车辆定位导航系统的设计

车辆定位导航系统的设计

汽服1101班王园福

摘要：在人类文明历史上，车辆定位与导航系统的研究与发展已经有相当长的历史。智能车辆定位系统(IVLNS)是集中应用了自动车辆定位技术、地理信息系统与数据库技术、计算机技术、多媒体技术、无线通信技术等多项最新科技的多功能综合系统。本文详细介绍了包括地图匹配、最优路径规划技术研究、导航系统设计在内的关于车辆导航系统的设计思路。

关键词： IVLNS 嵌入式导航计算机车辆定位导航

1 引言

尽管车辆定位和导航系统仅仅在最近几年才开始出现在世界市场上，但却在世界范围内取得了迅猛的发展。从功能上划分，一个完整的IVLNS系统由以下功能模块构成：定位模块、包含车载电子地图数据库的地理信息系统、地图匹配模块、路径规划模块、路径引导模块、无线通信模块和人机交互模块。在目前汽车产业飞速发展、智能汽车正在展露头角的大环境下，车辆定位导航系统的设计和研发是很重要的。

2 地图匹配

地图匹配是一种基于软件技术的定位修正方法，其基本思想是将车辆定位轨迹与数字地图中的道路网信息联系起来，并由此确定车辆相对于地图的位置。地图匹配技术的应用有两个前提：

1）用于匹配的数字地图包含高精度的道路位置坐标。

2）被定位车辆正在道路网中行驶。

2.1地图匹配方式

导航电子地图的道路网数据以若干节点的形式存储，在每两个节点之间，道路都以直线近似，忽略道路的宽度。在每个节点处设立一个判断区域，当车辆在域外行驶时，可以认为其运动轨迹是一条直线；当进入判断域时，车辆将有可能作角运动。此时，利用定位传感器的输出来判断汽车是否开始转弯，若没有，则认为汽车还没有达到路口，进行地图匹配修正；若有角运动，则在更小的判断域内作进一步判断。当汽车开出判断域后，根据转弯的角度和路网信息确定下一条行驶路线，在新路线上进行位置匹配。

3 最优路径规划设计

车辆导航系统中的最优路径规划问题属于图论中的最短路问题，但是它具有自己的特点。首先车辆导航的实时性要求是显而易见的，在出行过程中一旦由于路况变化或其他原因使车辆未能按预定导航路线行驶，则系统必须重新计算最优路线，因此对规划算法的执行效率要求较高，即运行速度一定要快。一般来说，路径规划算法的高效实现可以利用三种方法来获得：采用先进的数据结构缩短运行时间；采用先进的搜索技术减小搜索空间；采用地图分层和分级搜索技术控制规划路网的规模。

4 车辆定位导航系统终端设计

4.1 IVLNS系统的整体设计

IVLNS是由多个功能模块构成的复杂系统，与其广泛的应用领域相对应，具体的IVLNS 应用系统设计也具有不同程度的复杂性,这种复杂性取决于系统的

设计原则、组成结构和具体的性能指标。在设计IVLNS系统时需要考虑的具体因素包括系统的单位成本、所能提供的定位精度、所支持导航功能的复杂性、是否需要无线通信模块以扩展功能以及是否需要支持其他特定功能等。

4.2 导航计算机系统设计

导航计算机是IVLNS系统硬件体系的核心部分，除定位和通信外，系统的其他功能模块都以导航计算机为硬件平台，通过应用软件来实现，用户对整个系统的操作和控制也通过导航计算机来完成。从总体角度考虑，在IVLNS的硬件设计过程中，对导航计算机的要求是最严格的，在性能指标上，由于必须负担地图的显示与刷新、行驶指令计算、定位数据的处理与转换等具有较高实时性要求的任务和类似路径规划这样的大计算量任务，因此导航计算机必须要具备足够的运算能力。从功能上看，为满足IVLNS 系统控制、输出和功能扩展的需要，导航计算机应具备基本的多媒体功能，强大的控制和通信能力和良好的扩充性。为适应车载环境的要求，导航计算机还需具备良好的抗震性能，其外形尺寸和功耗也要受到严格限制。

为实现没汁目标，我们在新型IVLNS系统中采用了嵌入式导航计算机系统设计方案。与传统的X86计算机体系相比，嵌入式系统去掉了对大量不必要工业总线标准的支持，因此部件较少，结构也更紧凑。中央处理器选用的是Intel SA1110 精简指令芯片，时钟频率高达206M Hz，具备相当于133M Hz奔腾处理器的强大运算能力。处理器内置了语音编码和解码、通信协议和端口控制等功能电路，配合少量的外围电路即可完成相应功能。系统使用的存储设备有两种：RAM和ROM ／FLASH。前者用于在系统工作时加载和运行应用程序，后者用于保存程序和数据。由于没有使用硬盘和CD_ROM 驱动器这样的靠快速移动的机械装置读取数据的存储设备，因此系统的抗震性能大大增强。

为加强图形显示功能，系统配有专门的LCD控制电路，支持 l6位真彩色显示模式。考虑到功能扩展和与其他设备通信的需要，系统配备了一个串行通信端口，一个红外数据端口、—个闪速存储卡插槽和一个通用串行总线接口。电子地图数据存放在存储卡中，更换起来非常方便。为加强对功耗的控制，系统中有专门设计的电源管理模块负责对中央处理器、存储模块、I/O设备和LCD 电源实行供电控制。系统采用按键式红外遥控器作为用户指令与数据的输入设备，同时还在 LCD 显示屏上装有触摸面板。与普通计算机相比，在采用上述设计方案后，导航计算机系统在保持足够处理能力的基础上简化了结构、降低了功耗、增强了抗震能力，其体积在加上 LCD 显示屏后仍不到便携笔记本电脑的一半，能够很好的满足IVLNS 硬件系统设计的要求。

4.3 软件体系设计

根据系统功能的要求，IVLNS中的软件体系可划分为层次结构，其中操作系统由内核层和系统服务层组成，其功能是为应用层软件提供运行支持。为满足实时处理的需要，操作系统应该支持多任务特性，即允许多个独立的应用程序同时运行。内核是指操作系统中直接与硬件交互的部分，主要由硬件驱动程序组成，它是整个软件体系中唯一与具体硬件相关的部分。系统服务层介于应用层和内核之间，它向应用层提供任务创建、内存分配、磁盘读写缓冲区创建与管理、创建消息队列、启动任务循环、路径规划与导航、电子地图数据库操作等都由对应