專利名稱：基于gps的船舶航向輸出器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于GPS導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GPS的船舶航向輸出器。(二) 背景技術(shù)現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)導(dǎo)航系統(tǒng)通常應(yīng)用在 擁有較大的或可觸摸的或彩色的顯示屏的電子設(shè)備上，以滿足導(dǎo)航過程中瀏覽電 子地圖、檢索信息輸入、電子地圖動態(tài)導(dǎo)引的需要。但在現(xiàn)有船舶導(dǎo)航中，GPS通常單獨配置，和別的設(shè)備不產(chǎn)生聯(lián)系。另一方 面，在實際船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了獲得物體的實際航向信息，通常有以下幾種方 案(1)使用電羅經(jīng)，電羅經(jīng)輸出的航向準(zhǔn)確，可靠性高。但一臺電羅經(jīng)通常需 要數(shù)十萬元。昂貴的價格使得民船對電羅經(jīng)望而卻步。(2)利用磁羅經(jīng)或電子羅 盤來為船舶提供實際的航向信息，但磁羅經(jīng)或電子羅盤易收磁場信號的干擾，存 在著可靠性欠佳的缺點。(3)直接使用單個GPS輸出的航向信息也有人提出，但 由于單個GPS在船舶低速運(yùn)動時，輸出的航向誤差大，并且在船舶靜止不動時， 也會有航向輸出，直接使用效果并不是很好。并且，嚴(yán)格的講，航向一般指的是 船舶的質(zhì)心的運(yùn)動方向，但為了接收GPS信號，通常GPS并不可能安裝在質(zhì)心位 置。(4)使用多個GPS進(jìn)行信息融合計算出船舶的運(yùn)動方向，該方法一般在船舶的 多個不同的位置安裝GPS，利用位置信號進(jìn)行計算，從而得出運(yùn)動方向。但由于 GPS位置信號一般有誤差，如果船體本身比較小，位置信號誤差對整個計算結(jié)果 影響很大，計算結(jié)果的可靠性得不到保證。(三)

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有船舶航向輸出器的不能同時兼顧航向準(zhǔn)確性和制造成本的精度 低的不足，本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確測量航向、成本低的基于GPS的船舶航向輸出器o本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于GPS的船舶航向輸出器，包括用于接收GPS信號的GPS模塊、用于 信息處理的中央處理器、用于輸出的輸出單元、用于存儲數(shù)據(jù)的存儲單元，所述 GPS模塊連接中央處理器，所述存儲單元與中央處理器數(shù)據(jù)連接，所述中央處理 器連接輸出單元，所述的中央處理器包括起始點設(shè)定單元，用于根據(jù)船舶啟航 時，接收GPS模塊的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，設(shè)定啟航點為起始點；航向計算單元，用 于當(dāng)接收一個來自GPS模塊的信息后，提取當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，并通過中分緯度算法計算相對于起始點的航向，并向輸出單元輸出；所述GPS模塊分別連接起始點設(shè)定單元、航向計算單元，所述起始點設(shè)定單元的輸出端連接航向計算單元的 輸入端，所述航向計算單元的輸出端連接輸出單元。進(jìn)一步，所述的中央處理器還包括線性回歸點保存單元，用于接收每一個來自GPS模塊的信息后，提取每個點的經(jīng)緯度信息，并依照線性回歸點數(shù)據(jù)的時 間間隔，提取線性回歸點的經(jīng)緯度信息；線性回歸計算單元，用于依照各個線性 回歸點的經(jīng)諱度信息，用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，并輸出擬合后的航向；所述 的GPS模塊連接線性回歸點保存單元，所述線性回歸點保存單元連接線性回歸計 算單元，所述線性回歸計算單元連接輸出單元。更進(jìn)一步，所述的船舶航向輸出器還包括用于系統(tǒng)設(shè)定輸入的按鍵、用于顯 示的LCD顯示設(shè)備，所述按鍵連接起始點設(shè)定單元，所述輸出單元連接LCD顯示 設(shè)備。所述的輸出單元包括帶隔離的串行輸出單元和串行接口輸出單元。所述的存
儲單元為用于掉電保護(hù)的EEPR0M單元。所述的GPS模塊為嵌入式GPS模塊。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為設(shè)計了一種船舶航向的輸出儀器，包括用于接收GPS 信號的嵌入式GPS模塊，用于信息處理的中央處理器，用于輸出的帶隔離的串行 輸出單元及串行接口輸出單元，用于顯示的LCD單元，用于設(shè)定的面板控制單元， 用于掉電保護(hù)的EEPR0M單元。中央處理器通過串口接收嵌入式GPS模塊輸出的RMC信息，通過信息提取， 獲得經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)及速度數(shù)據(jù)。當(dāng)按下面板上的"設(shè)定"按鍵時，中央 處理器把當(dāng)前點作為起始點，在RAM中保存該點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)寫入 EEPR0M中，防止掉電時設(shè)定的起始點經(jīng)諱度數(shù)據(jù)丟失。每當(dāng)中央處理器接收到一 個來自GPS的RMC信息，提取經(jīng)緯度信息后，通過中分緯度算法計算出相對于起 始點的航向，并保存在RAM中。當(dāng)檢測到串行輸出單元中的片選信號被拉低后， 中央處理器響應(yīng)在時鐘線上的上升沿中斷，并在中斷服務(wù)程序中將航向依次送出， 接收的CPU在時鐘線上的下降沿采樣數(shù)據(jù)，可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)面板控制 單元的選擇也可以通過串口向外輸出航向數(shù)據(jù)。通過面板上的加減按鍵來調(diào)整線 性回歸點的個數(shù)，以及每次保存線性回歸點數(shù)據(jù)的時間間隔。光標(biāo)按鍵用來移動 當(dāng)前設(shè)定的值。LCD用來顯示當(dāng)前經(jīng)緯度，起始點的經(jīng)緯度，計算出的航向信息， 線性回歸的得出的航向數(shù)據(jù)，線性回歸數(shù)據(jù)的點數(shù)，每次保存線性回歸點數(shù)據(jù)的 時間間隔。當(dāng)自動操舵役接收到航向信息后，與設(shè)定的航向信息進(jìn)行比較，通過 控制算法，去操舵，從而保證船沿著設(shè)定的航向前進(jìn)。當(dāng)船沿著設(shè)定的航向小偏 差航行時，通過線性回歸的方法得到的航行信息應(yīng)該和設(shè)定值相差比較小，如果 相差比較大，說明船受到了諸如風(fēng)，流的始終干擾，此時可通過設(shè)定一壓舵角， 來的減小此影響。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、獲得航向數(shù)據(jù)不需要價格昂貴的電羅經(jīng)，
只需要一塊嵌入式的GPS模塊即可，且航向準(zhǔn)確，可靠性好；2、隨著船舶的航行， 船舶距離設(shè)定的起始點越來越遠(yuǎn)，因此計算出的航向信息精度越來越高；3、船舶 在航行過程中，所保持的航向始終相對與設(shè)定的起始點，避免了直接單一的航向 數(shù)據(jù)而出現(xiàn)船舶漂移的情況；4、線性回歸方法得出的航向數(shù)據(jù)信息反應(yīng)了在過去 一段時間內(nèi)船舶運(yùn)動的實際航向，作為后驗數(shù)據(jù)，對后續(xù)航行有一定的指導(dǎo)意義; 5、配合LCD顯示，使信息一目了然。(四)


圖1是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的原理框圖。 圖2是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的面板控制單元示意圖。 圖3是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的電路原理圖。 圖4是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的主程序流程圖。 圖5是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的外部中斷1流程圖。 圖6是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的串口中斷流程圖。 圖7是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的定時中斷流程圖。 圖8是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的實現(xiàn)線性回歸的流程圖。 圖9是本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的實現(xiàn)線性回歸中曲線擬合算法的 流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1 圖9， 一種基于GPS的船舶航向輸出器，包括用于接收GPS信號的 GPS模塊3、用于信息處理的中央處理器l、用于輸出的輸出單元5、用于存儲數(shù) 據(jù)的存儲單元4，所述GPS模塊3連接中央處理器1，所述存儲單元4與中央處理 器1連接，所述中央處理器1連接輸出單元5，所述的中央處理器l包括起始 點設(shè)定單元，用于根據(jù)船舶啟航時，接收GPS模塊的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，設(shè)定啟航 點為起始點；航向計算單元，用于當(dāng)接收一個來自GPS模塊的信息后，提取當(dāng)前 的經(jīng)緯度信息，并通過中分緯度算法計算相對于起始點的航向，并向輸出單元輸 出；所述GPS模塊分別連接起始點設(shè)定單元、航向計算單元，所述起始點設(shè)定單 元的輸出端連接航向計算單元的輸入端，所述航向計算單元的輸出端連接輸出單 元。所述的中央處理器1還包括線性回歸點保存單元，用于接收每一個來自GPS 模塊的信息后，提取每個點的經(jīng)緯度信息，并依照線性回歸點數(shù)據(jù)的時間間隔， 提取線性回歸點的經(jīng)緯度信息；線性回歸計算單元，用于依照各個線性回歸點的 經(jīng)緯度信息，用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，并輸出擬合后的航向；所述的GPS模 塊連接線性回歸點保存單元，所述線性回歸點保存單元連接線性回歸計算單元， 所述線性回歸計算單元連接輸出單元。所述的船舶航向輸出器還包括用于系統(tǒng)設(shè)定輸入的按鍵7、用于顯示的LCD 顯示設(shè)備6，所述按鍵7連接起始點設(shè)定單元，所述輸出單元連接LCD顯示設(shè)備6。所述的輸出單元5為帶光藕隔離的串行接口輸出單元。所述的存儲單元4為 用于掉電保護(hù)的EEPR0M單元。所述的GPS模塊3包括嵌入式GPS模塊及RS232 接口單元。本實施例提出一種基于GPS的導(dǎo)航算法，該算法只需要一個一個嵌入式的GPS 模塊，能保證船舶沿著起始點設(shè)定的航向航行。同時經(jīng)過線性回歸的方法得到的 航向信息可提供給設(shè)定壓舵角，修正及估計磁羅經(jīng)、電子羅盤的誤差時作參考。 當(dāng)自動操舵役接收到航向信息后，與設(shè)定的航向信息進(jìn)行比較，通過控制算法， 去操舵，從而保證船沿著設(shè)定的航向前進(jìn)。當(dāng)船沿著設(shè)定的航向小偏差航行時， 通過線性回歸的方法得到的航行信息應(yīng)該和設(shè)定值相差比較小，如果相差比較大， 說明船受到了諸如風(fēng)，流的始終干擾，此時可通過設(shè)定一壓舵角，來的減小此影 響。如圖1所示，本發(fā)明的基于GPS的船舶航向輸出器包括中央處理器單元1，電 源模塊2，嵌入式GPS模塊3， EEPR0M4，串行隔離輸出單元5， LCD顯示6，按鍵7。如圖2所示，本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的面板控制單元示意圖包括 用于顯示的128X64的LCD1，用于固定LCD和按鍵的面板，用于表示前面或后面 所顯示數(shù)字意義的面板上的貼字，用于設(shè)定及修改設(shè)置的按鍵。如圖3所示，本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的中央處理器單元包括單片 機(jī)STC89C58RD+;為了存放中間運(yùn)算結(jié)果，擴(kuò)展了外部R層存儲器麗6264及相應(yīng) 的地址鎖存器74HC573;晶振電路部分，Y1為單片機(jī)STC89C58RD+提供22. 1184MHZ 的工作頻率；復(fù)位部分電路，包括按鍵KEY—RST構(gòu)成的復(fù)位電路和上電復(fù)位。本 發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的電源模塊將船用供電的24V變?yōu)?V的直流電， 以供系統(tǒng)使用，船用24V直流電源首先經(jīng)過1A的保險絲Fl，再經(jīng)過防止電源反 接的二極管D1，經(jīng)隔離的DC-DC模塊M1輸出5V的直流電源，經(jīng)過電容C15、C16, 電感Ll、 L2穩(wěn)壓，濾波給系統(tǒng)各部分供電。嵌入式GPS模塊有接插件GPS一C0N 及RS232接口芯片U4組成，負(fù)責(zé)接收GPS輸出的信號。EEPR0M模塊Ul主要用來 存放設(shè)定的起始點，單片機(jī)U2通過軟件模擬的IIC與其相連。串行隔離輸出單元 5包括用于輸入輸出信號隔離的光藕U5， U6， U7， U8，以及驅(qū)動光藕的驅(qū)動芯片U9， 及輸出信號的接插件OUT—C0N。 LCD顯示6包括接插件LCD12864及相應(yīng)的液晶模 塊。按鍵7包括5個按鍵KEY—Sl、 KEY一S2、 KEY—S3、 KEY一S4、 KEY—S5。本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的主流程圖如圖4所示。本發(fā)明基于GPS 的船舶航向輸出器的外部中斷1流程圖如圖5所示。本發(fā)明基于GPS的船舶航向 輸出器的串口中斷流程圖如圖6所示。本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的定時
中斷流程圖如圖7所示。本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的實現(xiàn)線性回歸的流 程圖如圖8所示。本發(fā)明基于GPS的船舶航向輸出器的實現(xiàn)線性回歸中曲線擬合 算法的流程圖如圖9所示。
權(quán)利要求
1、一種基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述船舶航向輸出器包括用于接收GPS信號的GPS模塊、用于信息處理的中央處理器、用于輸出的輸出單元、用于存儲數(shù)據(jù)的存儲單元，所述GPS模塊連接中央處理器，所述存儲單元與中央處理器數(shù)據(jù)連接，所述中央處理器連接輸出單元，所述的中央處理器包括起始點設(shè)定單元，用于根據(jù)船舶啟航時，接收GPS模塊的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，設(shè)定啟航點為起始點；航向計算單元，用于當(dāng)接收一個來自GPS模塊的信息后，提取當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，并通過中分緯度算法計算相對于起始點的航向，并向輸出單元輸出；所述GPS模塊分別連接起始點設(shè)定單元、航向計算單元，所述起始點設(shè)定單元的輸出端連接航向計算單元的輸入端，所述航向計算單元的輸出端連接輸出單元。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述的中央處 理器還包括-線性回歸點保存單元，用于接收每一個來自GPS模塊的信息后，提取每個點的經(jīng) 緯度信息，并依照線性回歸點數(shù)據(jù)的時間間隔，提取線性回歸點的經(jīng)緯度信息； 線性回歸計算單元，用于依照各個線性回歸點的經(jīng)緯度信息，用最小二乘法進(jìn)行 曲線擬合，并輸出擬合后的航向；所述的GPS模塊連接線性回歸點保存單元，所述線性回歸點保存單元連接線性回 歸計算單元，所述線性回歸計算單元連接輸出單元。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述的船 舶航向輸出器還包括用于系統(tǒng)設(shè)定輸入的按鍵、用于顯示的LCD顯示設(shè)備，所述 按鍵連接起始點設(shè)定單元，所述輸出單元連接LCD顯示設(shè)備。
4、 如權(quán)利要求3所述的基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述的輸出單元包括帶隔離的串行輸出單元和串行接口輸出單元。
5、 如權(quán)利要求4所述的基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述的存儲單 元為用于掉電保護(hù)的EEPROM單元。
6、 如權(quán)利要求5所述的基于GPS的船舶航向輸出器，其特征在于所述的GPS 模塊為嵌入式GPS模塊。
全文摘要
一種基于GPS的船舶航向輸出器，包括用于接收GPS信號的GPS模塊、用于信息處理的中央處理器、用于輸出的輸出單元、用于存儲數(shù)據(jù)的存儲單元，所述GPS模塊連接中央處理器，所述存儲單元與中央處理器數(shù)據(jù)連接，所述中央處理器連接輸出單元，所述的中央處理器包括起始點設(shè)定單元、航向計算單元；所述GPS模塊分別連接起始點設(shè)定單元、航向計算單元，所述起始點設(shè)定單元的輸出端連接航向計算單元的輸入端，所述航向計算單元的輸出端連接輸出單元。本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確測量航向、成本低的基于GPS的船舶航向輸出器。
文檔編號G01C21/20GK101113902SQ20071007030
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者偉 何, 立 俞, 馮遠(yuǎn)靜, 鉷 宋, 浩 封, 徐建明, 游 滕, 熊遠(yuǎn)生 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)