾曼濾波，最終通過(guò)信息融合和地圖匹配，在彩色LCD(LFUBK909A)模塊上顯示出來(lái)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)硬件組成

基于ARM的GPS／DR導(dǎo)航系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要包括ARM微控制器、GPS系統(tǒng)、航位推算(DR)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元、顯示LCD單元。其中，DR系統(tǒng)所用的主要硬件包括航向傳感器以及距離(速率)傳感器。



因此，選用CRS03角速度陀螺儀提供角速度，它使用硅性MEMS技術(shù)，在劇烈沖擊和震動(dòng)條件下仍然能夠保持卓越的性能。里程計(jì)主要由安裝在車輪上的傳動(dòng)拾取裝置和脈沖信號(hào)發(fā)生電路組成，車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，里程計(jì)就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，在一定時(shí)間內(nèi)里程計(jì)輸出的脈沖總數(shù)，乘以合適的刻度系數(shù)，就可以得到車輪在這段時(shí)間所滾過(guò)的距離。



采用Rockwell公司研制的高性能的Jupiter GPSOEM：接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS定位，接收板的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)定位精度：定位精度小于15 m(無(wú)SA時(shí))；
(2)跟蹤能力：同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星；
(3)操作環(huán)境：工作溫度范圍是-40～+85℃；
(4)單一+5 V供電，有兩個(gè)半雙工的串口；串口1用于輸出定位結(jié)果和接收對(duì)其進(jìn)行初始化的寫入，串口2用于接收差分信息

1．2．2 信息融合



采用聯(lián)合卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合。它是一個(gè)兩級(jí)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，利用信息分配原則來(lái)消除各子系統(tǒng)估計(jì)的相關(guān)性，分配后的信息與局部傳感器信息進(jìn)行融合，完成局部傳感器的信息更新，更新后的局部信息融合成一個(gè)新的全局狀態(tài)估計(jì)，如圖3所示。整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作正常時(shí)，DR系統(tǒng)含有三個(gè)濾波器，其中兩個(gè)分別處理位移信息和航向信息，局部濾波器處理航位推算的導(dǎo)航信息；再將DR和GPS的導(dǎo)航信息輸送到主濾波器進(jìn)行最優(yōu)融合產(chǎn)生高精度的導(dǎo)航信息。

1．3 LCD子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)的顯示裝置采用了320×240點(diǎn)陣式5．2英寸彩色液晶顯示屏 (LFUBK909A)，因?yàn)镾3C44B0內(nèi)嵌LCD控制器(支持320×240顯示屏)，無(wú)需外接LCD顯示控制器，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。內(nèi)嵌的LCD控制器采用DMA方式將顯示緩存中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD驅(qū)動(dòng)電路，支持單色，4級(jí)灰度和16級(jí)灰度模式以及256級(jí)彩色的LCD。圖4是S3C4480與 LFUBK909A的接口。

?2 軟件設(shè)計(jì)

該導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是在ADS 1．2開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的。軟件主要采用C語(yǔ)言編寫，在整體編譯調(diào)試通過(guò)和運(yùn)行正常后，使用ADS 1．2開(kāi)發(fā)環(huán)境中的片上調(diào)試功能，將源程序燒錄到FLASH，這樣將JTAG和電源斷開(kāi)重新上電后，程序就可以脫機(jī)運(yùn)行了。圖5是主線程的軟件流程圖。



將GPs接收機(jī)的輸出信息與DR系統(tǒng)所得的距離變化量d和航向角θ信息傳送到嵌入式S3C4480中，首先利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行兩套數(shù)據(jù)的時(shí)空同步，然后利用卡爾曼濾波器進(jìn)行組合處理。有關(guān)校正計(jì)算，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，無(wú)需反饋回子系統(tǒng)。組合處理GPS和DR數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行，也可以測(cè)量后實(shí)施。圖6是聯(lián)合卡爾曼濾波器的軟件流程圖。



3 結(jié) 語(yǔ)

基于ARM7采用GPS／DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)克服單獨(dú)采用GPS信號(hào)易丟失和航位推算DR的缺點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)濾波處理和信息融合算法，使得定位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單獨(dú)GPS系統(tǒng)，同時(shí)也彌補(bǔ)了DR系統(tǒng)誤差發(fā)散的特點(diǎn)，最終在彩色LCD(LFUBK909A)上顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該組合是行之有效的。