定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

時(shí)間：2022-10-05 18:28:20 計(jì)算機(jī)應(yīng)用論文我要投稿

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　　定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　【摘要】分析定位系統(tǒng)軟件IPS設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題，包括建模，及對(duì)異常處理、通訊信號(hào)處理、繪制圖像的部分探討。

　　【關(guān)鍵詞】水下定位;軟件;C#

　　1.概述

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，海洋資源顯得越來越重要。

　　而人類探索、開發(fā)海洋資源的主要工具之一就是水下機(jī)器人。

　　有纜遙控水下機(jī)器人(ROV)、無纜水下機(jī)器人(AUV)是兩大發(fā)展方向。

　　當(dāng)ROV潛入水下時(shí)通過電纜可以傳輸它的方位信息，但AUV沒有電纜就難以知道它在水下的方位了。

　　一般水下機(jī)器人下水時(shí)都會(huì)帶上一個(gè)聲信標(biāo)，并通過費(fèi)倫蒂公司海洋研究設(shè)備部(Ferr-

　　anti O.R.E)研制的綜合超短基線聲跟蹤系統(tǒng)Trackpoint之類的設(shè)備，獲得水下目標(biāo)相對(duì)母船的位置。

　　如果把這個(gè)信息輸入到計(jì)算機(jī)，并利用GPS獲得母船的經(jīng)緯度，就可以計(jì)算出水下目標(biāo)的經(jīng)緯度。

　　Integrated Positioning System(IPS)是創(chuàng)新水下技術(shù)有限公司(Creative Underwater Technology Inc.)開發(fā)的一套軟件，就可以進(jìn)行這樣的計(jì)算。

　　但I(xiàn)PS是一個(gè)獨(dú)立的程序，使用時(shí)需要占用一臺(tái)主機(jī)，并且購(gòu)買IPS的價(jià)格不菲。

　　如果研究自主的類似IPS的定位系統(tǒng)(MyIPS)，不僅節(jié)約采購(gòu)經(jīng)費(fèi)，還可以把程序嵌入到AUV的水面監(jiān)控系統(tǒng)中。

　　MyIPS綜合了多門學(xué)科，主要用到計(jì)算機(jī)圖像、通訊、信號(hào)處理、大地測(cè)量等。

　　2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 硬件

　　工控機(jī)一臺(tái)，有25針和9針RS-232串口各一個(gè);

　　4410D型TrackpointⅡ，帶發(fā)聲器，應(yīng)答器;

　　NovAtel公司OEM4型GPS卡。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　MyIPS利用4410D型TrackpointⅡ獲取水下目標(biāo)的相對(duì)位置，用GPS卡獲得母船的大地坐標(biāo)。

　　然后計(jì)算出水下目標(biāo)的大地坐標(biāo)。

　　其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　3.數(shù)學(xué)模型

　　從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看到，MyIPS有兩個(gè)數(shù)據(jù)源：TrackpointⅡ數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。

　　MyIPS的關(guān)鍵就是從這兩組數(shù)據(jù)計(jì)算出所需。

　　如果歸結(jié)成數(shù)學(xué)問題就是已知橢球面上一點(diǎn)的經(jīng)度緯度(母船的經(jīng)度緯度，由GPS獲得)，橢球面上另外一點(diǎn)至該點(diǎn)的大地線長(zhǎng)度和大地線的方位角(水下目標(biāo)相對(duì)母船位置，由TrackpointⅡ獲得)，推求另外一點(diǎn)的經(jīng)度緯度。

　　這是高等大地測(cè)量學(xué)中的大地主題正解問題。

　　如圖2所示：橢球面極三角形PAB，P為極點(diǎn)，A點(diǎn)為橢球面上一已知點(diǎn)，大地線AB的大地方位角A1.2亦為已知值，且已知A及B兩點(diǎn)間的大地長(zhǎng)度S1。

　　求B點(diǎn)的經(jīng)度緯度。

　　對(duì)這個(gè)問題我國(guó)著名大地測(cè)量專家張志新曾于六○年代提出過計(jì)算公式，見參考文獻(xiàn)[1、2]。

　　這里根據(jù)實(shí)際的需求情況，在允許的誤差范圍內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便于計(jì)算。

　　當(dāng)聲信標(biāo)的類型為TRANSPONDER或RESPON-DER4410D型TrackpointⅡ的絕對(duì)精度如下表所示：

　　實(shí)際上4410D型TrackpointⅡ的有效距離為2km，當(dāng)距離為2km時(shí)TrackpointⅡ的誤差至少為2km×0.5%=10m。

　　參考“國(guó)際橢球”的參數(shù)，取地球的曲率半徑=6，371，228米，在以為半徑的球體中，弦長(zhǎng)L=2km對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)S為：

　　S=2×arcsin=2×6371228×acsin ()≈2000.0188m

　　S-L=0.0188<<10m.

　　S和L的值相差不大，遠(yuǎn)小于Trackpoint的10m誤差，因此就把TrackpointⅡ測(cè)量的距離當(dāng)做兩點(diǎn)間的大地線長(zhǎng)。

　　同時(shí)以平面坐標(biāo)系來計(jì)算B點(diǎn)的坐標(biāo)。

　　同樣采用“國(guó)際橢球”的參數(shù)。

　　如圖3所示，A點(diǎn)為母船位置，用GPS獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度，B點(diǎn)為水下目標(biāo)的位置。

　　當(dāng)Trackpoint系統(tǒng)連接上COMPASS后，將COMPASS/RS232 DATA設(shè)置為以正北為基準(zhǔn)，Trackpoint輸出的BRG(BEARING，目標(biāo)方向)就是∠NAB，X就是△x，Y就是△y。

　　則：

　　緯度差為：360°×;

　　經(jīng)度差為：360°×。

　　若COMPASS/RS232 DATA沒被設(shè)置為以正北為基準(zhǔn)，則∠NAB=HDG(HEADING，母船方向)+BRG(BEARING，目標(biāo)方向)，又因?yàn)锳B=S.R.(SLANT RANGE，斜距)，則△x=S.R*sin∠NAB，△y=S.R*cos∠NAB。

　　用A點(diǎn)(母船)的經(jīng)緯度相應(yīng)加上經(jīng)度緯度差就得到B點(diǎn)(目標(biāo))的經(jīng)緯度。

　　在距離不遠(yuǎn)的情況下，這樣計(jì)算的精度就可以滿足要求了。

　　4.軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 設(shè)計(jì)概要

　　本人使用的是Visual C#.NET，所以以下舉例是基于C#語言。

　　MyIPS具有可視化的界面，有便捷的操作菜單和工具條，其界面如圖4所示：

　　MyIPS不僅以數(shù)字的形式反映數(shù)據(jù)，還可以圖形的方式直觀的反映出，母船與水下目標(biāo)的位置關(guān)系。

　　程序簡(jiǎn)要流程圖如圖5所示：

　　4.2 主要技術(shù)及算法

　　①異常處理

　　當(dāng)要從COM1和COM2讀取數(shù)據(jù)，及試圖和數(shù)據(jù)庫連接時(shí)可能出現(xiàn)異常情況。

　　因此使用try-catch 語句對(duì)可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行處理，以增強(qiáng)軟件的健壯性。

　　實(shí)際使用中COM端口可能會(huì)被占用或其它故障，以致無法使用。

　　將打開COM端口的命令放到try語句塊中，則當(dāng)出現(xiàn)以上可能時(shí)，程序轉(zhuǎn)到catch語句，執(zhí)行異常情況下的處理程序。

　�、跀�(shù)據(jù)處理

　　Trackpoint輸出的數(shù)據(jù)格式有九種，而GPS輸出的數(shù)據(jù)也有好幾種。

　　以GPS的GPGGA格式數(shù)據(jù)為例：　　$GPGGA，082631.00，3041.4634，N，11118.4636，E，1，06，1.5，128.29，M，-24.23，M，，*46

　　這是一條完整的GPGGA格式的GPS數(shù)據(jù)，可以看到數(shù)據(jù)的開頭有一個(gè)標(biāo)識(shí)符號(hào)$，當(dāng)從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，讀到$字符就表示后面的數(shù)據(jù)就是要提取的有用信息。

　　對(duì)于Trackpoint輸出的NMEA ORE、NMEA TTM格式的數(shù)據(jù)也是以“$”符號(hào)作為開始標(biāo)志。

　　NCSC格式以“J”符號(hào)作為開始標(biāo)志，其它格式的數(shù)據(jù)雖然沒有特殊的符號(hào)作為開始標(biāo)志，但它們的開頭都包含時(shí)間信息如“16：55：32”，但讀到相隔兩個(gè)字符長(zhǎng)度的“：”時(shí)，就表示一條數(shù)據(jù)開始了。

　　數(shù)據(jù)處理的代碼如下：

　　取出各有效字段后，還要將其類型由字符串型轉(zhuǎn)化成浮點(diǎn)小數(shù)型，再進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，并把結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫文件中去。

　　③繪圖

　　假設(shè)以母船為中心，在800*600的矩形中心畫上船的標(biāo)記，同時(shí)定義一個(gè)變量Tick作為放大倍數(shù)。

　　母船的位置在屏幕上以像素表示為點(diǎn)(400，300)，經(jīng)度和緯度差的數(shù)值很小，在距離近時(shí)可能只有0.0001°的差別，因此需要將經(jīng)緯度差乘上Tick，比如：當(dāng)Tick=10000時(shí)，則經(jīng)緯度每變化0.0001°，在屏幕上的變化就是一個(gè)像素的位移。

　　屏幕的像素是以左上角為原點(diǎn)的，如果按上北下南左西右東的方向在屏幕上建立坐標(biāo)系，則目標(biāo)B點(diǎn)的像素坐標(biāo)表示成如下(在東北半球時(shí))：

　　=+Tick×△x(=400，為A點(diǎn)像素的X坐標(biāo));

　　=-Tick×△y(=300，為A點(diǎn)像素的Y坐標(biāo));

　　當(dāng)在其它半球時(shí)需相應(yīng)變換正負(fù)號(hào)。

　　若定義兩個(gè)變量WE和NS，當(dāng)在東半球時(shí)WE=1，在西半球時(shí)WE=-1;

　　當(dāng)在南半球時(shí)NS=1，在北半球時(shí)NS=-1;

　　修改上面公式成：

　　=+WE×NS×Tick×△x(=400，為A點(diǎn)像素的X坐標(biāo));

　　=+WE×NS×Tick×△y(=300，為A點(diǎn)像素的Y坐標(biāo));

　　WE和NS的取值可由GPS數(shù)據(jù)判斷。

　　如：

　　$GPGGA，082631.00，3041.4634，N，11118.4636，E，1，06，1.5，128.29，M，-24.23，M，，*46