（车辆工程专业论文）基于gps的便携式汽车性能检测仪的研制.pdf

， j ： 西华大学学位论文独创性声明 明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：毒 t 1 1尊号教师签名： 日期：沙l f 6rl 男 日期加f 6 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：未1 道。l - 1 指导教师签名： 日期：沙f 1 喀 。 日期2 o ii ， 。1 ； 西华大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展和车辆在人们日常生活中的普及，汽车检测技术和手段也在不 断的更新和改进。目前，对汽车性能的检测主要是通过室内专门的台架试验和室外道路 试验来实现。检测中，一方面需要专业的检测设备和平台，另一方面需要经过专门培训 的技术人员，汽车性能检测因此显得比较的专业；同时，检测仪器价格昂贵、体积大、 操作复杂。这些因素不可避免的使得汽车性能检测具有较大的局限性。由于交通流的参 与者复杂，交通事故不断攀升。越来越多的汽车使用者希望能及时和便捷的对自己使用 的汽车性能有基本的了解和掌握，如汽车的制动性以及加速性能，以提高行驶的安全性， 减少交通事故的发生；并希望能随时随地的了解汽车技术状况的变化。 为了能够准确的得到汽车在行驶过程中的运动状态，测量并判断汽车性能的一些物 理参数，并使检测仪携带方便、使用便捷和成本低廉，本文以几乎不受环境和空间影响 的g p s 信号作为进行计算和分析汽车基本物理参数的基本参数，以g p s 信号接收模块、 5 1 单片机最小系统和c h 3 7 5 u 盘存储模块为基础，进行了基于g p s 的便携式汽车性能检 测仪的研制。该检测仪通过对g p s 信号进行实时采集和处理；运用相关的算法对汽车的 行驶速度、运动轨迹和距离等物理量进行计算和分析；采用液晶显示屏对汽车的行驶速 度、运动轨迹和距离等实时显示；并通过u 盘存储模块实现对试验数据的保存。 文中，首先介绍了g p s 测量原理和5 1 单片机基础，特别是针对g p s 坐标转换原理， 以及论文中涉及到的5 1 单片机相关理论知识进行了较详细的阐述；其次，对汽车性能 检测仪的硬件组成进行了分析和说明。较全面的阐述了g p s 接收模块h o l u xm 8 7 ， 5 1 单片机最小开发系统和c h 3 7 5 u 盘存储模块：再次，利用基于k e i lc 完成了汽车性 能检测仪的软件编程工作，这也是检测仪研制过程中最关键的一部分。其内容主要包括 三个部分：一是对g p s 信号的接收程序的编程和m z t 2 4 液晶屏显示程序的编程：二是 对汽车加速性能、制动性能、滑行性能和汽车运动轨迹记录试验程序的编程；三是对试 验数据进行存储程序的编程。最后，对研制的汽车性能检测仪进行实车试验，验证其正 确性和可靠性。在试车试验中将该便携式检测仪与商用的汽车性能检测仪a m 2 6 0 0 s 同 时进行汽车性能的测试，并针对测试结果进行了详尽的分析和比对。 通过与商用的汽车性能测试系统等进行测试比对表明，研制的便携式汽车性能检测 仪能较好的完成汽车动力性能、制动性能和汽车运动轨迹的显示和记录；在测试精度上 与商用软件系统的测试结果相当；同时该检测仪采用了常规的一些电子设备和元件大大 降低了汽车性能检测的成本，且使用方便、操作简单、便于携带，具有一定的实用价值。 关键词：g p s ；5 1 单片机；液晶显示；u 盘存储；汽车性能检测；便携 譬 。二， 。一。1 一 一- = 于一 基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制 a bs t r a c t w i t ht 1 1 e d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ep o p u l a r i t yo fv e h i c l eu s e di n p e o p l e sl i v e s ，a u t o m o b i l e p e r f o r m a n c et e s tt e c h n o l o g ya n d + i t sa p p l i c a t i o na r ec o n s t a n t l y u p d a t i n ga n di m p r o v i n g n o w ，t h et e s tt e c h n o l o g yi sa c h i e v e dm a i n l yt h r o u g hi n d o o rt e s t b e n c he x p e r i m e n ta n do u t d o o rr o a dt e s t d u r i n gt h et e s t ，o nt h eo n eh a n d ，p r o f e s s i o n a lt e s t e q u i p m e n t sa n dp l a t f o r m sa r er e q u i r e d ，o nt h eo t h e rh a n d ，p r o f e s s i o n a lp e r s o n sa r en e e d e dt o o p e r a t e t h e s e e q u i p m e n t s a n da n a l y z et e s t r e s u l t s t h e r e f o r e ，i t i s q u i t ep r o f e s s i o n a l u n f o r t u n a t e l y ，t h et e s tc q t f i p m e n ti se x p e n s i v e ，b u l k ya n dc o m p l i c a t e dt oo p e r a t e t h e s e f a c t o r si n e v i t a b l yg i v eg r e a tl i m i t a t i o n st oa u t o m o b i l ep e r f o r m a n c et e s t m e a n w h i l e ，d u et o t h ec o m p l e x i t yo ft h ep a r t i c i p a n t sa n dt h ei n c r e a s eo fc a ra c c i d e n t s ，m o r ea n dm o r eu s e r sw a n t t oh a v eab a s i cu n d e r s t a n d i n go ft h e i rc a r sp e r f o r m a n c e ，f o re x a m p l e ，t h ep e r f o r m a n c eo f b r a k i n ga n dd r i v i n gp o w e r i ti su s e f u lt oi m p r o v et h es a f e t ya n dd e c r e a s et h eo c c u r r e n c eo f a c c i d e n t s c a ru s e r sa l s oh o p et h a tt h e yc a l lu n d e r s t a n dt h ec h a n g eo ft h e i rc a r sp e r f o r m a n c e a ta n y t i m ea n di na n y w h e r e 。 i no r d e rt o g e ta c c u r a t em o t i o ns t a t e sd u r i n gd r i v i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e so np o r t a b l e v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts y s t e mb a s e do ng p s t h et e s ts y s t e mi sa b l et om e a s u r et h e i m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n di ti sc o n v e n i e n tt ot a k e ，e a s yt ou s ea n dc o s tal i t t l e i tu s e s g p ss i g n a l sa sb a s i c p a r a m e t e r st o c a l c u l a t ea n da n a l y z et h eb a s i cv e h i c l ep h y s i c a l p a r a m e t e r s ，w h i c hi sf r e ef r o mt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n ta n ds p a c e t h i ss t u d yi sb a s e do n g p ss i g n a lr e c e p t i o nm o d u l e ，m c s - 51m i n i m u md e v e l o p m e n ts y s t e ma n dc h 3 7 5ud i s k s t o r a g em o d u l e t h et e s ts y s t e ma c h i e v e sg p ss i g n a la c q u i s i t i o na n dh a n d l i n gt i m e l y i tc a n c a l c u l a t ea n da n a l y z et h ei m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha sv e h i c l es p e e d ，t r a c ka n d d i s t a n c ew i t ht h eh e l po ft h er e l a t e da l g o r i t l u n ，d i s p l a ym e s ep a r a m e t e r st i m e l yb yl e d s c r e e na n ds t o r et h ed a t ab yud i s k f i r s t l y , g p sm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dm c s 一51b a s i ck n o w l e d g ea r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h ep o i n t sa r et h eg p sc o o r d i n a t e sc o n v e r s a t i o np r i n c i p l ea sw e l la sm c s 一5 1r e l a t e d k n o w l e d g e s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n de x p l a i n st h eh a r d w a r eo ft h ed e v e l o p e dv e h i c l e p e r f o r m a n c es y s t e m ac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o ni sg i v e nt ot h eg p sr e c e i v e rm o d u l e h o l u xm - 8 7 ，m c s - 5 1m i n i m u md e v e l o p m e n ts y s t e ma n d c h 37 5ud i s ks t o r a g em o d u l e t h e n ，k e i lci su s e dt oc o d ev e h i c l ep e r f o r m a n c es y s t e ms o f t w a r ew h i c hi st h em o s tc r i t i c a l p a r ti nt h ep a p e r i tm a i n l yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s p a r to n e i sa b o u tt h ep r o g r a m m i n go fg p s s i g n a lr e c e p t i o np r o c e d u r ea n dm z t 2 4l e ds c r e e nd i s p l a yp r o c e d u r e p a r tt w oi sa b o u tt h e p r o g r a m m i n g t h es o f l v l l ，a r eo fa c c e l e r a t i o n p e r f o r m a n c e ，b r a k i n gp e r f o r m a n c e ，c o a s t d o w n p e r f o r m a n c ea n dt r a c kr e c o r dp r o c e d u r e p a r tt h r e ei sa b o u tt h ep r o g r a m m i n go ft h es t o r a g eo f i i 西华大学硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n td a t a f i n a l l y , i no r d e rt ov e i l f yt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e v e l o p e d t e s ts y s t e m ? 、c h i c l er o a dt e s t sa r ec a r r i e do u ti nt h em e n t i o n e dc o n d i t i o n s i nt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n t s ，v e h i c l ep e r f o r m a n c ei st e s t e dw i t hp o r t a b l et e s ts y s t e ma n dc o m m e r c i a lt e s t s y s t e ma m - 2 6 0 0 ss i m u l t a n e o u s l ya n dt h e nd e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s t h ec o m p a r i s o ns h o w st h a tt h ep o r t a b l et e s ts y s t e mc a nf u l f i l lt h er e q u i r e db a s i cf u n t i o n s s u c ha sd i s p l a y i n gv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，r e c o r d i n gv e h i c l et r a c ka n dt e s t i n gb r a k i n g p e r f o r ma n c e ，d r i v i n gp o w e rp e r f o r m a n c ea n dc o a s t d o w np e r f o r m a n c e i t s a c c u r a c yi s a p p r o x i m a lt ot h ec o m m e r c i a lt e s ts y s t ma m 2 6 0 0 s m e a n w h i l e ，t h ep o r t a b l et e s ts y s t e m u s e sc o n v e n t i o n a le l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dc o m p o n e n t s ，w h i c hh a sd o m i n a n ti n f l u e n c eo n t h ec o s t i ti sa l s oe a s yt ou s e ，s i m p l et oo p e r a t e ，c o n v e n i e n tt oc a r r y t h et e s ts y s t e mi so f p r a c t i c a lv a l u e 。 k e yw o r d s ：g p s ；m c s 一5 1m i n i m u ms y s t e m ；l c dd i s p l a y ；ud i s ks t o r a g e ；v e h i c l e p e r f o r m a n c et e s t ；p o r t a b l e 。 。 i i i 1 1 引言1 1 2 汽车性能检测的研究历史和现状1 1 3 研究的目的和意义。：2 1 3 1 研究目的2 1 3 2 研究意义3 1 4 本文的主要工作内容3 。 1 5 本章小结4 2g p s 测量原理和5 l 单片机、u s b 基础5 2 1 引言5 2 2g p s 定位的坐标系统及其转换方法j ：5 2 2 1 几种常用坐标系统5 2 2 2 坐标系之间的转换7 2 3m c s 5 1 单片机基础1 0 2 3 1m c s 5 1 单片机硬件基础1 0 2 3 2m c s 5 1 的三总线结构1 1 2 3 m c s 5 1 单片机的引脚1 2 2 3 4m c s 5 1 的中断系统一1 3 2 3 5m c s 51 定时器计数器15 2 3 6 串行口通信基础17 2 4u s b 基础知识19 2 4 1u s b 系统描述_ 19 2 4 2u s b 数据传输一2 0 2 4 - 3u s b 协议栈设备框架：21 2 4 4u s b 设备类： - 2 1 2 5 本章小结2 1 3 汽车性能测试仪的硬件组成一2 3 3 1 引言2 3 i v 西华大学硕士学位论文 3 2g p s 测量系统简介。 3 2 1g p s 的组成概况_ 3 2 2g p s 卫星测量原理 3 2 3g p s 测量系统的组成和技术指标 3 35 1 系列单片机最小系统开发板简介 3 4 液晶显示模块简介= 二 3 4 1 主要功能与基本参数 3 4 2 模块结构i = 3 4 3 显示r a m 区映射情况氘 3 4 4 控制方法及l c d 显示特性 3 4 5 常用寄存器设置说明_ 3 4 6s t c 8 9 c 5 1 6 i d + 驱动控制m z t 2 4 ： 3 5u 盘存储模块。： 3 5 1c h 3 7 5 芯片介绍3 7 3 5 2 硬件设计3 8 3 6 本章总结3 9 4 检测仪的软件设计4 0 4 1 引言4 0 4 2c 语言与k e i lc ，：4 0 4 2 1c 语言4 0 4 2 2k e i lc 51 ：4 0 4 3g p s 数据接收与处理：_ 4 1 4 3 1g p s 接收机输出数据格式4 3 4 3 2 串口配置4 4 4 3 3 读取定位信息方法及程序4 4 4 3 4g p s 数据的处理4 6 4 4 自定义字符和试验数据的显示4 7 4 5 试验数据的保存5 3 4 5 1m a s ss t o r a g e 设备类和b u l k 0 n l y 类传输仂议5 3 4 5 2c h 3 7 5 子程序库5 4 4 5 3 文件操作5 6 4 6 本章小结5 9 v 测仪的研制 ；( ) 6 0 仪的安装6 0 6 0 6 1 6 ：! 6 ：1 5 3 2 工况的设置6 2 5 3 3 实验结果分析6 2 5 4 汽车制动试验6 3 5 4 1 试验前的准备6 3 5 4 2 工况的设置o 。6 4 5 4 3 试验结果分析船。6 4 5 5 汽车滑行试验：_ ：6 6 5 5 1 试验前的准备：6 6 5 5 2 工况的设置一。6 6 5 5 3 试验结果对比分析j 6 6 5 6 汽车行驶轨迹记录试验6 7 5 6 1 试验前的准备粼6 7 5 6 2 工况的设置6 7 5 6 3 试验结果分析6 8 5 7 本章小结：_ 7 1 6 总结与展望7 2 6 1 总结7 2 6 2 展望7 2 参考文献：j 7 4 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况：7 6 致谢j 7 7 v i 汽车的各项性能也越来越 的普遍重视。它可以在车 性等方面为生产商提供依 用者希望能及时和便捷的 高行驶的安全，减少交通 全球定位系统- g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是随着现代科学技术的迅速发展，而 建立起来的一套高精度的卫星定位系统【l 。3 】。其信号覆盖全球，不受用户数量限制，利 用它可以得到运动物体的空间位置坐标，由于g p s 定位精度高、抗干扰性能好、保密性 强、观测时间短、执行操作简便等特点，使其广泛运用与军事、测量、交通运输、农业 等领域。特别是近几年来高精度的实时动态定位技术( r e a l t i m ek i n e m a t i c ) 的发展，使 得g p s 迅速成为导航与定位的高效工具。 单片机作为微计算机很重要的一个分支，经过近4 0 年的发展，以其极高的性能价格 比得到了广泛的运用【4 棚。单片机的优点是功耗低，集成度高，速度快，抗干扰能力强， 体积小，使用方便。单片机己成为科技领域的智能化工具，广泛运用于智能仪器仪表、 工业测控以及日常生活和家电等领域。 基于g p s 和单片机的以上特点，g p s 和单片机技术相结合可以应用于汽车性能检 测。然而，目前对汽车性能的检测主要是通过专门的台架试验和汽车道路试验来实现。 试验中，仪器价格昂贵、体积大、操作复杂，使得试验具有较大的局限性【7 】。基于g p s 的便携式汽车性能检测仪研制的提出，不但可以使检测数据更加准确，同时克服了传统 仪器的一些缺点，提高了检测效率，携带更加方便，操作更加简单，大大降低了检测成 本。所以，基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制为汽车性能检测技术的发展提供 了一条思路。 1 2 汽车性能检测的研究历史和现状 随着汽车技术的发展，汽车性能检测技术也取得了很大的发展和进步【8 。n ，从单一 性能检测到汽车安全性能检测，再到汽车综合性能检测。汽车检测诊断技术的发展，大 体经历了以下几个阶段： ：j 基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制 ( 1 ) 经验检测诊断。在汽车工业发展的早期，人们对汽车的检测主要是通过“望 ( 眼看) 、“闻( 耳听) 、“切( 手摸) 等方式【1 2 。13 1 ，凭借维修人员的经验发现 汽车故障，对其做出粗略的定性判断，再做出针对性的维修。由于没有仪器设备，全凭 维修人员的经验和技术水平，经验诊断方法具有很大的盲目性。 ( 2 ) 检测工作制度化和指标标准化。在汽车工业发达的国家，汽车检测工作由专 门的部门统一领导管理，在全国各地建立了国家相关部门认证的汽车检测站，负责新车 的登记和在用车的安全环保检测，修理过的汽车也必须通过汽车检测站的检测【1 4 - 1 7 ，确 保受检车辆在安全性能和排放等方面符合国家标准。同时，还制定了整套的标准用于 汽车检测，判断受检车辆技术状况是否达标，以标准中所规定的数据为准绳，将检测结 果以数字的形式显示，加上量化指标，从而避免主观带来的误差。检测工作的制度化、 检测技术的标准化，不仅提高了检淤效率，更保证了检测质量。 ( 3 ) 检测仪器智能化。现在检测行业已经开始了研究传感器和微型计算机在汽车 上的应用 1 8 】。车载自诊断系统和汽车故障诊断专家系统1 9 1 已运用到汽车性能检测中，汽 车各个部位上安装有对应的传感器，在不解体的情况下对汽车进行检测，实时地将汽车 的运行状况提供给检测人员及驾驶员。由于车载自诊断系统和汽车故障诊断专家系统的 应用和发展，使得评价汽车性能的很多参数能够方便的检测出来，而且安全、迅速、可 靠。 ( 4 ) 汽车检测管理的网络化。在检测技术和检测标准发展的同时，我国的部分汽 车综合性能检测站已实现了计算机管理系统检测。将来，汽车检测站将实现网络化，做 到信息、软件资源和硬件资源的共享【2 0 1 。在此基础上，全国的汽车性能检测站将形成一 个广域网，使各相关部门能够及时的了解各地区的车辆运行状况 2 。同时也必将为保障 我国道路运输安全和汽车维修质量带来显著的经济效益和社会效益【2 2 1 。 总的来说，工业发达国家的汽车检测行业，在检测指标上实现了“标准化”；在管 理上实现了“制度化 并向“网络化”过渡；在检测技术上向“智能化、自动化检测” 方向发展【z 引。 1 3 研究的目的和意义 、 1 3 1 研究目的 。 为了能够更精确的得到汽车行驶过程中的状态，实时了解、检测汽车性能，并提高 汽车性能检测系统的方便使用，本次研究主要是以m c s 5 1 单片机、g p s 信号接收模块 和c h 3 7 5 u 盘模块为基础，根据汽车性能检测中一些基本的性能参数测试的需要，提出 了基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制。该套检测仪通过对g p s 信号实时采集， 的发生：另一方面，目前对汽车性能的检测主要是通过专门的台架试验和汽车道路试验 来实现，然而试验中，检测仪器价格昂贵、体积大、操作复杂，使得试验具有较大的局 限性。用于汽车性能检测的传统仪器不仅测量参数类型有限，对一些复杂情况下的测量 基本无能为力，而且获得的数据不够完整和准确；另外，检测效率不高，需要一定的人 力、物力。针对以上不足，提出了基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制，完成对汽 车加速性能、制动性能、滑行性能的检测和汽车行驶轨迹的记录，帮助汽车使用者方便 的掌握汽车性能退化情况、行驶安全和保养状况，并且成本低、易操作、携带方便。可 见，基于g p s 便携式汽车性能检测仪的研制具有很好的实用价值。 1 4 本文的主要工作内容 本文以g p s 接收模块h o l u xm 8 7 ，51 单片机和c h 3 7 5u 盘存储模块为基础，研 制出“基于g p s 的便携式汽车性能检测仪 ，实现对汽车的加速性能、制动性能和滑 行性能的检测，完成对汽车运动轨迹的记录和对试验数据的保存。本文的主要工作内容 如下： 第一部分，g p s 测量原理和5 1 单片机、u s b 基础。首先，介绍了刚体动力学的基 本知识和坐标转换原理。由于接收到的g p s 信号是基于w g s 一8 4 坐标系，而对汽车性 能的检测是基于车辆坐标系，所以必须进行坐标变换。其中包括w g s 8 4 坐标系到空间 大地坐标系的转换、空间大地坐标系到水平直角坐标系的转换【2 4 】等；其次，对本文中涉 及到的5 1 单片机相关理论知识进行了阐述。最后，对试验数据保存中涉及到的u s b 基 础知识作了简单的介绍。 第二部分，汽车性能检测仪的硬件组成。根据检测仪要完成对汽车性能检测的参数 测量的要求，选择与其相对应的硬件设备。在这一分部中，着重对g p s 信号接收模块、 5 1 单片机最小开发系统、m z t 2 4 液晶显示模块、c h 3 7 5 u 盘存储模块进行了介绍。包括 它们的硬件组成，工作原理等。 。 ； 第三部分，汽车性能检测仪的软件编程。这一部分包括： 基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制 ( 1 ) g p s 数据接收程序的编程。主要涉及对以$ g p r m c 为标识符的g p s 数据的接 收、m c s 5 1 单片机的串口中断通信和对定时器、波特率的设置： ( 2 ) t f t 液晶显示程序的编程。主要包括对自定义字符的显示和汽车加速性能试 验、制动性能试验、滑行性能试验和汽车运动轨迹记录试验的界面显示程序； ( 3 ) 对试验数据进行存储程序的编程。需要掌握u s b 接口技术、u 盘工作原理、 单片机接口扩展技术和c h 3 7 5 u 盘存储模块。软件编程是检测仪研制过程中最重要的部 分。 第四部分，检测仪的实车验证。为了证明检测仪的准确性和可靠性，进行了实车验 证。首先，通过与商用的汽车性能测试系统a m 2 6 0 0 s 道路试验仪进行试验对比，验证 基于g p s 便携式汽车性能检测仪能够对汽车的行驶速度、行驶距离等参数进行实时测 量，并能较好的完成汽车动力性能、制动性能的检测和对汽车运动轨迹的显示和记录。 在试验中很好的体现出了所研制的汽车性能检测仪的方便携带、使用和易于操作的特 点；然后对试验保存下来的数据进行分析处理，所研制的检测仪在测试精度上与商用软 件系统的测试结果相当，表明该套检测仪具有较高的精度，能够满足检测系统的要求。 最后，将n o v a t e l 公司的g p s 测量系统的接收机接收频率调为2 h z ，并连接到研制的检 测仪上，进行起步连续换挡加速试验、制动性能试验、滑行试验和行驶轨迹记录试验， 与采样频率为1 h z 所采集到的试验数据进行对比，验证了前者的精度大于后者，更适合 运用于汽车道路试验，为道路试验仪的研制奠定了基础。 1 5 本章小结 本章主要介绍了汽车性能检测仪的发展历程与现状，针对以前部分汽车性能检测仪 的不足，提出了本课题的研究目的和意义，并对本课题研究的主要工作内容和实现的步 骤做了详细的介绍。 华大学硕士学位论文 、u s b 基础 2 1 引言 汽车性能的检测大多是通过室内模拟试验台和道路试验中对汽车运动参数的时间 特性进行分析得到的，这些参数主要包括速度、位移、加速度、运动轨迹等。目前，常 用的汽车性能检测仪有：汽车制动试验台、侧滑试验台、底盘测功机、发动机综合分析 仪等。由于这些常用的检测仪不能很好的反应出汽车在行驶过程中的真实状况，具有一 定的局限性。而且使用不方便，往往需要多种仪器同时进行采集。 针对室内模拟试验台的不足，现采用g p s 定位技术，开发出便于携带的汽车性能 检测仪，进行道路实验，获取汽车的速度、位移、轨迹等性能参数，对汽车性能做出基 本的判断。 由于g p s 信号接收机测量的空间位置是属于w g s 8 4 世界大地坐标系，在不同的 坐标系，同一点具有不同的坐标值。从而无法直接描述汽车运动状态。基于以上原因， 为了描述汽车的运动状态，首先要将所测目标的坐标转换到空间大地坐标系中，计算出 其经、纬度、海拔高度等物理量，再利用高斯克吕格投影公式，得到所测目标在当地水 平坐标系中的点位坐标，求出所测目标的速度、加速度、运动轨迹等参数。而单片机则 进行运算处理，通过液晶显示屏将所测参数进行显示并利用u 盘模块保存试验数据。本 章主要介绍了g p s 测量原理和5 1 单片机基础以及u s b 基础，包括g p s 测量中的坐标 系统的转换和5 1 单片机结构组成、中断以及u s b 通信等。 2 2g p s 定位的坐标系统及其转换方法 坐标系统是描述所测对象运动状态，处理观测数据的理论基础。g p s 接收机所测量 的点位坐标，是基于w g s 8 4 世界大地坐标系的观测值。而在实际应用中，使用者往往 需要知道所测对象在当地坐标系中的点位坐标值，这就需要不同坐标系间的相互转换。一 本节将主要介绍几种不同坐标系及其之间的相互转换模型。 2 2 1 几种常用坐标系统 在使用g p s 定位过程中，需要采用的坐标系统如下： ( 1 ) w g s 8 4 世界大地坐标系 w g s 8 4 世界大地坐标系( w o r l dg e o d e t i cs y s t e m ) ，是一个国际协议地球参考系 统( i t r s ) ，是目前国际上统一采用的大地坐标系。坐标原点在地球的质量中心；x 轴 基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制 指向零子午面和和地球赤道的交点；z 轴平行于地球极轴方向；y 轴垂直于x 和z 轴， 构成右手坐标系。g p s 广播星历和精密星历参数就是基于此坐标系统的。如图2 1 所示。 2 k 涮 图2 1w g s 8 4 世界大地坐标系 f i g 2 1 w o r l dg l o b a ls y s t e r m 8 4 ( 2 ) 大地坐标系 大地测量中以参考椭球面为基准面，为了表示椭球面上的点的位置，必须建立相 应的坐标系。大地坐标系是采用大地经度( l ) 、大地纬度( b ) 和大地高( h ) 来表示 地面点的位置。纬度为过地面点的椭球法线与椭圆赤道面的夹角 2 5 1 ，由赤道面起算， 向北为正，向南为负；经度是为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的 夹角，由起始子午面起算，向东为正，向西为负；大地高是空间点沿参考椭球法线方向 至椭球面的距离，表示形式：( b ，l ，1 4 ) ，如图2 2 。 图2 2 大地坐标系 f i g 2 2 g e o d e t i cc o o r d i n a t es y s t e m ( 3 ) 高斯一克吕格平面直角坐标系 平面直角坐标系是将空间坐标通过数学投影映射到平面上。所谓数学投影，简略地 说就是将椭球面上元素( 包括坐标、方位角和距离) 按一定的数学法则投影到平面上。投 6 测量中采用的高斯 2 2 2 坐标系之间的转换 ( 1 ) w g s 一8 4 与空间大地坐标系之间的变换 地球表面上的任一点p ，g p s 信号接收机所测得的点位坐标在w g s 一8 4 世界大地测 量坐标系的地心空间直角坐标系( x ，y ，z ) ，他们可按下列方程式 2 6 1 变换成大地坐标系的 经纬度和海拔高度( b ，l ，h ) ： x = ( + h ) c o s b c o s l y = ( + 日) c o s b s i n l z = n ( 1 - e 2 ) + h s i n b 式中：n ：1 二 l e 2s i n 2b a 2 一b 2 e 。2 - a a , b 分别为椭圆的长、短半轴。由式2 1 可知： ( 2 1 ) 一卯酉圈的半径 ( 2 2 ) 一地球椭球偏心率 ( 2 3 ) = a r c t a n ( x ) 召：a r c t a n l 鱼j 一 x 2 + y 21 - e 2 n ( n + h ) 日：巫一 c o s b 首先假定n = a ，而进行迭代计算，可求出b ，h 。 ( 2 ) 大地坐标系到高斯平面坐标系的转换 ( 2 4 ) 基于g p s 的便携式汽车性能检测仪的研制 为了实现由空间大地坐标系到高斯平面坐标系的变换，需要进行高斯一克吕 变换【2 刀，高斯一克吕格投影，不存在角度变形，但有长度变化；为了控制长度变 一定经度差将地球椭球面划分成若干投影带；通常按照经差6 。或3 。进行分带 2 4 所示。我国通常采用6 0 分带法，将全球分为6 0 个带。 6 度带：从0 0 子午线算起，每6 。为一带，自西向东分带，第一带的中央子 东经3 。 3 度带：在6 。带的基础上形成的。它一部分带( 奇数带) 的予午线与6 。带中央子午 线重合，另一部分带( 偶数带) 与6 。带分界子午线重合。以东经1 度3 0 分开始，每隔3 。 为一带，第一带的中央子午线为东经3 。 图2 4 高斯一克吕格投影分布带 f i g 2 4g a u s s - k r u g e rp r o j e c f i o nd i s t r i b u t i o n2 0 l l e s ( 3 ) 高斯一克吕格投影正算公式 根据w g s 8 4 坐标系的经纬度( b ，l ) ，计算高斯一克吕格平面坐标( x ，y ) ，称为高斯投 影正算。反之，根据平面坐标( x ，y ) 求经纬度( b ，l ) 称为高斯投影反算。 对g p s 导航定位而言，高斯投影正算运用较多，公式为： 工= k + n t m o + 1 ( 5 - t 2 + 9 1 7 2 + 4 7 7 4 )