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(dǎo)航與定位。由于其高精度，高速度，低成本，使用方便的特點(diǎn)，不僅在軍事上獲得廣泛的關(guān)注，在民用部門的應(yīng)用也越來越多。

　　目前，國內(nèi)對GPS的應(yīng)用主要集中在車輛信息服務(wù)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(shè)路線的需要，利用 GPS進(jìn)行初測導(dǎo)線點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)際路線圖。對后一種情況，由于路線采集點(diǎn)密度和測量誤差的因素，在實(shí)際應(yīng)用中，需要利用所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的擬合。

　　2 課題背景

　　在國內(nèi) ，現(xiàn)有機(jī)車頭燈都是固定的，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入彎道時(shí)，光線并不能實(shí)時(shí)照射在前方鐵軌上。設(shè)計(jì)一種活動(dòng)頭燈，以機(jī)車路線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過GPS獲得機(jī)車當(dāng)前位置，并實(shí)時(shí)調(diào)整頭燈轉(zhuǎn)角，可以大大提高機(jī)車行車安全。該系統(tǒng)框圖如下：

圖1 機(jī)車頭燈控制系統(tǒng)框圖

　　在車載控制器中，GPS接收機(jī)獲得的位置、速度數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲的路線數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較計(jì)算，最終得出當(dāng)前機(jī)車所在位置需要發(fā)出的控制轉(zhuǎn)角信號量。預(yù)先存儲的路線數(shù)據(jù)表需要在個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)中提前進(jìn)行處理，即前言提到的擬合。無論是在車輛信息服務(wù)系統(tǒng)還是其他與地理路線相關(guān)的應(yīng)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(jī)接收到的數(shù)據(jù)是按一定報(bào)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(xiàng)依次表示新數(shù)據(jù)幀的開始標(biāo)志、格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、數(shù)據(jù)有效標(biāo)志、緯度 、南北緯標(biāo)志 、精度 、東西經(jīng)標(biāo)志、移動(dòng)速度、日期 、磁變、東西磁變標(biāo)志與校驗(yàn)和。對于路線的擬合，實(shí)際需要的只是每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度，為此需要進(jìn)行提取處理，具體可通過便攜計(jì)算機(jī)隨車采集，計(jì)算機(jī)與GPS接收機(jī)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(jìn)行簡單靈活的編程，另外也可以直接調(diào)用Windows API函數(shù)或動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行更底層豐富的設(shè)計(jì)。這些方法有很多文章進(jìn)行專門的論述，本文就該系統(tǒng)實(shí)際采用的PC104微型主板通過串口通信的方法做個(gè)簡單介紹。PC104微型主板體積小，加上GPS接收機(jī)仍然非常小巧，便于攜帶，采集路線數(shù)據(jù)時(shí)置于機(jī)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(gè)人計(jì)算機(jī)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(jìn)行硬中斷方式的串口通信編程步驟及注意事項(xiàng)如下：

　　1． 串行通信以通用異步發(fā)送/接收器8250進(jìn)行控制，8250有10個(gè)可編程的單字節(jié)寄存器，占用7個(gè)端口地址，復(fù)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(yīng)的7個(gè)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(shè)定通信速率，其次是讀取接收寄存器和中斷標(biāo)志寄存器以清除現(xiàn)有的接收或發(fā)送中斷標(biāo)志。

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

　　3． 中斷控制器8259有兩個(gè)口線用作COM1和COM2硬中斷通道，可通過設(shè)置其中斷屏蔽寄存器位（bit4對應(yīng)IRQ4，bit3對應(yīng)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(wù)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(guān)寄存器位。