黎雪芬

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院控制技術(shù)學(xué)院，江蘇　無錫214121）

基于u-Blox GPS的工礦料場(chǎng)無人化車輛監(jiān)控研究

黎雪芬

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院控制技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214121）

結(jié)合煤礦、鋼鐵廠等大型料場(chǎng)管理的實(shí)際需求，進(jìn)行了基于u-Blox GPS的料場(chǎng)進(jìn)出車輛監(jiān)控問題研究。設(shè)計(jì)了基于u-Blox GPS應(yīng)用單元，研究了LEA-4H型GPS接收機(jī)模塊的設(shè)置方法及PUBX00報(bào)文信息提取技術(shù)。結(jié)合料場(chǎng)監(jiān)控需要，研究了柵格化地圖標(biāo)定、縮放、平移及行駛軌跡匹配技術(shù)。針對(duì)車輛是否進(jìn)入料場(chǎng)的檢測(cè)問題，提出了“同側(cè)判斷法”，實(shí)現(xiàn)了僅通過利用GPS位置信息來檢測(cè)車輛是否在料場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。應(yīng)用于某無人化料場(chǎng)車輛監(jiān)控與管理系統(tǒng)中，表明本文研究的正確性和穩(wěn)定性，為各類相關(guān)料場(chǎng)、車隊(duì)等的監(jiān)控與管理提供了一種行之有效的實(shí)現(xiàn)方案。

GPS；料場(chǎng)；監(jiān)控；同側(cè)判斷法

在煤礦、鋼鐵廠等大型貨物、材料堆積場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱“料場(chǎng)”）中，保證作業(yè)中的堆料塔機(jī)吊車與進(jìn)出車輛免于發(fā)生碰撞，保障貨物的運(yùn)輸通暢，是料場(chǎng)管理的首要任務(wù)。其中，獲得運(yùn)輸車輛的準(zhǔn)確位置對(duì)料場(chǎng)與貨料管理具有重要意義。而GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）接收機(jī)由于成本低、定位信息較準(zhǔn)確，已在飛機(jī)、船舶、汽車等交通工具中得到大量應(yīng)用。

本文基于新型u-Blox GPS接收機(jī)，結(jié)合料場(chǎng)管理的實(shí)際需要，對(duì)料場(chǎng)車輛監(jiān)控管理進(jìn)行研究。首先基于u-Blox GPS模塊設(shè)計(jì)GPS應(yīng)用單元，然后研究了GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法并對(duì)精度進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，基于GPS位置研究提出了車輛進(jìn)出料場(chǎng)的檢測(cè)方法。

1　u-Blox GPS應(yīng)用單元設(shè)計(jì)

1.1u-Blox LEA-4H型GPS特點(diǎn)

GPS信號(hào)接收機(jī)是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。按用途分GPS接收機(jī)可分為授時(shí)型、測(cè)地型、導(dǎo)航型三種［1］。其中導(dǎo)航型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。實(shí)時(shí)處理接收信號(hào)，定位精度為米級(jí)，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。

u-Blox是瑞士一家從事GPS接收機(jī)研究設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的公司［2］，其獨(dú)有的ANTARIS技術(shù)GPS模塊可以在天空視野有限的區(qū)域內(nèi)提供動(dòng)態(tài)條件下出色的導(dǎo)航性能，具有16通道路并行信道與8 192個(gè)搜索位，保證了快速的啟動(dòng)時(shí)間。此外，uBlox GPS模塊具有低功耗與FixNow節(jié)電模式，適用于手持機(jī)及電池供電類設(shè)備。uBlox開發(fā)了LEA、TIM等多系列產(chǎn)品，其中LEA-4H型GPS接收機(jī)模塊是L1頻段C/A碼16通道導(dǎo)航型接收機(jī)，其性能參數(shù)見表1.

表1　LEA-4H型GPS信號(hào)接收機(jī)模塊技術(shù)參數(shù)

由上表可知，該接收機(jī)具有能耗小、啟動(dòng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)，并提供了串口與外部通信，可以方便地集成在其他電路系統(tǒng)中。工作溫度范圍為-40～85℃，圓誤差概率定位精度優(yōu)于2.5 m，適于工業(yè)應(yīng)用。因此在本文中選用該型GPS模塊進(jìn)行應(yīng)用研究。

1.2硬件設(shè)計(jì)

LEA-4H型GPS模塊僅需要為模塊提供電源并接入GPS天線，即可通過USB或UART接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，輸出定位信息。

然而為了獲得車輛的定位信息，還必須采用無線數(shù)字傳輸模塊，將相關(guān)信息傳輸?shù)焦芾碇行?。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3］。它的傳輸速率為10 kB/s～250 kB/s，在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6～24個(gè)月。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)可以是星形、網(wǎng)狀型、簇狀形、樹形和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)等任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過相鄰節(jié)點(diǎn)路由，可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信，具有自組織、自愈能力強(qiáng)、通信可靠的特點(diǎn)。由上述分析可見，ZigBee無線通信非常適于本文料場(chǎng)監(jiān)控管理的需要，因此本文采用了基于Zigbee技術(shù)的SZ05型無線數(shù)字傳輸模塊。

根據(jù)以上研究，本方提出了如圖1所示的GPS無線應(yīng)用單元硬件設(shè)計(jì)方案。該方案中，MCU通過UART對(duì)GPS模塊和ZigBee無線數(shù)字傳輸模塊進(jìn)行設(shè)置，對(duì)GPS定位信息進(jìn)行解析提取，并將信息通過另一UART通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。

圖1　GPS應(yīng)用單元硬件組成方案

1.3LEA-4H型GPS模塊設(shè)置方法

理論上使用該GPS接收機(jī)時(shí)不需要設(shè)計(jì)接口電路即可直接將信號(hào)輸出。其輸出信號(hào)協(xié)議遵從NMEA0183協(xié)議［4］。與本文所使用的GPS模塊有關(guān)的NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有GPGGA等十種。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于該接收機(jī)模塊冷啟動(dòng)后進(jìn)入缺省設(shè)置狀態(tài)，以9.6 kbps的波特率以1 Hz輸出GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG、ZDA等協(xié)議數(shù)據(jù)，這將帶來四個(gè)問題：（1）信息更新率僅1 Hz，需通過軟件將其更新率設(shè)至4 Hz，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)；（2）輸出的8種協(xié)議，每次傳輸多達(dá)560余字節(jié)，其內(nèi)容涉及授時(shí)、位置、星數(shù)、精度、定位狀態(tài)、衛(wèi)星信息、速度、航向、測(cè)距殘差、偽距誤差、提示信息等，且各協(xié)議內(nèi)容有較多交疊重復(fù)，有些是與實(shí)際應(yīng)用無關(guān)的；（3）在4 Hz數(shù)據(jù)更新率的情況下，每秒應(yīng)傳送的數(shù)據(jù)超過2 240字節(jié)，超過默認(rèn)的波特率下的通信帶寬，造成數(shù)據(jù)丟失；（4）按照默認(rèn)設(shè)置，MCU將要處理大量的冗余信息，造成資源浪費(fèi)，并影響定位信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

事實(shí)上，u-Blox公司開發(fā)了PUBX00等專屬的NMEA協(xié)議，其信息內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、海拔、地速、航向、定位狀態(tài)等，方便用戶使用。

根據(jù)該情況，并針對(duì)上述問題，LEA-4H模塊上電之后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，其步驟如下：

（1）將MCU的UART0的波特率設(shè)置為9 600 bps，使之與GPS模塊的缺省波特率一致；

（2）依次輸入相關(guān)指令以禁止以下七種默認(rèn)的輸出協(xié)議：ZDA、GSV、RMC、VTG、GGA、GSV、GLL，在每條指令輸入完成后各延時(shí)0.2 s以等待指令生效；

（3）輸入指令以允許PUBX00協(xié)議輸出，并延時(shí)2 s以待指令生效；

（4）輸入指令以更改GPS模塊的接口波特率至38 400 bps，延時(shí)2 s以待指令生效；

（5）將MCU的UART0的波特率設(shè)置為38 400 bps，與GPS模塊波特率一致；

（6）輸入指令以設(shè)置GPS輸出數(shù)據(jù)更新率和導(dǎo)航頻率為4 Hz，延時(shí)1 s以待指令生效；

經(jīng)過以上步驟，即按要求完成了GPS模塊配置，然后可進(jìn)入正常的處理流程。其中第2、3、4、6步中各指令如表2所示。

表2　GPS設(shè)置指令

1.4PUBX00協(xié)議報(bào)文數(shù)據(jù)提取方法

通過對(duì)LEA-4H設(shè)置后，GPS模塊將以4 Hz的更新頻率輸出PUBX00協(xié)議。PUBX00協(xié)議其格式為：

$PUBX，00，hhmmss.ss，Latitude，N，Longitude，E，AltRef，NavStat，Hacc，Vacc，SOG，COG，Vvel，ageC，HDOP，VDOP，TDOP，GU，RU，DR，*cs＜CR＞＜LF＞

該協(xié)議包含信息較多，而實(shí)際上大多數(shù)用戶所關(guān)心的定位信息較為有限，若能將所關(guān)心的協(xié)議中的有關(guān)信息預(yù)先提取出來，組成一個(gè)精簡(jiǎn)的定制協(xié)議，即可進(jìn)一步降低串行通信和無線數(shù)字傳輸模塊的數(shù)據(jù)吞吐量，提高可靠性。

MCU軟件中，為處理接收PUBX00協(xié)議報(bào)文，首先應(yīng)開辟一個(gè)足夠大（如128Byte）的接收緩沖區(qū)GPSBuffer，然后在UART接收中斷服務(wù)程序中從’$’開始接收字符，依次放入GPSBuffer，直接接收到幀尾＜CR＞或＜LF＞，此時(shí)將接收完成標(biāo)志gps_frame_over置位。

在主循環(huán)中查詢?nèi)绻鹓ps_frame_over被置位，則調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行GPS報(bào)文數(shù)據(jù)提取，執(zhí)行完該函數(shù)后將gps_frame_over復(fù)位。

其中報(bào)文數(shù)據(jù)提取函數(shù)的設(shè)計(jì)思路如下：

（1）進(jìn)行校驗(yàn)，以確保所接收到的數(shù)據(jù)的正確性與完備性。

（2）根據(jù)面向字符型協(xié)議的特點(diǎn)，以逗號(hào)為序，依次提取出相關(guān)的字符串，并按所設(shè)計(jì)的GPS精簡(jiǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換成指定格式的數(shù)值。

（3）如果轉(zhuǎn)換完成，則將上述數(shù)值編制成GPS精簡(jiǎn)協(xié)議，并啟動(dòng)發(fā)送。

通過以上方法，所關(guān)心的車輛GPS信息以4Hz的頻率通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到監(jiān)控中心［5］。

2　柵格化地圖技術(shù)

為了反應(yīng)出車輛行駛過程中與地面的位置關(guān)系，在監(jiān)控中心必須采用地圖技術(shù)。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各種矢量化數(shù)字地圖軟件，在應(yīng)用中存在著以下不足：（1）軟件開放性差，不適于集成在監(jiān)控中心內(nèi)；（2）地圖更新慢，很多道路、建筑等與實(shí)際情況并不對(duì)應(yīng)；（3）地圖比例尺度過大而失之于粗略，不能反應(yīng)車輛行行駛范圍內(nèi)的詳細(xì)情況。為此，本文研究了一種柵格化地圖技術(shù)，可將普通的地圖圖片掃描形成柵格文件后，通過對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，再配合GPS定位數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)反應(yīng)車輛與地面的真實(shí)位置關(guān)系。

2.1地圖標(biāo)定

地圖標(biāo)定的目的是建立起與GPS位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體而言要包括：1）確定圖形中某一像素點(diǎn)（通常是地圖中心像素點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；2）確定地圖的比例關(guān)系，即地圖上每動(dòng)一個(gè)像素，對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度的增減量。

可通過確定地圖上斜對(duì)角上的兩個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地圖的標(biāo)定。設(shè)地圖分辨率為xM×yM，圖上兩個(gè)像素p1 （x1，y1）、p2（x2，y2）對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度值分別為p1（λ1，φ1）、p2（λ2，φ2），圖形設(shè)備坐標(biāo)系odxdyd原點(diǎn)為圖形的左上點(diǎn)，xd向左為正，yd向下為正，則有

地圖中心點(diǎn)的經(jīng)緯度有：

地圖標(biāo)定好之后，將式（1）、（2）所得四個(gè)數(shù)值寫入特定文件，以供程序調(diào)用。

由于地球平面是三維橢球面，而地圖是二維平面，因而任何二維地圖均不可避免存在變形誤差，導(dǎo)致車輛實(shí)際位置與地圖上顯示的位置有偏移。應(yīng)用上述方法標(biāo)定后四個(gè)角點(diǎn)最大經(jīng)度誤差為：

以料場(chǎng)車輛范圍300 km×300 km、地圖中心點(diǎn)位于北緯31°的上海市郊為例推算，可得經(jīng)度最大誤差為2.257 8e-9°，轉(zhuǎn)換后得最大距離誤差為0.252 m.該誤差小于GPS定位精度，在應(yīng)用中略去不計(jì)。

2.2地圖縮放與平移

為實(shí)現(xiàn)地圖的平移和縮放，定義縮放系數(shù)Cz、左右偏移量△x、上下偏移量△y.其中Cz初值為1，△x與△y初值均為0.

當(dāng)△x與（或）△y變化時(shí)，按式（5）更新地圖的左上角點(diǎn)在以窗口左上角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的窗口坐標(biāo)系（Y軸向下為正）中的位置值Lx，Ly以及地圖欲平鋪的范圍xD，yD；當(dāng)Cz變化時(shí)則依次按式（4）、式（5）計(jì)算更新相關(guān)參數(shù)，即可顯示縮放和平移后的圖形。

式（5）中W、H表示地圖顯示窗口的寬與高的像素值。

2.3軌跡匹配與顯示

在地圖縮放與平移后，為了使車輛行駛軌跡與地面匹配，應(yīng)按式（6）進(jìn)行變換，為將車輛某時(shí)刻經(jīng)緯位置（λi，φi）轉(zhuǎn)化為窗口坐標(biāo)系下的像素位置（xi，yi）.

值得注意的是，式中yi的計(jì)算中并不需要考慮南北半球而產(chǎn)生的正負(fù)號(hào)問題，這是由于式（1）中sφ的算式已經(jīng)自動(dòng)帶入了符號(hào)。這樣依時(shí)間順序繪制出各車輛的位置連線，即可形成與地圖實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)行駛軌跡。

3　基于GPS的出入料場(chǎng)檢測(cè)方法

料場(chǎng)管理中重要的一項(xiàng)是對(duì)進(jìn)入料場(chǎng)車輛進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控以保證安全，而如何在不使用其他附屬手段的條件下，僅使用車輛GPS位置信息檢測(cè)車輛是否進(jìn)入料場(chǎng)是其中的關(guān)鍵問題。

通常料場(chǎng)輪廓形狀較為規(guī)則，一般為矩形。如圖2所示，考慮由逆時(shí)針頂點(diǎn)P1，P2……Pn的凸多邊形料場(chǎng)，移動(dòng)點(diǎn)M為車輛，則問題歸結(jié)為如何判斷M在凸多邊形內(nèi)部。

圖2　進(jìn)出凸多邊形料場(chǎng)檢測(cè)方法

通過研究，本文提出了“同側(cè)判斷法”。在圖2中，如果車輛在凸多邊形內(nèi)部，車輛始終位于沿凸多邊形逆時(shí)針頂點(diǎn)所構(gòu)成的各邊的左側(cè)（如頂點(diǎn)按順時(shí)針順序排列，則在右側(cè)）。設(shè)M點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），則M到頂點(diǎn)Pk-1（xk-1，yk-1）與Pk（xk，yk）的距離d有：

值得注意的是，式（7）中側(cè)距離d是有符號(hào)的量，從上一頂點(diǎn)Pk-1向下一頂點(diǎn)Pk方向看，若當(dāng)前位置M位于任務(wù)軌跡的左側(cè)，則d為正值，反之為負(fù)值。

因此，檢測(cè)M點(diǎn)在凸多邊形內(nèi)部的“同側(cè)判斷法”可以簡(jiǎn)單地歸納為：M點(diǎn)到各邊的距離均為正或均為負(fù)時(shí)，表明M點(diǎn)在凸多邊形內(nèi)部，否則在外部。

對(duì)于非凸多邊形區(qū)域，可將其劃分為2個(gè)或多個(gè)凸多邊形區(qū)域再分別進(jìn)行判斷，如圖3所示。只要在其中一個(gè)凸多邊形區(qū)域即可確認(rèn)。

圖3　非凸多邊形可以劃分成多個(gè)凸多邊形

通過上述方法，僅通過利用已有的GPS位置信息，即可檢測(cè)車輛是否在料場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。

4　應(yīng)用

本文研究成果在某鐵礦石無人化料場(chǎng)得到應(yīng)用。該料場(chǎng)包括兩個(gè)不連通的南北兩個(gè)區(qū)域。每個(gè)料場(chǎng)中間是塔機(jī)吊車的軌道。當(dāng)車輛進(jìn)入料場(chǎng)時(shí)，裝在各車輛上的GPS應(yīng)用單元向監(jiān)控中心傳輸定位信號(hào)，監(jiān)控中心對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)以防止與吊車發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人化料場(chǎng)的監(jiān)控與管理。該系統(tǒng)還可以擴(kuò)展到貨料運(yùn)輸監(jiān)控管理中。

該料場(chǎng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面如圖4所示。該界面主要包含2個(gè)部分，即串口通信區(qū)與料場(chǎng)地圖與車輛顯示區(qū)。

圖4　某鐵礦石料場(chǎng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)

串口通信區(qū)位地界面左側(cè)，用戶可以選擇串行通信的端口號(hào)及其波特率并建立連接，在提示框中依次顯示最新的若干條提示信息和命令，還可以通過手動(dòng)發(fā)送自定義信息經(jīng)數(shù)字傳輸模塊傳送到相關(guān)車輛終端。

料場(chǎng)地圖與車輛顯示區(qū)中顯示地圖與車輛位置，可選擇是否顯示各車輛的行駛軌跡?？墒褂霉ぞ邫谥械纳稀⑾?、左、右、放大、縮小、恢復(fù)等按鈕對(duì)地圖進(jìn)行相關(guān)操作；在行駛軌跡重疊不分時(shí)，可點(diǎn)擊工具欄中的橡皮擦按鈕以清除此前的軌跡。

所設(shè)計(jì)的GPS應(yīng)用單元和料場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠，表明了本文研究的正確性和穩(wěn)定性。

5　結(jié)束語

本文結(jié)合大型料場(chǎng)進(jìn)出車輛管理需要，研究了基于u-Blox GPS的料場(chǎng)車輛監(jiān)控問題。在分析u-Blox GPS接收機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了GPS應(yīng)用單元的硬件，并研究了LEA-4H型GPS接收機(jī)模塊的設(shè)置方法和GPS報(bào)文信息提取技術(shù)。根據(jù)料場(chǎng)地圖顯示需要，研究了柵格化地圖的標(biāo)定、縮放、平移及地圖與車輛軌跡匹配技術(shù)。提出了“同側(cè)判斷法”，實(shí)現(xiàn)了僅通過利用GPS位置信息，即可檢測(cè)車輛是否在料場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。本文研究成果在某無人化料場(chǎng)車輛監(jiān)控與管理系統(tǒng)中，可靠運(yùn)行多年，表明了本文研究的正確性和穩(wěn)定性，為各類相關(guān)料場(chǎng)、車隊(duì)等的監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有益參考。

［1］龔真春.GPS在微型無人機(jī)導(dǎo)航定位中的研究與應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［2］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.《ZigBee技術(shù)及應(yīng)用》［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：6.

［3］Klaus Betke.NMEA 0183［Z］.2001.

［4］u-Blox公司.ANTARIS Protocol Specification［Z］.2007.

Research on Unmanned Vehicle Monitoring System based on GPS u-Blox in Industrial and Mining Area

LI Xue-feng
（Control and Technology College，Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121，China）

For the vehicle manage require of the large materials yard，this paper research the monitor problem based on u-Blox GPS.Design the GPS applicable unit，research the setting method of LEA-4H and the extract skill of GPS protocol data.Research the grid-based map technology to mark，zoom，translation the map and match the vehicle track.Propose the“same side judgment”to check the vehicle whether in the yard only by GPS location. The correctness and stability of the research result are proved by the reliable operation of a unmanned iron ore yard vehicle system for years.The research providegood reference for the design of the monitor and manage system in other material yard and fleet.

GPS；material yard；monitor；same side judgment

TP391.4

A

1672-545X（2016）07-0166-05

2016-04-09

黎雪芬（1979-），女，江西豐城人，碩士，講師，從事自動(dòng)化控制方面教學(xué)與研究工作。