专利名称：基于gps的船舶航向输出器的制作方法
技术领域：
本发明属于GPS导航领域，尤其涉及一种基于GPS的船舶航向输出器。(二) 背景技术现有的全球定位系统(Global Position System, GPS)导航系统通常应用在 拥有较大的或可触摸的或彩色的显示屏的电子设备上，以满足导航过程中浏览电 子地图、检索信息输入、电子地图动态导引的需要。但在现有船舶导航中，GPS通常单独配置，和别的设备不产生联系。另一方 面，在实际船舶导航系统中，为了获得物体的实际航向信息，通常有以下几种方 案(1)使用电罗经，电罗经输出的航向准确，可靠性高。但一台电罗经通常需 要数十万元。昂贵的价格使得民船对电罗经望而却步。(2)利用磁罗经或电子罗 盘来为船舶提供实际的航向信息，但磁罗经或电子罗盘易收磁场信号的干扰，存 在着可靠性欠佳的缺点。(3)直接使用单个GPS输出的航向信息也有人提出，但 由于单个GPS在船舶低速运动时，输出的航向误差大，并且在船舶静止不动时， 也会有航向输出，直接使用效果并不是很好。并且，严格的讲，航向一般指的是 船舶的质心的运动方向，但为了接收GPS信号，通常GPS并不可能安装在质心位 置。(4)使用多个GPS进行信息融合计算出船舶的运动方向，该方法一般在船舶的 多个不同的位置安装GPS，利用位置信号进行计算，从而得出运动方向。但由于 GPS位置信号一般有误差，如果船体本身比较�。恢眯藕盼蟛疃哉黾扑憬峁� 影响很大，计算结果的可靠性得不到保证。(三)
发明内容
为了克服已有船舶航向输出器的不能同时兼顾航向准确性和制造成本的精度 低的不足，本发明提供一种能够准确测量航向、成本低的基于GPS的船舶航向输出器o本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于GPS的船舶航向输出器，包括用于接收GPS信号的GPS�？�、用于 信息处理的中央处理器、用于输出的输出单元、用于存储数据的存储单元，所述 GPS�？榱又醒氪砥鳎龃娲⒌ピ胫醒氪砥魇萘樱鲋醒氪� 器连接输出单元，所述的中央处理器包括起始点设定单元，用于根据船舶启航 时，接收GPS模块的经纬度数据信息，设定启航点为起始点；航向计算单元，用 于当接收一个来自GPS�？榈男畔⒑螅崛〉鼻暗木扯刃畔ⅲ⑼ü蟹治扯人惴扑阆喽杂谄鹗嫉愕暮较颍⑾蚴涑龅ピ涑觯凰鯣PS�？榉直鹆悠鹗嫉闵瓒ǖピ�、航向计算单元，所述起始点设定单元的输出端连接航向计算单元的 输入端，所述航向计算单元的输出端连接输出单元。进一步，所述的中央处理器还包括线性回归点保存单元，用于接收每一个来自GPS�？榈男畔⒑螅崛∶扛龅愕木扯刃畔ⅲ⒁勒障咝曰毓榈闶莸氖� 间间隔，提取线性回归点的经纬度信息；线性回归计算单元，用于依照各个线性 回归点的经讳度信息，用最小二乘法进行曲线拟合，并输出拟合后的航向；所述 的GPS�？榱酉咝曰毓榈惚４娴ピ鱿咝曰毓榈惚４娴ピ酉咝曰毓榧� 算单元，所述线性回归计算单元连接输出单元。更进一步，所述的船舶航向输出器还包括用于系统设定输入的按键、用于显 示的LCD显示设备，所述按键连接起始点设定单元，所述输出单元连接LCD显示 设备。所述的输出单元包括带隔离的串行输出单元和串行接口输出单元。所述的存
储单元为用于掉电保护的EEPR0M单元。所述的GPS�？槲度胧紾PS�？�。本发明的技术构思为设计了一种船舶航向的输出仪器，包括用于接收GPS 信号的嵌入式GPS�？椋糜谛畔⒋淼闹醒氪砥鳎糜谑涑龅拇衾氲拇� 输出单元及串行接口输出单元，用于显示的LCD单元，用于设定的面板控制单元， 用于掉电保护的EEPR0M单元。中央处理器通过串口接收嵌入式GPS�？槭涑龅腞MC信息，通过信息提�。� 获得经纬度数据、航向数据及速度数据。当按下面板上的"设定"按键时，中央 处理器把当前点作为起始点，在RAM中保存该点的经纬度数据，并将该数据写入 EEPR0M中，防止掉电时设定的起始点经讳度数据丢失。每当中央处理器接收到一 个来自GPS的RMC信息，提取经纬度信息后，通过中分纬度算法计算出相对于起 始点的航向，并保存在RAM中。当检测到串行输出单元中的片选信号被拉低后， 中央处理器响应在时钟线上的上升沿中断，并在中断服务程序中将航向依次送出， 接收的CPU在时钟线上的下降沿采样数据，可保证数据的准确性。根据面板控制 单元的选择也可以通过串口向外输出航向数据。通过面板上的加减按键来调整线 性回归点的个数，以及每次保存线性回归点数据的时间间隔。光标按键用来移动 当前设定的值。LCD用来显示当前经纬度，起始点的经纬度，计算出的航向信息， 线性回归的得出的航向数据，线性回归数据的点数，每次保存线性回归点数据的 时间间隔。当自动操舵役接收到航向信息后，与设定的航向信息进行比较，通过 控制算法，去操舵，从而保证船沿着设定的航向前进。当船沿着设定的航向小偏 差航行时，通过线性回归的方法得到的航行信息应该和设定值相差比较�。绻� 相差比较大，说明船受到了诸如风，流的始终干扰，此时可通过设定一压舵角， 来的减小此影响。本发明的有益效果主要表现在1、获得航向数据不需要价格昂贵的电罗经，
只需要一块嵌入式的GPS�？榧纯桑液较蜃既罚煽啃院茫�2、随着船舶的航行， 船舶距离设定的起始点越来越远，因此计算出的航向信息精度越来越高；3、船舶 在航行过程中，所保持的航向始终相对与设定的起始点，避免了直接单一的航向 数据而出现船舶漂移的情况；4、线性回归方法得出的航向数据信息反应了在过去 一段时间内船舶运动的实际航向，作为后验数据，对后续航行有一定的指导意义; 5、配合LCD显示，使信息一目了然。(四)
图1是本发明基于GPS的船舶航向输出器的原理框图。 图2是本发明基于GPS的船舶航向输出器的面板控制单元示意图。 图3是本发明基于GPS的船舶航向输出器的电路原理图。 图4是本发明基于GPS的船舶航向输出器的主程序流程图。 图5是本发明基于GPS的船舶航向输出器的外部中断1流程图。 图6是本发明基于GPS的船舶航向输出器的串口中断流程图。 图7是本发明基于GPS的船舶航向输出器的定时中断流程图。 图8是本发明基于GPS的船舶航向输出器的实现线性回归的流程图。 图9是本发明基于GPS的船舶航向输出器的实现线性回归中曲线拟合算法的 流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1 图9， 一种基于GPS的船舶航向输出器，包括用于接收GPS信号的 GPS�？�3、用于信息处理的中央处理器l、用于输出的输出单元5、用于存储数 据的存储单元4，所述GPS�？�3连接中央处理器1，所述存储单元4与中央处理 器1连接，所述中央处理器1连接输出单元5，所述的中央处理器l包括起始 点设定单元，用于根据船舶启航时，接收GPS�？榈木扯仁菪畔ⅲ瓒ㄆ艉� 点为起始点；航向计算单元，用于当接收一个来自GPS�？榈男畔⒑螅崛〉鼻� 的经纬度信息，并通过中分纬度算法计算相对于起始点的航向，并向输出单元输 出；所述GPS�？榉直鹆悠鹗嫉闵瓒ǖピ�、航向计算单元，所述起始点设定单 元的输出端连接航向计算单元的输入端，所述航向计算单元的输出端连接输出单 元。所述的中央处理器1还包括线性回归点保存单元，用于接收每一个来自GPS �？榈男畔⒑螅崛∶扛龅愕木扯刃畔ⅲ⒁勒障咝曰毓榈闶莸氖奔浼涓簦� 提取线性回归点的经纬度信息；线性回归计算单元，用于依照各个线性回归点的 经纬度信息，用最小二乘法进行曲线拟合，并输出拟合后的航向；所述的GPS模 块连接线性回归点保存单元，所述线性回归点保存单元连接线性回归计算单元， 所述线性回归计算单元连接输出单元。所述的船舶航向输出器还包括用于系统设定输入的按键7、用于显示的LCD 显示设备6，所述按键7连接起始点设定单元，所述输出单元连接LCD显示设备6。所述的输出单元5为带光藕隔离的串行接口输出单元。所述的存储单元4为 用于掉电保护的EEPR0M单元。所述的GPS�？�3包括嵌入式GPS�？榧癛S232 接口单元。本实施例提出一种基于GPS的导航算法，该算法只需要一个一个嵌入式的GPS �？椋鼙Ｖご把刈牌鹗嫉闵瓒ǖ暮较蚝叫�。同时经过线性回归的方法得到的 航向信息可提供给设定压舵角，修正及估计磁罗经、电子罗盘的误差时作参考。 当自动操舵役接收到航向信息后，与设定的航向信息进行比较，通过控制算法， 去操舵，从而保证船沿着设定的航向前进。当船沿着设定的航向小偏差航行时， 通过线性回归的方法得到的航行信息应该和设定值相差比较�。绻嗖畋冉洗螅� 说明船受到了诸如风，流的始终干扰，此时可通过设定一压舵角，来的减小此影 响。如图1所示，本发明的基于GPS的船舶航向输出器包括中央处理器单元1，电 源�？�2，嵌入式GPS�？�3， EEPR0M4，串行隔离输出单元5， LCD显示6，按键7。如图2所示，本发明基于GPS的船舶航向输出器的面板控制单元示意图包括 用于显示的128X64的LCD1，用于固定LCD和按键的面板，用于表示前面或后面 所显示数字意义的面板上的贴字，用于设定及修改设置的按键。如图3所示，本发明基于GPS的船舶航向输出器的中央处理器单元包括单片 机STC89C58RD+;为了存放中间运算结果，扩展了外部R層存储器丽6264及相应 的地址锁存器74HC573;晶振电路部分，Y1为单片机STC89C58RD+提供22. 1184MHZ 的工作频率；复位部分电路，包括按键KEY—RST构成的复位电路和上电复位。本 发明基于GPS的船舶航向输出器的电源�？榻霉┑绲�24V变为5V的直流电， 以供系统使用，船用24V直流电源首先经过1A的保险丝Fl，再经过防止电源反 接的二极管D1，经隔离的DC-DC�？镸1输出5V的直流电源，经过电容C15、C16, 电感Ll、 L2稳压，滤波给系统各部分供电。嵌入式GPS�？橛薪硬寮礼PS一C0N 及RS232接口芯片U4组成，负责接收GPS输出的信号。EEPR0M�？閁l主要用来 存放设定的起始点，单片机U2通过软件模拟的IIC与其相连。串行隔离输出单元 5包括用于输入输出信号隔离的光藕U5， U6， U7， U8，以及驱动光藕的驱动芯片U9， 及输出信号的接插件OUT—C0N。 LCD显示6包括接插件LCD12864及相应的液晶模 块。按键7包括5个按键KEY—Sl、 KEY一S2、 KEY—S3、 KEY一S4、 KEY—S5。本发明基于GPS的船舶航向输出器的主流程图如图4所示。本发明基于GPS 的船舶航向输出器的外部中断1流程图如图5所示。本发明基于GPS的船舶航向 输出器的串口中断流程图如图6所示。本发明基于GPS的船舶航向输出器的定时
中断流程图如图7所示。本发明基于GPS的船舶航向输出器的实现线性回归的流 程图如图8所示。本发明基于GPS的船舶航向输出器的实现线性回归中曲线拟合 算法的流程图如图9所示。
权利要求
1、一种基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述船舶航向输出器包括用于接收GPS信号的GPS�？�、用于信息处理的中央处理器、用于输出的输出单元、用于存储数据的存储单元，所述GPS�？榱又醒氪砥鳎龃娲⒌ピ胫醒氪砥魇萘樱鲋醒氪砥髁邮涑龅ピ龅闹醒氪砥靼ㄆ鹗嫉闵瓒ǖピ糜诟荽捌艉绞保邮誈PS�？榈木扯仁菪畔ⅲ瓒ㄆ艉降阄鹗嫉悖缓较蚣扑愕ピ糜诘苯邮找桓隼醋訥PS�？榈男畔⒑螅崛〉鼻暗木扯刃畔ⅲ⑼ü蟹治扯人惴扑阆喽杂谄鹗嫉愕暮较颍⑾蚴涑龅ピ涑觯凰鯣PS�？榉直鹆悠鹗嫉闵瓒ǖピ�、航向计算单元，所述起始点设定单元的输出端连接航向计算单元的输入端，所述航向计算单元的输出端连接输出单元。
2、 如权利要求1所述的基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述的中央处 理器还包括-线性回归点保存单元，用于接收每一个来自GPS�？榈男畔⒑螅崛∶扛龅愕木� 纬度信息，并依照线性回归点数据的时间间隔，提取线性回归点的经纬度信息； 线性回归计算单元，用于依照各个线性回归点的经纬度信息，用最小二乘法进行 曲线拟合，并输出拟合后的航向；所述的GPS�？榱酉咝曰毓榈惚４娴ピ鱿咝曰毓榈惚４娴ピ酉咝曰� 归计算单元，所述线性回归计算单元连接输出单元。
3、 如权利要求1或2所述的基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述的船 舶航向输出器还包括用于系统设定输入的按键、用于显示的LCD显示设备，所述 按键连接起始点设定单元，所述输出单元连接LCD显示设备。
4、 如权利要求3所述的基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述的输出单元包括带隔离的串行输出单元和串行接口输出单元。
5、 如权利要求4所述的基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述的存储单 元为用于掉电保护的EEPROM单元。
6、 如权利要求5所述的基于GPS的船舶航向输出器，其特征在于所述的GPS �？槲度胧紾PS�？�。
全文摘要
一种基于GPS的船舶航向输出器，包括用于接收GPS信号的GPS模块、用于信息处理的中央处理器、用于输出的输出单元、用于存储数据的存储单元，所述GPS�？榱又醒氪砥鳎龃娲⒌ピ胫醒氪砥魇萘樱鲋醒氪砥髁邮涑龅ピ龅闹醒氪砥靼ㄆ鹗嫉闵瓒ǖピ⒑较蚣扑愕ピ凰鯣PS�？榉直鹆悠鹗嫉闵瓒ǖピ�、航向计算单元，所述起始点设定单元的输出端连接航向计算单元的输入端，所述航向计算单元的输出端连接输出单元。本发明提供一种能够准确测量航向、成本低的基于GPS的船舶航向输出器。
文档编号G01C21/20GK101113902SQ20071007030
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者伟 何, 立 俞, 冯远静, 鉷 宋, 浩 封, 徐建明, 游 滕, 熊远生 申请人:浙江工业大学
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