车载导航系统现状分析

车载导航系统现状分析（共4篇）

车载导航系统现状分析 篇1

1 车载导航系统的现状

1.1 基本情况

GPS全球定位系统最初是用于军事领域的定位系统, 但是随着市场的发展, 逐渐向民用领域发展。其中占有市场份额比重最大的就是车辆导航领域。但是对于不同的国家, 车载导航系统的发展状况是有很大差异的, 各国在开发产品的时候都是根据自身的道路情况来来发, 所以别的国家是不能适用的。目前在我国, 车载导航系统是发展不成熟的, 基本上现在推出的几款产品要么是技术上的问题, 要么是成本上的问题, 在实际应用中都存在些许不足, 亟待改进。

1.2 根据硬件平台不同的几种分类

1.2.1 CAR—PC车载导航系统

CAR—PC车载导航系统的首次出现是在1988年的美国消费者电子产品展示会上。从功能上讲, 这一系统将信息娱乐结合在了一起, 无论是无线通讯、导航还是音响等功能, 这一车载导航系统都可以提供。而且为了驾驶人员的安全考虑, 还可以实现自由的打电话拨号、接受电邮等功能, 保证驾驶人员在行驶过程中的安全及便捷操作的可能性。国内虽然在这方面的研究比较早, 但是由于成本上的昂贵, 一般都是应用在特殊的领域, 比如说公安和部队等, 普及性不强。

1.2.2 CD—ROM/DVD汽车导航仪

CD—ROM/DVD汽车导航仪是需要实现预装在汽车上的, 但是一旦安装在汽车上, 就没有办法再拆下来转移到别的汽车上。因为本身不是汽车的部件组成, 所以在安装之前需要对其进行防磁处理, 以免影响车辆中的其他部件的正常工作, 而这一点也会使成本增高。目前在国内有很多家大型公司在进行这一系统的开发推广。比如大通实业公司就主要从事DVD车载导航系统的研究开发, 也正在和日本的富士通公司进行此方面的合作。

1.2.3 基于掌上电脑的汽车导航仪

由于掌上电脑在成本上的优势, 以及掌上电脑的开放易用的操作平台, 都使得掌上电脑汽车导航仪成为了市场上广泛应用的一种车载导航系统。国内日益发达的无线宽带网络和移动信息通讯的信息传输功能也为该系统的发展起到了积极的作用。从市场业绩上来看, 该系统的前景良好。在国内一些企业的发展也都势头强劲。虽然在技术方面和国外的领先水平不相上下, 但是在一些配套的硬件设施建设以及数据信息建设方面还有很多欠缺之处, 需要改进。

2 车载导航系统的发展方向

2.1 硬件平台和定位技术的多样化

硬件技术的发展是导航系统发展的基础, 只有技术扎实的硬件平台才能有好的车载导航系统产品。目前的导航产品如前文所述, 可以根据硬件平台的不同分为以上几类, 可以满足不同层面的用户的需要。目前的定位技术主要有三种:独立定位技术、地面无线电定位技术和卫星多种定位技术。定位技术也是车载导航系统的基本模块, 现在比较先进的导航系统都需要利用几种不同的定位技术综合起来。随着科学技术的进步, 定位技术和硬件平台将会有更好的发展, 也将会有更好的导航产品问世。

2.2 与智能交通系统的结合

智能交通系统可以为出行提供更多的方便, 使得汽车在道路上的运行智能化, 这是因为智能交通系统将道路、驾驶者和相关的服务部门结合了起来。通过这样的结合, 能够使驾驶者实时的掌握道路交通的情况, 更加方便的出行。日本、德国等国家都是在导航系统与智能交通系统结合较好、应用广泛的国家。在中国, 城市的建设变化飞速, 交通的问题也越来越重要, 如何便利驾驶者, 成为导航系统中发展的一个趋势。

2.3 无线通信技术的加入

无线通讯和交通系统有着密切相关的联系。与城市交通系统的结合是无线通讯领域的一个重要发展方向, 同时, 应用无线通讯功能也是导航产品的一个发展趋势。这样, 有了自带无线通讯的导航系统, 就可以提供语音导航服务, 还能提供其他的数据服务。目前的车载导航系统功能在逐步提高, 很多功能都愈来愈大众化, 比如和手机连接等功能。

2.4 导航语音识别与合成技术

一般来讲, 在驾驶过程中实现非手动的控制导航系统是非常重要的, 这时候语音识别功能就非常的必要。人类的说话速度是打字速度的四倍, 采用语言控制车载导航系统是安全、快速且有效的方式。语音合成技术是通过机器将文本输出的信息转换成语言输出, 以便和人进行交流。随着技术的发展, 导航系统也愈来愈先进, 在语音识别和合成技术上发展飞速。目前, 很多的车载导航系统中语音系统的提示越来越多, 但是如何将视觉和语音在导航系统中进行优化分配才能使驾驶者的安全性和方便性得到最优化, 是在这一发展方向上值得研究的一个问题。

3 结束语

随着国家经济的逐渐发展, 车载导航系统也得到了更多的市场化发展。市场发展也在日益的国际化, 但是由于地理信息数据的问题, 国外产品的进入有些许困难。这就成了国内汽车导航产品企业发展的一个机遇。车载导航系统虽然在国内的产品还有很多不足, 但是相信在不久的将来, 我国将研发出更加先进有效、方便安全的导航产品。

参考文献

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[3]陈南.卫星导航系统导航电文结构的性能评估[J].武汉大学学报 (信息科学版) , 2008 (05) .

车载导航系统现状分析 篇2

结合一般GPS接收机性能分析要求,针对导航型GPS接收机主要用于车栽动态导航定位的特点,提出了主要包括一般性能检验、导航精度测试、不同环境下的.导航性能测试等较为全面的车载导航接收机的性能综合分析方法.基于此方法对一款导航型接收机进行了综合性能测试,得出了有益的结论.

作 者：楼益栋 敖水金 聂菊根 LOU Yi-dong AO Shui-jin NIE Ju-gen  作者单位：楼益栋,LOU Yi-dong(武汉大学卫星导航定位技术研究中心,湖北,武汉,430072)

敖水金,AO Shui-jin(江西省新余市国土资源局,江西,新余,336603)

车载导航系统现状分析 篇3

INS/GPS即惯性导航系统 (Interial Navigation System, INS) 和全球卫星定位系统 (Global Positioning) 组成的组合导航系统。

全球定位系统的具有以下四个优点:1. 全天候;2. 全球覆盖;3. 维定位且精度高;4. 速度快且效率高;缺点是:它得接收到卫星信号才能提供准确连续的定位信息。全球定位系统在通常情况下都是导航定位的最佳选择, 但是当收到外部环境影响比如建筑物密集地, 或者是森林覆盖区, 这些地方会出现信号难以接收的问题, 这样就会导致难以实时更新位置信息。

惯性导航系统有以下几个优点: 1. 可以工作在水下, 空中, 还有地面; 2. 不依赖于外部信息。缺点是:导航信息通过积分得到, 所以误差随着时间增加而累积。

1 组合导航系统设计

车辆导航对于精度要求不是很高, 所以可以采用松组合的方式。 INS和GPS各自独立工作, 滤波器把这两个的位置和速度信息进行融合得到最优估计结果, 再反馈给INS对它进行修正, 优点是工作比较简单容易实现。

2 捷联式惯性导航基本方程

惯导系统中, 加速度计测量的是载体的比力f和地球的引力加速度矢量之和, 若用R表示载体在惯性空间中的位置矢量, 则有:

式中下标i标是相对惯性空间取微分, 为了研究载体相对于地球的运动速度V与加速度计输出信号之间的关系, 需要将 (2-1) 式变形, 经过一系列推导后, 可得:

其中下标t表示相对地球坐标空间取微分, 表示重力加速度, 表示地球自转角速度, R为地球半径。

地球自转角速度在地理坐标系投影:

其中 Ω 为地球自转角速率。

经纬度更新方程为:

RM为子午面曲率半径, RN卯酉面曲率半径。

3 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波由三个部分组成, 预测、实测、修正。依据系统量测值消除随机噪声, 恢复系统的本来状态。通过信号和状态空间模型利用估计值和观测值来更新下一个估计值, 从而达到过滤噪声的目的。

其中K是表示时刻, X (k) 是状态矢量, Z (k) 是观测矢量, 状态转移矩阵向量, U (k) 对系统的控制量, 系统控制矩阵向量, W (k) 系统噪声向量, H (k) 观测矩阵向量, N (k) 观测噪声向量。

一步预测方程:

左式是利用k-1 时刻对k时刻警醒估计, 是k-1 时刻的状态估计值, 为状态转移矩阵向量。

状态估计计算方程:

左式是状态估计值, K (k) 是滤波增益阵, H (k) 是观测矩阵向量, Z (k) 是观测矢量。

4 仿真结果和分析

通过轨迹发生器输入进行仿真, 由图4-1的结果可以看到组合导航系统的速度和位置误差都很小, 而且较为稳定。仿真数据证明INS/GPS组合导航可以提高定位精度。

参考文献

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车载导航系统现状分析 篇4

1 车载导航系统电子地图的实现

1.1 电子地图中道路网络数据模型

道路网络的数据模型是生成具有拓扑结构道路网络的基础。车载导航电子地图是由点、线和面三个基本元素组成。整个道路网络的表示一般采用Arc⁃Node模型,该模型的特点是易于表达实际路网的拓扑关系,且形式简洁。考虑到实际电子地图的面是由弧段组成,故可以将路网归结为节点V和弧段E两个基本元素的组合。Arc⁃Node模型的基本原理是在一定的精度范围之内,采用以直代曲的思想,由连续的小段直线代替和逼近真实的道路曲线,这样就形成了Arc⁃Node数据模型,其形式化定义为:

式中:R为路网;N为路网的节点集;M为路网的有向路段集;x和y为路段的起点和终点;L(x,y)为路段的属性集,可表示为距离、时间和花费等。

同时,根据实际交通网络的特点,做如下的分析假设:所有的边都是线段,对于弯曲弧度数较大的路段,可通过在该路段上插入一系列节点使该路段由一些弧度较小的路段构成,把弧度较小的路段假设为一条线段。如图1所示,节点1和2之间的路径弧度较大,在原路径上插入节点3和4,将原路段分割成弧度相对较小的三个路段。边长通常是双向可通的,边的权值为正值。

网络中有较多的节点和边,与节点相关联的边数为常数,且远小于网络中总的节点数。

1.2 导航电子地图中折线网络拓扑化算法实现

算法实现的原理可以简单的描述为:依据折线道路网络的组成特点及Arc⁃Node数据模型,由给定的折线道路网络生成表示其拓扑结构的Arc⁃Node数据模型。生成过程基本可以分成两个步骤:第一步是完善给定的折线道路网络数据,即对1.1节中介绍的道路网络的几个情况进行相应的处理;第二步是在第一步的基础上,由完善后的折线数据网络数据生成表示其拓扑结构的Arc⁃Node数据结构。整个算法流程如图2所示。

2 车载导航系统路径规划搜索算法

2.1 椭圆限制搜索区域路径规划算法

椭圆限制区域的最短路径算法思想如下:以起始点S和终点D为焦点,以μ0|SD|为长轴长画一个椭圆,然后在椭圆区域内的站点间寻找最短路径。其中,|SD|为起始点S到终点D的欧式距离,μ0是一个与城市路网信息有关的统计参数。所以,椭圆限制区域的最短路径算法是依赖于城市的统计参数μ0的,统计数据表明对于北京路网的μ0值为1.417。构造椭圆限制区域的方法如下:

(1)建立直角坐标系:x轴为SD,y轴为与其垂直的方向。

(2)以起始点S为圆心,SD的连线为半径,作圆S,该圆内的区域就是传统最短路径规划算法Dijkstra算法的搜索区域。

(3)以起始点S,终点D为焦点,作椭圆|SN|+|ND|=μ0|SD|,椭圆内的区域就是椭圆限制搜索区域路径规划算法的搜索区域。其中椭圆的长半轴与椭圆相交于点A和点K,形成的椭圆阴影区域就是算法的搜索范围。

椭圆限制搜索区域路径规划算法的实现步骤比较简单,具体如下:输入起始点S,终点D,完成道路的网络数据加载及程序运行环境设置等;根据起始点构造椭圆限制搜索的区域;在构造的限制搜索区域内,调用Di⁃jkstra算法进行最短路径计算;输出起始点S和终点D之间的最短路径。

2.2 改进的限制搜索区域路径规划算法

胶囊形限制搜索区域路径规划算法的原理与椭圆限制搜索区域路径规划算法类似,搜索起始点S到终点D的最短路径时,只需要考虑中间胶囊形阴影部分的路段和节点,该胶囊形限制搜索区域路径规划算法的搜索范围比Dijkstra搜索算法和椭圆限制搜索区域算法都大大缩小;并且以线段作为上下边界的限制,在一定程度上减少了判定节点是否落在限制区域内时椭圆算法需要进行的大量乘积和开方运算,从而提高了整个搜索过程的效率。具体的搜索区域设置方法如下:

(1)x轴为SD,y轴为与其垂直的方向,以起始点S为原点建立一个直角坐标系;

(2)以起始点S为圆心,SD的连线为半径,作圆S,该圆内的区域就是传统最短路径规划算法Dijkstra算法的搜索区域;

(3)以起始点S,终点D为焦点,作椭圆|SN|+|ND|=μ0|SD|,椭圆内的区域就是椭圆限制搜索区域路径规划算法的搜索区域。其中椭圆的长半轴与椭圆相交于点A和点K;

(4)分别以起始点S,终点D为圆心,线段AS(DK)为半径r作两个半圆EAF和VKG,连接点E,V和点F,G,形成了如图3所示的阴影的胶囊形限制区域,该区域即为改进算法的路径规划搜索范围。

由上面提到的道路路网统计参数μ0可知,椭圆限制搜索区域路径规划算法搜索的成功建立在95%的置信水平之上,也就是还有5%的可能性,实际最短路径上的节点落在限制区域之外,这就可能导致搜索的失败,胶囊形限制搜索区域路径规划跟椭圆限制搜索区域路径规划存在同样可能导致搜索失败的情况,因此就必须通过调节半圆的参数半径扩大搜索范围,保证搜索成功,提高算法的可靠性。修正后的算法步骤如下:

第1步:输入搜索起始点S和终点D,完成拓扑化路网数据加载及程序运行环境设置等;

第2步:根据起始点构造初始胶囊形限制区域算法的搜索区域,阈值半径为r0;

第3步:在构造完成的胶囊形限制区域中调用Dijk⁃stra算法,进行最短路径规划,若搜索成功则转步骤5,否则继续;

第4步:设置动态变化参数Δr,以起始点S,终点D为圆心,以上一次搜索的阈值半径加上Δr为半圆半径构造新的胶囊形限制搜索区域,如图4中虚线包围区域所示,构造完成后转第3步;

第5步:输出搜索得出的最短路径,算法结束。

3 中心监控式车载导航系统初步设计

3.1 中心监控式车载导航系统构成

中心监控式车载导航系统除具有导航功能外,通过借助通信网络,还能够采集信息、分析信息,路径规划在中心根据实时交通情况完成。实际应用时,通常需要根据车载终端的具体需要进行配置,通常至少应包含监控中心子系统、车载子系统和通信子系统三部分。

监控中心子系统:系统接收车载子系统发送的车辆速度、位置、报警等信息,然后在导航电子地图拓扑路网基础上对车辆状态进行实时显示、并且进行车载子系统的路径查询、数据分析处理要求。处理完成之后,并对系统和车载子系统进行参数设置及控制。

车载子系统:车载子系统负责与监控中心子系统通信,把车辆位置信息、报警状态发送给监控中心子系统,同时接收监控中心子系统的反馈指令对车辆进行相关控制。车载子系统结构组成如图5所示。

通信子系统:中心监控式车载导航系统的关键部分之一。选择正确的通信方式,连接车载子系统和监控中心子系统十分重要。首先必须考虑到通信系统网覆盖范围,其次还必须考虑车辆行驶过程中可能遭遇的恶劣环境影响。

3.2 中心监控式车载导航工作原理

车载GPS接收机接收定位卫星发来的定位数据,并且根据4颗不同卫星发来的星历数据计算出自身所处地理位置的坐标,该坐标数据通过符合GSM标准的无线模块,采用SMS形式,由车载终端将车辆的位置状态、报警器输入信息发送至GSM网,GSM网将接收到的车辆定位信息通过互联网或者通信接发设备送至中心控制子系统,以便监控中心及时掌握车辆的动态位置信息,进一步控制车载终端。其中的定位信息传输功能实现所需软件为通信服务器软件,主要完成车辆和监控中心之间的数据传输与通信,实现数据收发、编码、解码、数据入库等工作。监控中心则完成车辆位置信息的可视化、车辆行驶的最优路径规划及各种控制指令的发送等功能。基于GPS和GSM短消息业务的中心监控式车载导航系统的工作示意图如图6所示。

3.3 中心监控式车载导航软件实现

中心监控式车载导航系统的软件设计具有良好的人机交互界面和数据处理能力。首先构建一个客户端/服务器结构,数据库安装在控制中心子系统上,数据库管理采用结构化查询语言,客户端采用Windows操作系统,应用程序采用VC 2010进行开发。中心监控式导航监控中心软件设计通常要考虑5个功能模块组成:

地图显示模块:为达到对车辆监控的目的,能够显示车辆轨迹、车速等;

信息点管理模块:信息点被分类存储后,在管理用户界面中体现,用户可以对信息点数据库进行管理,如删除、添加或修改等;

数据显示模块:解码信息显示于终端;

指令下载模块:将路径导航指令实时下载到车载终端;

系统隐私保护模块:车辆管理数据库,存有车辆的电子编号用于计算机检索和处理,保证车辆信息的安全。

4 实验验证及结果分析

为了验证提出的胶囊形限制搜索区域路径规划算法的有效性和可靠性,使用1∶25 000比例尺下Map Info格式的北京2011年交通图作为电子地图数据源(该地图道路网络共有97 773个地理特征数量),在WIN 7平台Microsoft Visual Studio 2010编程环境下对椭圆限制搜索区域以及胶囊形限制搜索区域最短路径规划算法的性能进行测试。为了简洁,这里用SF1表示椭圆限制搜索区域路径规划算法;SF2表示胶囊形限制搜索区域路径规划算法。

为了保证两种算法的可靠性,反复给定不同的搜索起点和终点,对比各种算法的搜索时间和规划路径长度等实验数据。考虑到论文篇幅的限制,这里仅给出起点编号为797,终点编号为2 195情况下的算法的实际路径规划结果图。图7表示算法SF1路径规划结果,图8表示算法SF2路径规划结果。

两种算法的性能对比如表1所示。表中ST表示测试给定的起点,DT表示测试的目标终点;T1,T2分别表示算法SF1,SF2在相同情况下所用的搜索时间(单位:s)。D1,D2分别表示算法SF1,SF2在相同情况下所规划出的最短路径长度(单位:m)。

由表1可以看出,在相同的起点和终点下,在搜索的高效性方面,启发式搜索算法SF2明显比传统算法SF1优越很多,提出的改进路径规划方法比算法SF1的搜索效率有20%左右的提升;改进算法SF2,通过设置动态参数Δr,避免了此种情况的发生,很好的保证了搜索的可靠性。综上所述,可见本文提出的改进路径规划算法在搜索效率和搜索可靠性方面都具有相当的优越性。

5 结论

本文在拓扑化路网数据基础上,提出了一种改进的路径规划算法——胶囊形限制搜索区域路径规划算法。该方法在很大程度上减少了传统路径规划方法的搜索范围,再通过设置动态搜索参数保证了路径规划的成功率。并且以拓扑结构路网数据为实验载体,对椭圆限制区域算法及提出的改进算法进行了深入的对比和研究,通过实验验证了改进算法的高效性和稳定性。最后,给出了中心监控式车载导航系统的初步设计方案。

参考文献

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