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基于平面的GPS定位教学演示系统估现象（北京理工大学机电学院北京市海淀区100083）摘要：介绍一款基于二维平面的GPS超声波定位教学演示系统。该系统以简单的结构充分演示GPS定位的工作原理和工作过程。为使其结构简单，容易操作，在二维平面内设置三个超声波发射点，利用超声波发射和接收装置进行测距，通过单片机的计算控制，得到物体在二维平面内的坐标。关键词：GPS超声波测距定位教学演示系统TheDesignofAmovabletelecontrolledCablewayforRemovingDangerousCargoYangLiHuiYangRunZeMaYuFengLiuJiaRu（OrdnanceEngineerCollegejicdepartmentShiJiaZhuang050003）Abstract：AmovabletelecontrolledCablewayforRemovingDangerousCargowasintroduced,thedesignofframeworkandcomputationofmainparameterswasdefined.theequipmentisonthesafeside,easyofdismantledandinstalled,notrestrictedbyterrain.ThatiscapbleofresolvetheproblemofDangerousCargotransportationfordifferentterrain.Keywords：movablecablewayDangerousCargoMainparameters0引言GPS定位系统（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）是一种高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS系统主要由以下三部分构成：（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入导航电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上；（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。该系统以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、航空摄影、运载工具导航等多种学科。随着GPS系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。GPS系统定位原理如图1所示。图1GPS系统定位原理假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定方程组（1）。12222111011122222222021222233330312222444404()()()()ttttttttxxyyzzcvvdxxyyzzcvvdxxyyzzcvvdxxyyzzcvvd（1）上述四个方程式中,,xyz为待测点坐标，0tv为接收机的钟差为未知参数，其中,(1,2,3,4)iidcti，id分别为卫星i到接收机之间的距离，it分别为卫星i的信号到达接收机所经历的时间，,,iiixyz为卫星i在t时刻的空间直角坐标，tiv为卫星钟的钟差，c为光速。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标,,xyz和接收机的钟差0tv。三维空间定位需要四颗卫星，是因为GPS接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，才能完成包含高度的3D定位。本文设计了一种GPS教学演示系统，用超声波发射器代替卫星的位置，并利用二维平面内的3个发射器对物体利用超声波进行测距并定位，演示简（0，0，0）XYZ卫星1卫星2卫星3卫星4易的GPS定位的原理和过程。1系统总体设计1.1总体设计思路总体设计如图2所示。发射器同时发射红外波和超声波，其中红外波发出时，单片机开始计时；当超声波被超声波接收器接收时，计时停止，单片机根据时间计算出物体距该发射器的距离，同理另两个发射器相继工作，最终得到物体距三个发射器的距离，由此得到物体的具体定位。图2系统总体框图1.2发射部分发射电路由触发脉冲产生电路产生触发脉冲控制TR。当TR导通时，发射脉冲产生电路工作，产生的发射脉冲加到换能器上使其发射超声波;当TR截止时，换能器停止发射，发射原理图如图3。图3超声波发射原理图红外发射的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。红外发光二极管如图4。图4红外发光二极管1.2接收部分超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，工作原理如图5所示。这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路。图5CX20106A原理图红外接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外接收头内的红外接收二极管一般有圆形和方形两种，圆形红外接收头如图6。1GND2Vcc3OUT图6红外接收头2测距与定位2.1测距原理光速与超声波速度在量级上的极大差值是本系统实现测距功能的基础。测距原理图见图7。TLN107_+-受光面触发脉冲产生电路发射脉冲产生电路换能器发射电压TRR发射器超声波接收器红外线超声波单片机红外接收器放大的信号放大的信号LED显示dD曲线1曲线2O1t2tt放大限幅滤波检波积分整形125367ABLC图7测距原理图超声波和红外光的传播速度为常量，其传播距离与时间曲线均为直线，直线斜率即波速，易知曲线1为红外光曲线，曲线2为超声波曲线。指定距离D，红外光经过1t时间走完指定距离，超声波经过2t时间走完指定距离，则距离2Dvt，式中v为超声波速。令21ttt，可得1()Dvtt。在室内这样的距离范围，近似认为10t，得到Dvt。实际上信号处理总是有延时的，由此带来的测量误差必须补偿，最终得到算式如式(2),为系统器件延迟误差补偿项。Dvt(2)2.2二维平面定位原理根据刚体动力学的知识,通过测量该参考点到空间三个静止的非共线点之间的距离唯一确定物体的位置。如图8所示,静止参考坐标系OXY的原点在等边三角形的中点。设等边三角形的边长为2a，在三角形的三个顶点上分别安装了一个超声波发射器和一个红外发射器123,,RRR,根据几何知识可知它们的坐标分别是：13,3aRa，23,3aRa，3230,3aR在图8中,T是需要定位的智能设备,它上面安装有超声波接收器和红外接收器,设它所在位置的坐标为T(xT,yT)。由超声测距原理可得到接收点T至发射点123,,RRR的距离分别为123,,LLL。图8定位原理图测量时，1R点同时发射超声波和红外光，光波认为接可即时被接收，起到开始计时的作用。当声波到达接收器是及时停止，并纪录时间。根据公式Lvt便可得出1L。当1R计时结束后，23,RR相继计时，得到23,LL。由几何知识可得22122221234243xyLLTaLLLTa即得到Ｔ在平面内准确的位置。2.3测距程序设计单片机的主程序首先对系统环境初始化，设置定时器并给显示端口清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,测出距离后结果将以十进制BCD码方式送到LED,然后再发超声波脉冲重复上述测量过程。主程序框图如图9所示。图9软件设计流程2.4结果显示单片机接收到电路反馈回来的时间信息，经过相应算法的处理后,得到物体到发射器的距离与方向等信息,既可以控制相应的被控对象进行相应的动作,另一方面可以通过LED显示相应的距离。为节省单片机硬件资源，采用动态扫描方式显示。3结束语本系统是基于二维平面的GPS定位教学演示系统，意在让实验者理解，掌握GPS定位的工作原理和工作过程中各个部分的功能。结构较为简单，过程不很复杂，但是测量精度会受到一定限度，以后应着力提高该实验的精度。需要说明的是，由于该系统为演示实验，工作平面无需太大，面积在５平方米左右，所以每次测距时间较短，完成三次测距为210秒量级，在一轮次定位后，可以无间隔地进行下一轮次的定位，因此，此定位系统可以实现实时定位的功能。开始系统初始化发送超声波显示结果计算定位接受超声波YX2R3RO2aT1R参考文献：[1]鲁琦，殳国华基于单片机的红外超声室内定位系统.微处理机.2006[2]杨自栋简易超声波测距仪的软硬件设计.农业装备与车辆工程.2005[3]靳达单片机应用系统开发实例导航．北京：人民邮电出版社，2003[4]龙承志，熊殷，马玉秋，沈树群.普适计算环境下室内定位模型的研究.计算机应用研究.2006[5]曹茂永,一种通用超声波发射电路.仪表技术1997[6][7][8]作者简介：故乡容（1973-），男，汉族，硕士，石家庄机电工程学院机制教研室讲师，研究方向为机械设计、CAD/CAM等。通迅地址：石家庄市和平西路32号，石家庄机电工程学院机制教研室邮编：050012电话：[phone]Email：[e-mail]。