车载导航电子地图管理

车载导航电子地图管理（精选6篇）

车载导航电子地图管理 篇1

随着改革开放的深入、经济的蓬勃发展,越来越多的汽车进入寻常百姓家,同时人们也越来越喜欢在节假日来个说走就走的自驾游。车载导航仪(以下简称导航仪)因此从高配变为标配、成为自驾游必备的神器,方便、快捷地引导人们到达目的地。

1系统结构

本文涉及的系统分为硬件和软件两部分。硬件由计算机、可编程电源(以下简称电源)、USB转串口模块和调试线构成;软件由NI的Labview图形化编程语言编程实现,同时利用FilterTerminal软件读取导航仪输出到串口的消息。

本系统可由用户选择任意一个或多个Test case(即不同的脉冲),根据被测导航仪的电子特性灵活设置测试参数,从而控制电源输出不同的脉冲,对导航仪进行测试。

2硬件选择

在综合考虑成本和车载电子系统的电源管理测试要求后,一、 计算机采用普通的台式或笔记本计算机;二、电源采用ITECH IT6800系列电源,该系列的电源价格较为低廉、可满足一般车载电子系统的电源管理测试要求;三、USB转串口模块和调试线在市面上很容易买到、也很便宜。

3软件设计

软件系统采用模块化设计,分为一个控制模块和四个功能模块,控制模块为主程序模块(即:主VI,每一个Labview程序均称为VI),功能模块有Test Case选择、参数设置、测试文件生成和测试执行等模块(子VI)。主程序与四个功能模块是调用与被调用的关系;而四个功能模块间主要通过电子表格文件进行交互, 即一模块将运行结果(用户的选择或设置)保存到电子表格中,另一模块如需使用该结果时读取相应的电子表格文件。这样模块与模块间的耦合度大大降低,系统各部分间的更新、扩展和维护,尤其是增减Test Case,更加简单、方便。

4软件操作说明

首先设置电源的端口(COM)、波特率和地址,保证和电源与计算机的连接端口、波特率及地址的设置保持一致,否则将导致软件报错、无法运行,或计算机与电源不能正常通讯。同时,将USB转串口模块和调试线连接主机,使导航仪运行时输出的串口消息可传输到计算机的USB端口;然后打开Filter Terminal软件, 设置该软件的读取端口为USB转串口模块连接的端口、波特率为115200;设置完毕后,点击该软件的创建Log文件功能,软件将创建Log文件并自动保存串口消息。

第二步:选择需要测试的Test Case。在当前窗口点击“Test Case选择”按钮,弹出Test Case选择窗口。Test Case选择窗口中, 可选Test Case列表中罗列了系统中已实现并可进行测试的Test Case(子程序文件),而待执行Test Case列表中则是用户选择的、需要执行的Test Case。Test Case加入到待执行Test Case列表中的顺序无要求,但同一Test Case只能添加一次、重复添加动作将被忽略。Test Case选择完毕后点击“停止”按钮,将弹出提示框“已选好需要测试的Test Case ?”,点击“确定”按钮将退出Test Case选择、关闭Test Case选择窗口,同时将待执行Test Case列表写入到名为Test Case List.lvm的电子表格文件中;点击“取消”将返回Test Case选择窗口、继续选择Test Case。

第三步:设置测试参数。在软件Main程序界面点击“参数设置” 按钮,弹出用户参数设置窗口,系统读取并显示系统预置的参数设置参考表;用户可在该参考表的基础上根据待测主机的特性,直接在该表格中调整、设置相关参数;参数设置完毕后,点击“确定” 按钮,弹出对话框、询问参数是否设置完毕,点击“确定”按钮, 则将当前参数设置保存到名为User Parameters Setting.lvm的电子表格、并退出当前窗口,点击“取消”则继续设置参数。

第四步:Test Case的测试文件生成。在软件Main程序界面点击“测试文件生成”按钮,弹出测试文件生成窗口,系统根据Test Case List.lvm文件中Test Case文件名称和顺序调用各TestCase子VI,由Test Case子VI自动生成对应的测试文件并保存; 测试文件生成完毕后,弹出生成完毕提示框,点击“确定”按钮, 关闭测试文件生成窗口。

第五步:执行测试。在软件Main程序窗口点击“开始测试” 按钮,弹出测试执行窗口,系统根据Test Case List.lvm文件中Test Case文件名称和顺序读取对应的测试文件,并将该文件中的测试序列一一传输给电源,由电源输出相应的脉冲,对导航仪进行测试;测试时,该窗口将提示用户:执行Test Case的总数、当前执行Test Case名称、剩余待执行Test Case个数;测试完毕后, 弹出测试完毕提示框,点击“确定”按钮,关闭测试窗口,同时主程序退出运行。

易图通进军高端车载导航市场 篇2

日前，易图通正式加入NDS协会，并多次参与NDS协会组织的国内外会议，积极投身于NDS的交流之中，随时把握NDS的发展动态。在NDS的研发方面，公司具有一支导航业界经验丰富、极具创造力的专业团队，已经开始NDS数据的研发。研发团队和NDS协会核心技术人员建立了良好的关系，可以高效及时地对技术问题进行沟通。同时，NDS对地图显示如此重视，反应了高级地图显示对客户的重要性，而这也给易图通带来了一个机遇——易图通的三维数据可以在此开辟另一番天地。

2006年，由欧美和亚洲数家主要汽车厂商、系统商及数据商为主导成立了NDS协会(导航数据标准), 旨在通过多方的共同努力，制定出新的适合汽车制造商、系统供应商及地图供应商未来发展的标准导航电子地图数据格式(NDS)规格。NDS数据标准是面向未来的一种数据标准格式，有很多的创新和前瞻性，NDS的一个重要目的就是实现在线式增量更新。有了增量更新技术，未来车厂将要求图商提供导航地图的月更新服务，这个要求必将对图商带来非常大的挑战。

目前，欧洲众多的汽车生产商已明确表示，希望在未来全球的新产品中应用NDS作为导航数据的标准格式，并都有相应的项目不断陆续推出，例如戴姆勒的NTG项目，大众的MIB2项目以及宝马后续的NaviEntry等项目。阿尔派、博世、Garmin、Harman等众多的系统供应商也都已经致力于并完成了基于NDS标准格式的操作系统。2012年在中国上市的宝马新车上也已经开始使用。在未来几年内，NDS将成为众多欧美及亚洲汽车厂商、系统供应商以及地图供应商主要要求的一个导航数据标准格式。

车载导航电子地图管理 篇3

由于全球定位系统 (Global Positioning System, GPS) 具有自动化、高精度、全天候、高效率、全球覆盖等显著特点, 因此全球卫星导航定位技术已逐渐取代传统无线电导航定位技术, 被人们广泛采用并取得了长足进步。

Google公司于2005年推出的Google Earth软件是一种三维地图服务业务软件[1]。人们能够通过Google Earth看到地球表面任何角落的三维和平面地图。Google Earth运用了十分成熟的宽带技术, 能为用户提供三维图形和图标的基础数据。

世界许多地震多发国家已经开始在Google Earth中建立基于域基础上的三维模型数据, 我国在2008年5月12日汶川大地震的抗震救灾工作中就使用了这项技术。这项技术并不复杂, 主要使用了基于Google Earth而开发的KML语言。在救灾过程中使用基于Google Earth的GPS设备时, 可以首先在Google Earth上生成可行的救灾计划路线数据, 然后通过GPS数据处理生成合适的路线数据, 最后转换成网络接受的格式以传输数据。救灾人员可使用GPS设备导航路线, 并用GPS设备记录行走速度、实际位置, 通过网络传回指挥中心, 并将数据转换为KML格式, 指挥中心的决策者就可以通过Google Earth实时了解目前的状况, 以便实时制定和调整救灾计划, 达到与现场救灾人员实时互动的目的[1,2,3]。

由于Google Earth与GPS集成的研究具有深远的意义, 笔者研究了GPS设备与计算机之间的数据通信接口协议、GPS设备和Google Earth软件之间的数据通信, 以实现GPS和Google Earth数据的实时通信及定位显示。

2 GPS系统结构简介

GPS系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收机3个部分构成[1]。空间卫星部分包括21颗工作卫星与3颗备用卫星, 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上, 各轨道平面之间的倾角为60°, 轨道的升交点赤经角度也为60°, 每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距为90°。

3 GPS数据格式

GPS固定数据输出语句 (GPGGA语句) 是GPS定位的主要数据, 也是使用最广的数据, 每秒生成一次。为了方便理解, 笔者将举例说明GPGGA语句各部分的含义, 例如:$GPGGA, 082 005.000, 3 842.9276, N, 11 528.4283, E, 1, 08, 1.0, 20.6, M, , , , 0000*35 (CR) (LF)

其标准格式为:$GPGGA, <1>, <2>, <3>, <4>, <5>, <6>, <7>, <8>, <9>, M, <10>, M, <11>, <12>*hh<CR><LF>。

其中:<1>为定位UTC时间;<2>为纬度;<3>为纬度半球N或S (北纬或南纬) ;<4>为经度;<5>为经度半球E或W (东经或西经) ;<6>为GPS状态指示;<7>为可使用的卫星数量, 其值为00~12, 不足两位则补0;<8>为HDOP水平精度因子;<9>为海拔高度;<10>地球椭球面相对大地水准面的高度;<11>为差分GPS数据时间;<12>为差分基准站ID号*总和校验域;hh为总和校验数, 其值取35;<CR>为回车;<LF>为换行[4,5]。

4 KML文件格式

基本格式的KML文件是指可以直接由Google Earth软件创建的KML文件, 其内容包括地点标记、叠层、路线和多边形。地点标记是Google Earth中最常用的地理特征, 它使用一个黄色的图钉在地球表面标记一个位置, 包括以下5个部分:一是XML头:<?xml version="1.0"encoding="UTF-8"?>;二是KML命名空间定义:<kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.1">;三是地点标记对象, 包括名称 (Name) , 用于对地点标记进行注记;四是描述 (Description) , 对地点标记进行描述, 在“气球” (Ballon) 中显示内容;五是点 (Point) , 指定地点标记的位置。

5 GPS数据的读取与在Google Earth上的显示

5.1 GPGGA语句数据的读取

读取GPGGA语句的源代码为

5.2 数据显示

数据信息中含有精度信息、定位信息、地面信息, 都是通过Text Box控件实现的。定位信息包含经纬度、海拔、定位时间等信息, 可在定位信息语句中读取得到, 步骤如下。

1) 需要将度、分格式的经纬度转换为度、分、秒格式的经纬度[6], 其源代码为

2) 读取数据之后, 需要完成GPGGA语句与KML文件之间的转换, 需要创建KML文件, 预编文件头, 文件头的源代码为

3) 利用循环语句, 将转换格式后的B, L, H数据与其站名按行输出到google.kml中, 源代码为

4) 预编文件尾, 源代码

5) 根据解析GPGGA语句得到的GPS定位数据, 再利用Visual Studio 2010中的C#程序转换文件格式, 则得到Google Earth中所需的KML文件为

5.3 KML文件在Google Earth中显示

安装Google Earth程序, 与网络连接, 在文件菜单中打开google.kml, 即可实现KML文件在Google Earth中的定位显示[7]。可以结合笔者介绍的文件读取、文件格式转换、Google Earth实时定位功能进行使用, 实现车辆实时动态定位显示[8]。

5.4 GPGGA语句数据分析

GPGGA语句数据中包含正在使用的卫星数量, 笔者利用Visual Studio 2010中的C#程序读取卫星数量。GPGGA语句数据中可能出现错误数据, 若推荐定位信息 (GPRMC) 的定位状态为V, 则为无效定位, 说明这组数据不能使用。笔者研究了3 517组数据, 其中定位状态为V的有43组, 其余3 474组数据可用。因此, 笔者所用GPS数据中只有很少一部分数据错误, 正确率非常高。

6 结论

Google Earth软件将卫星数据与真实三维地貌信息进行相关匹配, 即GPS数据经纬度信息与实际地形、海拔、经纬度信息是完全重叠的。笔者利用Visual Studio 2010中的C#程序, 通过编程实现了NMEA0183通信协议下GPS与Google Earth的实时数据转换;利用Google Earth软件的KML文件开发功能, 实现了将GPS导航数据与Google Earth的高清晰图像配合使用。这种方法不仅可以准确了解行车路线, 而且可以图文并茂地了解当地情况, 在实际导航定位中起指导作用。

摘要：介绍了研究的背景与意义, 分别阐述了GPS系统结构、GPS数据格式、KML文件格式, 通过C#语言程序设计, 实现了NMEA0183通信协议下GPS与Google Earth的实时数据转换、GPS导航数据与Google Earth结合的实景卫星地图定位显示, 提出了车载导航数据在Google Earth中的显示方案, 可以在实际导航定位中起指导作用。

关键词：导航定位,GPS,Google Earth,KML

参考文献

[1]刘大杰.全球定位系统 (GPS) 的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社, 1996.

[2]中国GPS网.国家测绘局打造国产Google Earth[EB/OL].[2015-12-31].http//www.GPSbao.com/html/GPSruanjian/20090211/3006.html.

[3]Bluetooth Special Interest Group.Specification of the Bluetooth System[EB/OL].[2012-06-26].http://www.docin.com/p-430513796.html.

[4]徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社, 1998.

[5]肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探装备, 2003 (2) :127-133.

[6]胡辉.GPS数据采集软件的实现[J].全球定位系统, 2008 (1) :25-30.

[7]李勇.我国车载GPS系统应用现状与发展前景[J].合肥学院学报, 2008, 18 (1) :67-69.

城市电动自行车车载导航技术 篇4

关键词：交通工程,车载导航,视觉实验,电动车,地图比例

城市机动车交通拥堵现象频发, 机动车道车流密度较高, 而电动自行车 (以下简称电动车) 由于出行快捷、灵活的特性, 成为机动车交通的有效补充方式, 是城市居民交通方式的重要组成。然而电动车交通管制措施较弱, 缺乏较高层次的交通组织和规划方案, 一定程度上导致电动车事故率较高。其中, 电动车出行路径随机性大, 骑车人较少从路网角度考虑最优路径问题, 从而给交通管制带来较大困难。因此若设置车载导航设备, 为电动车提供出行路径导航, 将有利于革新电动车出行条件, 便于加强电动车交通管理与控制。

国外电动车车载导航技术的相关研究集中于通过车载手机支架和手机电动车监控软件研发[1~3], 构建基于GPS技术的电动车导航系统。但国外研究存在对智能手机的较强依赖性, 较少考虑独立的电动车车载导航设备。我国相关研究侧重于机动车导航技术[4~5], 部分研究提出了电动车出行路侧诱导屏设计和布局方法[6], 但鲜有电动车车载导航技术研究。

为提高电动自行车的智能化水平和出行可靠性, 本文研究车载导航设备功能和显示屏版面, 进而基于视觉实验, 给出车载导航设备显示屏地图比例, 最后通过某市宝龙城市广场的电动车骑车人问卷调查, 评价研究成果的可行性。本文提出的电动车车载导航技术有利于缩短电动车出行时耗, 且有助于提高绿色交通出行比例。

1 电动车车载导航设备分析

(1) 电动车车载导航设备功能。电动车车载导航设备主要由计算机、通信和定位设备组成。其中, 定位设备为GPS接收机、速度与方向传感器等定位装置。车载导航设备的主要功能是利用人机界面, 接收、贮存和处理实时交通信息, 然后基于数字地图数据库, 形成导航路径规则, 最终实现电动车路径定位和导航。

(2) 电动车车载导航显示屏版面。电动车车载导航显示屏位于速度表和电量表之间, 由触摸显示屏 (12cm×6cm) 组成, 以显示区域地图和路径规划方案。电动车车载导航显示屏版面应提供骑车人的驾驶信息服务。①给出电动车实时出行信息:导航显示屏版面基于骑车人指定的出行规划方案, 利用GPS技术, 把实时行程状况提供给骑车人。②提出当前最优路径和实时诱导:在电动车行程中, 导航显示屏版面根据交通拥堵状况和路段距离, 为骑车人规划当前最佳行驶路径, 给予实时诱导。

2 车载导航显示屏地图比例研究

考虑电动车行驶震动状况、行驶速度和视觉机理等特性, 并结合版面美观性, 车载导航显示屏地图比例应确保骑车人看清导航设备提供的交通和路径信息, 以达到最佳视认效果。通过视觉实验, 确定车载导航显示屏的最佳地图比例。

2.1 视觉实验原理

车载导航显示屏是用图形符号、颜色和文字向骑车人传递道路交通流信息。因此导航显示屏地图比例应保证骑车人在不同速度条件下, 在一定视认距离内, 能方便、清晰地识别显示屏地图信息, 使其拥有最佳驾驶舒适度。

由于行车速度、车辆性能和路况条件均影响了骑车人视认能力, 本视觉实验从骑车人视认心理角度, 模拟视认信息量过载, 以获取屏幕信息认知时间, 进而评估地图比例的显示效果, 从而确定导航显示屏地图最佳比例。

2.2 视觉实验方案

(1) 实验对象。针对同样图像, 相同年龄下男性比女性的反应时间要短;20-30岁人员反应时间最短, 年龄越大的人员反应时间越长。因此选取实验对象90人, 其中男性50人, 女性40人;20-30岁50人, 30-40岁20人, 40-50岁以上20人;实验者矫正视力均在0.9以上, 没有视觉生理的明显个体差异性。

(2) 实验方法。视觉实验设定导航显示屏版面尺寸为12cm×6cm, 显示内容选用某市宝龙城市广场周边区域。导航屏显示内容利用百度地图, 将实验区域平面图按指定尺寸进行截图, 再采用Microsoft Power-Point软件将其制作成不同比例的影像, 通过电脑自动放映, 以模拟行车过程中电动车震动频率。

(3) 震动频率分析。考虑电动车震动行为与路面状况、电动车技术性能等因素相关, 实验假设电动车行驶在平坦的沥青混凝土路面, 且电动车技术性能良好, 从而电动车震动频率为固定值。

由于《电动自行车成车检验规程》提出车架/前叉组合件振动强度试验的振动频率为6.6-10Hz, 因此选取本实验的电动车震动频率为该规程推荐范围的平均值, 即8Hz。进而利用Microsoft Power-Point软件的图片动画功能, 实现图片震动频率达8Hz。

(4) 认知时间记录。实验者坐在电脑屏幕正前方一定距离。该距离选取实际情况下骑车人与导航屏的空间距离, 以模拟实际行车环境。为获取必须的导航信息, 骑车人只需判读显示屏的关键信息, 导致不同骑车人视认时间存在较大差异。因此, 视觉实验提供给实验者不同比例的区域地图, 模拟电动车行程过程中导航系统功能, 并利用软件stopwatch V2.3, 实验者看清电脑屏幕信息, 并明确出行路径后迅速做出反应, 从而实时记录实验过程中实验者需要的信息认知时间。

2.3 基于实验数据的车载导航显示屏地图比例

根据实验统计得数字地图比例和认知时间, 回归得下式:

式中, t为认知时间 (s) ;x为比例尺;R2为相关系数。

拟合相关系数R2大于0.95, 说明地图比例尺与认知时间存在较强相关性。随着比例尺增大, 骑车人认知时间逐渐减少。但比例尺大于1∶7300时, 由于比例尺过大, 地图可显示的路网范围减少, 骑车人用于判断出行路径的认知时间反而增加。因此为实现认知时间最短和视认效果最佳, 电动车车载导航屏数字地图比例尺可取1∶7300, 对应最小认知时间为1.23s。

3 电动自行车车载导航技术调查评价

为验证研究成果的合理性, 在某市宝龙城市广场周边区域, 对120位骑车人进行抽样问卷调查, 进而根据调查结果, 评价本文成果。针对电动车车载导航屏设计方案, 从功能兴趣度、地图显示比例合理性和驾驶操作影响程度等角度, 对骑车人进行问卷调查。

调查结果分析可见:实时路况提醒、最优路径规划和出行实时诱导等功能均有一定程度的兴趣度, 因此车载导航屏的这三个功能构成较为合理;多数骑车人可迅速从车载导航屏地图中获取相关信息, 因此大部分骑车人认为车载导航屏地图显示比例设计较适当;由于电动车已具备提示车体电量及速度等电子仪表盘, 因此增设的车载导航屏对骑车人驾驶操作影响较小。

4 结语

城市电动自行车交通问题较大, 缺乏足够的引导和控制, 严重影响城市交通的通畅水平。国内外研究多关注机动车导航系统, 尚未提出电动车车载导航技术, 使得电动车出行路径存在较大随机性与经验性。

为提高电动车出行规律性, 本文通过电动车车载导航设备功能分析, 研究车载导航屏版面, 进而基于视觉实验, 采用实验数据回归分析, 提出车载导航显示屏的最佳地图比例, 最后针对某市宝龙城市广场, 问卷调查评价了电动车车载导航屏的实用性。评价结果表明:电动车车载诱导屏的实时路况提醒、最优路径规划、出行实时诱导和其他功能均较为合理, 可在电动车出行中发挥一定的引导功能;车载导航屏地图显示比例有助于骑车人迅速获知相关出行信息, 因而该地图比例数值较为合理;车载导航屏安装后, 对骑车人的驾驶操作影响不大, 具有一定的推广价值。

本文提出的电动车车载导航技术侧重于导航屏版面和地图, 在导航信息技术、最优路径算法等方面研究尚有不足, 需做进一步探讨。

参考文献

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[2]Mcloughlin I V, Narendra I K, Leong H K, et al.Campus Mobility for the Future∶The Electric Bicycle[J].Journal of Transportation Technologies, 2012 (02) :1-12.

[3]GPS Tuner.Electric Bike Software Provider[R].Budapest∶GPS TUNER LTD, 2015.

[4]李珂, 杨杨, 邱雪松.城市汽车导航中一种改进的D-S证据理论地图匹配算法[J].测绘学报, 2014, 43 (02) :208-213, 220.

[5]吴海燕, 潘赟.视觉导航智能汽车路径识别图像处理算法研究[J].西南师范大学学报 (自然科学版) , 2014, 39 (03) :108-115.

车载导航电子地图管理 篇5

系统CPU:Intel Xscale PXA270, 运行频率520MHz;内存:128MB Mobile DDR2+32MB NorFlash;LCD:5.0"TFT (320X240) ;带电阻式触摸屏;Audio Codec:Philips UCB1400, AC97接口;音频:1路MIC输入, 1路立体声耳机输出和1路2W功放输出接喇叭;2个RS232串口 (其中1个用于GPS模块) ;1路USB2.0 full speed Host接口;1路USB2.0 full speed Device接口;具备独立RTC电路, 带锂备份电池;1个SD存储卡接口;采用GPS模块实现导航功能;24V AC Adaptor 电源输入;操作系统:WinCE 4.2。

2 系统设计

采用低功耗嵌入式 CPU作为车载导航终端的核心器件, 由主板、系统电源DC24V、液晶显示器、触摸屏接口、SD卡接口、GPS模块、串口构建整个系统, 结构如图1所示。

2.1 主板设计

选用Intel公司生产低功耗Xscale PXA270 CPU, 其主频最高可达624MHz, 该CPU集成ARM5VTI内核及各种外部接口控制电路, 主要有3个标准串行接口、1个满足USB 1.1标准协议的USB Host接口、1个USB Device接口、1个标准SD卡接口、1个用于音频扩展的I2S接口、1个数字式LCD显示接口、1个可随意定义的矩阵键盘接口等。该CPU具有处理能力强、功耗低、集成度高等特点, 适合于手持式设备应用的嵌入式微处理器。

将CPU及其配套的高度集成化的周边控制芯片安装在多层PCB板上, 该主板主要配置有128MB SDRAM、32MB FLASH、3.5" 或5" 640×480的LCD接口、1个100Mbps网络接口、3个串行接口、1个USB Host/Device接口、1个标准SD卡接口、1个掉电保护的RTC时钟、矩阵按键及触摸屏接口等。通过这一设计, 不但增强了设备的功能性, 还增强了设备的可扩展性, 从而实现设备在不同领域的应用。

2.2 电源设计

电源采用高效率、低功耗、高可靠的DC-DC转换设计。电源输入级提供过压、欠压、过流等保护电路, 防止外供电输入不稳定对设备的损坏, 经过DC-DC转换提供给液晶屏、GPS模块、音频模拟电路和主板芯片所需电压, 所有DC-DC转换器均采用开关电源工作原理, 提供低纹波、高稳定性、可靠的电源输出。

3 软件系统设计

3.1 总体设计

开始串口初始化, 接收GPS数据, 判断是否为GPGCA, 是则接受并缓存数据, 否则返回重新接受GPS数据。系统支持LCD和GPS模块, 完成提取GPS定位信号的数据、坐标转换、电子地图的显示等功能。

3.2 提取并输出GPS

GPS模块通电后, 自动搜索到卫星导航信号。从串口输出数据结果。通用的NMEA格式输出数据通过GPS接收机实现。NMEA-0183协议定义的语句格式较多, 常用且兼容性较广的语句有:$GPGSA、$GPGSV、$GPGGA、$GPGLL、$GPRMC等。

连接宿主机与开发板的串口0。宿主机进入Linux操作系统, 打开Minicom终端设备, 设置波特率115 200、8位数据、1位停止、无流控、无校验。串口的设备文件为/dev/ttyS*, 其中ttyS0为串口1, ttyS1为串口2, 其余类同。在对串口进行通信之前, 首先要对串口的参数进行初始化设置、保证通信双方的通信参数一致。初始化串口完毕之后, 就可以进行读取操作。GPS发送的数据类型都是以&GPGGA符号开头, 如果检测到是GPGGA符号, 则需要进行下一步处理。部分代码如下:

3.3 GPS坐标转换

国内地图一般是以54北京坐标系作高斯·克吕格平面投影。本系统输出的地理坐标采用的是WGS-84坐标系, 所以需要作一个坐标转换, 即将GPS坐标 (WGS-84坐标系) 转换到电子地图坐标 (54北京坐标系) 。其坐标转换的具体过程如下:

空间直角坐标转换成国家大地坐标, 国家大地坐标转换成地图平面坐标。

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3.4 重构电子地图

电子地图包含的数据格式一般都不能直接用于嵌入式平台中, 因此需要提取、存储、重构电子地图的数据。该系统设计使用了美国MapInfo公司的桌面电子地图系统, MapInfo数据格式可分为Mif和Tab两种格式, 而MIF格式是MapInfo公司提供的一种与外界交换数据的格式, 主要用于保存空间对象的几何数据, 读出电子地图的数据, 通过嵌入式平台, 采用绘图工具重新组成电子地图。部分实现代码如下:

4 结语

本文主要进行了主板设计、电源设计, 完成了提取GPS定位信号的数据、坐标转换、电子地图显示功能的实现。经测试, 该平台具备升级能力。GPS定位数据到电子地图数据转换的算法需进一步完善, 以提高系统的运行效率和数据的准确性。

摘要：根据用户车载导航终端的系统要求, 进行了基于嵌入式导航终端的系统设计, 提取了GPS定位信号的数据, 转换了坐标, 实现了电子地图的重构。系统软硬件平台有较强的升级能力, 可靠性较高。

关键词：车载导航终端,嵌入式系统,GPS模块

参考文献

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[4]农丽萍, 王力虎, 黄一平.Android在嵌入式车载导航系统的应用研究[J].计算机工程与设计, 2010 (6) .

车载导航电子地图管理 篇6

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。

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