专利名称：脉冲编码器结合gps的精确动态定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对运动体进行高精度定位的装置，具体地说是一种脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置。
背景技术：
目前在应用卫星定位系统(GPS)进行高精度定位的各种技术中，伪距测量和载波相位测量(RTK方式)方式得到了广泛的应用。伪距测量的定位精度为米级，而用RTK方式，动态实时定位精度可达到厘米级，由此可以看出，载波相位测量比伪距测量方式精度高出两个数量级。但是在GPS以RTK方式接受数据时，由于会受到很多因素的影响，经常出现非RTK数据，这些数据在精度上不能满足要求，影响了对运动体的动态实时定位精度。研究表明，采用脉冲编码器配合GPS来进行计算可以满足在接受数据为非RTK方式时仍能够达到厘米级的定位精度要求。

发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，该装置可用于对运动体进行高精度定位。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，其特征是它包括安装在运动体上的GPS接收装置、脉冲编码器和数据处理控制器，6PS接收装置和脉冲编码器均与数据处理控制器连接；所述GPS接收装置向数据处理控制器提供位置信息，脉冲编码器向数据处理控制器提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，数据处理控制器根据位置信息和脉冲信号得到运动体的精确位置信息。数据处理控制器可以是具有数据处理功能的电脑。
本发明中，安装在运动体上的GPS接收装置能够提供每秒1次或者多次的位置信息，包括经度、纬度、高度和数据精度，GPS接收装置数据输出接口为RS232。
通常情况下，系统中的GPS是以RTK方式来接收数据计算坐标的，但由于一些原因，GPS有时候接收的数据不是RTK方式的，使得数据的精度降低，不能满足设计要求；或当数据输出的频率大于GPS接收数据的频率时，也不能直接利用当时的GPS数据。此时可利用脉冲编码器来解决这一问题，脉冲编码器在物体运动时提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，脉冲信号为变周期、占空比为1/2的方波信号。根据对脉冲的计数值和最近一次可信赖的GPS数据结合起来，就可以推导出物体当前的位置。从而保证了在GPS数据失效的情况下，数据处理控制器接收GPS提供的数据和脉冲编码器给出的脉冲信号，通过计算仍然能够得到满足精度需要的位置信息。
本发明在实际安装和运行的过程中有一些细节问题也要考虑到。安装时，由于GPS的接收天线不能够准确地安装在适当的位置会造成安装误差，此时必须获得这些误差的大小，在实际计算时对结果进行修正；当物体行驶的轨道所在的地面有起伏时，导致物体倾斜，从而使得安装在物体上的GPS的接收天线在地面上的投影和轮胎的位置不一致，最终造成偏移量计算错误，因此为了减少控制系统对地面情况的依赖，需要根据天线在高度上的变化来对偏移量进行修正。同时，为了彻底解决该问题，在地面情况特别不好的地段可以进行专门测量，把要校正的数据保存，当运动体行驶到该处时，使用专门的数据来测量。
本发明的有益效果是安装在运动体上的数据处理控制器可以应用GPS的RTK方式进行高精度动态定位，达到厘米级的定位精度，并且在GPS数据失效的情况下，利用脉冲编码器的配合计算在短期内对运动体的定位仍然能够满足精度要求。
四

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的结构框图；图3是本发明的工作状态指示器电路原理图；图4是本发明的GPS接收装置电路原理图；图5是本发明中单个脉冲编码器电路原理图；图6是本发明中一部分脉冲编码器电路原理图；图7是本发明中另一部分脉冲编码器电路原理图；图8是运动体正向运动和反向运动时编码器输出相位关系图。
五具体实施例方式
一种本发明所述的脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，包括GPS接收装置1、脉冲编码器2和数据处理控制器3，一组两个GPS接收装置1、两对脉冲编码器2和数据处理控制器3均安装在运动体4上，运动体4通过轮子5的转动而移动。GPS接收装置1和脉冲编码器2均与数据处理控制器3连接；GPS接收装置1向数据处理控制器3提供位置信息，脉冲编码器2向数据处理控制器3提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，数据处理控制器3根据位置信息和脉冲信号得到运动体的精确位置信息。数据处理控制器3是具有数据处理功能的电脑，GPS接收装置1和脉冲编码器2通过数据总线与电脑连接。
GPS接收装置1能够提供每秒1次或者多次的位置信息，包括经度、纬度、高度和数据精度，GPS接收装置1为2个，也可以采用1个，GPS接收装置数据输出接口为RS232。图4中，GPS接收装置的接口与集成电路TL16C554连接，再通过数据总线与电脑MCU(PC104Module)连接。脉冲编码器2在物体运动时提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，脉冲信号为变周期、占空比为1/2的方波信号.脉冲编码器2为2对，也可以是1对。本发明中共有4个脉冲信号接收装置，图5中给出单个脉冲编码器电路原理图，每个脉冲编码器均通过数据总线与电脑MCU(PC104Module)连接。
图2中， 代表控制信号； 代表数据信号； 代表总线信号。对于脉冲编码器来说，一组编码器有两个输出，分别是输出A和输出B，当运动体正方向运动时，输出A比输出B超前90度相位，当运动体反方向运动时，输出A比输出B落后90度相位，如图8所示检测编码器输出相位关系的办法是将编码器的两个输出分别接到一个D触发器的输入端和时钟端，根据D触发器的输出Q的电平就可以判断出两者之间的相位关系。得到相位关系后，就可以得知物体运行的方向。物体正方向运行时，启动一个编码器计数器，反向运动时，启动另外一个编码器计数器，实现这样控制的方法是将判断相位所用触发器的输出作为计数器的选通信号。为及时掌握系统的工作状态，本发明设有系统工作状态指示器6，当系统出现故障后可及时进行维修。
本发明的工作流程为系统接通电源后，首先自检，初始化(包括读取配置文件)，然后进行向GPS接收机索取数据的命令。如果检测到GPS有RTK数据发送过来，我们就认为系统正常，可以进行正式工作了。如果在规定的时间内还没有接受到RTK的数据，就重新复位GPS接收机，继续等待，并且显示等待标志。正式工作开始后，首先判断键盘是否有输入，如果有合适的指令输入，按照输入指令工作；然后检查是否到了输出数据的时刻，如果到了，就计算并且输出计算结果；如果有来自GPS接收器的串口中断，就接受数据并且提取出坐标数据，然后计算输出结果。
本发明的系统要求和设计细节如下系统要求(目的)设计的基本目标是根据GPS接受到的数据计算出物体偏移预定轨道的程度，输入下一级设备，控制运动物体沿着预定轨道行驶，使物体的最大偏移量不超过厘米级。数据的输出频率是1HZ或5HZ。
数据处理控制器接受来自GPS的数据，计算出偏移量，并直接控制运动体的行驶，以及负责处理各种异常情况。
设计细节1、坐标的建立在所有的计算之前，首先要建立一个方便计算的坐标系。由GPS直接得到的是BLH坐标，在实际的应用中，要根据需要将其转换成不同的直角坐标系。本系统中，使用的是自选的中央子午线和计算基平面来作高斯投影，可以最大限度地减小投影时的长度变形。在计算过程中，建立两个平面直角坐标系，一个是经纬坐标系，一个是符合当地情况的直角坐标系，这两个坐标系的原点重合。在经纬坐标系中，y轴指向正北，x轴由y轴顺时针旋转90度得到，和纬线平行。在当地坐标系中，原点和x轴的方向由当地给出，一般x轴平行于轨道。在直角坐标系已建立的情况下，就可以将获得点的经纬度转化为当地坐标，在得到当地坐标系下的坐标后，就可以方便的求算出偏移量的大小了。
2、编码器推算一般情况下，系统中的GPS是以RTK方式来接收数据计算坐标的，但由于一些原因，GPS有时候接收的数据不是RTK方式的，使得数据的精度降低，不能满足设计要求；或当数据输出的频率大于GPS接收数据的频率时，此时，我们不能直接利用当时的GPS数据，只能利用脉冲编码器它对物体两边轮胎转动的圈数进行计数，轮胎转动一圈，编码器将会产生10000个左右脉冲，脉冲以方波的形式输入，根据对脉冲的计数值和最近一次可信赖的GPS数据结合起来，就可以推导出物体当前的位置。利用编码器推算可以在GPS失效的情况下，控制物体15秒内继续保持沿直线行驶。
3、高度补偿高度补偿的目的是减少控制系统对地面情况的依赖性。当物体行驶的轨道所在的地面有起伏时，导致物体倾斜，从而使得安装在物体上的GPS的接收天线在地面上的投影和轮胎的位置不一致，最终造成偏移量计算错误。因此，需要根据天线在高度上的变化来对偏移量进行修正。同时，为了彻底解决该问题，在地面情况特别不好的地段可以进行专门测量，把要校正的数据保存，当运动物体行驶到该处时，使用专门的数据来测量。
4、安装误差由于GPS的天线安装时不能够准确的安置在恰当的位置造成安装误差。必须获得这些误差的大小，在实际计算时对结果进行相应的修正。
5、配置文件在计算的整个过程中，不仅需要及时的GPS数据，还需要一些场地的基本地理位置信息，比如轨道的坐标等，以及和系统相关的设置，比如是否使用编码器，是否使用高度补偿，安装误差等，这些信息被保存在配置文件当中。所以系统开始时，需要先将所有的配置文件的信息读入内存。
高速行驶时的自动纠偏根据该系统的设计目标要求控制运动体沿一定的轨道行驶，最大偏移量不超过10厘米，即达到自动纠偏的目的。从系统的实际运行效果来看，由于控制指令执行的滞后性，当运动体行驶速度不同时，自动纠偏的效果就不一样。运动体速度越慢，自动纠偏效果越好。当行驶速度比较大时，滞后影响就相对比较大了。为了使自动纠偏能够应用在速度较快的运动体上，可以使用预测手段来抵消滞后的影响。即根据当时的情况，预测在下一个时刻运动体的位置，并用它作为输出量来控制。
通过本发明可以对运动体进行高精度动态定位，达到厘米级的定位精度，并且在GPS数据失效的情况下，利用脉冲编码器的配合计算仍然能够满足定位精度要求。
权利要求
1.一种脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，其特征是它包括安装在运动体上的GPS接收装置(1)、脉冲编码器(2)和数据处理控制器(3)，GPS接收装置(1)和脉冲编码器(2)均与数据处理控制器(3)连接；所述GPS接收装置(1)向数据处理控制器(3)提供位置信息，脉冲编码器(2)向数据处理控制器(3)提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，数据处理控制器(3)根据位置信息和脉冲信号得到运动体的精确位置信息。
2.根据权利要求1所述的脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，其特征是所述GPS接收装置(1)提供的位置信息包括运动体的经度、纬度、高度和数据精度。
3.根据权利要求1所述的脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，其特征是所述脉冲信号为变周期、占空比为1/2的方波信号。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲编码器结合GPS的精确动态定位装置，包括安装在运动体上的GPS接收装置、脉冲编码器和数据处理控制器，GPS接收装置和脉冲编码器均与数据处理控制器连接；GPS接收装置向数据处理控制器提供位置信息，脉冲编码器向数据处理控制器提供数目与位移呈线性关系的脉冲信号，数据处理控制器根据位置信息和脉冲信号得到运动体的精确位置信息。与现有技术相比，本发明利用GPS和脉冲编码器的配合进行高精度动态定位，达到厘米级的定位精度，并且在GPS数据失效的情况下，仍然能够满足精度要求。本发明广泛适用于对运动体进行高精度定位。
文档编号G01S3/02GK1609629SQ200410041938
公开日2005年4月27日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者袁杰, 都思丹, 高敦堂, 吴祖林, 李爱成 申请人:南京大学