（计算机应用技术专业论文）车载定位导航系统的研究与实现.pdf

硕士研究生毕业论文 摘要 随着国民经济的高速发展和科学技术的进步，交通运输已成为习常生活和经济建 设中不可缺少的一个重要的组成部分，因此在近二三十年中世界各国都相继建立了四 通八达的交通运输道路网络。但是随之而来的是由此引起的如交通堵塞、环境污染、 交通事故等一系列问题。智能交通系统是解决这一问题的有效途径。 在智能交通系统中，车辆定位导航系统是其中必不可少的一个重要组成部分。本 文以嵌入式系统为基础平台，在分析了当前的软硬件开发、架构的基础上，从实际应 用的角度出发，对自主车辆导航系统( 即车载导航系统) 的设计开发进行了较为深入 的研究，并对其中的几项关键技术作了重点地讨论。 本文的主要研究内容包括：( 1 ) 首先分析了智能交通系统的产生原因，回顾了智能 交通系统在各国的发展和研究现状，并阐述了车载导航系统在智能交通系统中的重要 地位。( 2 ) 根据当前软硬件发展的实际情况完成了车载导航系统的硬件架构方案，在比 较了各种开发方法后确定了软件的开发方案。( 3 ) 重点讨论了车载导航系统中的模块的 设计，完成了s h a p e f i l e 格式地图的分析，并实现了对该格式地图的读取和绘制。( 4 ) 对车载导航系统中涉及的关键技术一空间索引技术进行了深入研究，并设计出了针对 多层格式地图的索引算法。( 5 ) 详细讨论了二维半地图的显示方法，初步实现了 s h a p e f il e 格式地图的二维半显示。 关键词：智能交通系统，空间索引，嵌入式6 i s ，电子地图 硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep r o g r e s si ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t r a n s p o r th a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tc o m p o n e n to fd a i l yl i f e a n de c o n o m i cc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e i nt h el a s tt w ot ot h r e ed e c a d e sa l lt h ec o u n t r i e si n t h ew o r l dh a v ee s t a b l i s h e daw e l l - c o n n e c t e d1 0 a dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k b u tw h a t f o l l o w e dw a st h ee n s u i n gt r a f f i cc o n g e s t i o n , e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , 仃a 街ca c c i d e n t sa n d o t h e ri s s u e s i n t e l l i g e n tt r a 伍cs y s t e mi so n eo f t h ee f f e c t i v ew a y st os o l v et h i sp r o b l e m i ni n t e l l i g e n tt r a 伍cs y s t e m , v e h i c l el o c a t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e mi sa ne s s e n t i a l p a r t b a s e do ne m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r ma n dt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tm a j o rs o t t w a r e d e v e l o p m e n ta n di n f r a s t r u c t u r e ，at h o r o u g hr e s e a r c ha n dd e s i g no na u t o n o m o u sv e h i c l e n a v i g a t i o ns y s t e mi sc a r r i e do u tb yt h ev i e wo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m ea f e wk e yt e c h n o l o g i e so f i ta r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ：( 1 ) a n a l y s i so ft h ec a u s a t i o no ft h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m , r e c a l l si ti nt h ed e v e l o p m e mo f a l lc o u n t r i e sa n dr e s e a r c h a n de x p o u n d st h es t a t u so fv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mt ot h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( 2 ) a c c o r d i n gt 0t h ed e v e l o p m e n to fs o t t w a r ea n dh a r d w a r e a na r c h i t e c t u r eo f h a r d w a r ei sd e s i g n e da n dt h ed e v e l o p m e n tb l u ep r i n to ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o g r a m i sd e t e r m i n a t e db yc o m p a r e dt h ev a r i o u sm e t h o d s ( 3 ) f o c u s e do nt h ed e s i g no f m a p d i s p l a ym o d u l eo fv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m t h es h a p ef i l em a pf o r m a ti sa n a l y s e d c o m p l e t e l ya n dt h er e a d i n ga n dd r a w i n go f t h i sf o r m a ti sa c h i e v e d ( 4 ) a sak e yt e c h n o l o g i e s o fv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，s p a t i a li n d e xt e c h n o l o g yi ss t u d i e dt h o r o u g h l ya n das p e c i a l s p a t i a li n d e x i n ga l g o r i t h mf o rm u t i - l e v e rf o r m a tm a pi sp u tf o r w a r d ( 5 ) t h e2 da n d2 5 d m a pd i s p l a ym e t h o di sd i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y , a n d2 5 dm a pd i s p l a yo fs h a p e f i l ef o r m a ti s a c t u a l i z e di n i t i a l l y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m , s p a t i a li n d e x , e m b e d d e dg i s ，e l e c t r o n i cm a p n 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，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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囫 学位论文作者签名： 扣当& 指导教师签名： 如一年s 强t b ， 6 - 7 年，月廖日 f1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 如锻 j 日期：j 、岬年 5 月2 e t 硕士研究生毕业论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着国民经济的高速发展和科学技术的进步，交通运输已经成为日常生活和经济 建设中不可缺少的一个重要的组成部分。在近二三十年中世界各国都相继建立了四通 八达的交通运输道路网络，但是与之对应的是车辆的增长速度远远大于道路及其相关 设施的增长速度。这就使得道路交通系统的复杂性和拥挤度与日俱增，由此引起的如 交通堵塞、环境污染、交通事故等一系列问题，造成了巨大的物质与经济损失。根据 统计资料显示，西方发达国家由于公路堵塞而造成的直接和间接经济损失十分惊人。 以美国为例，自1 9 6 0 年至1 9 9 9 年，全美交通量增加2 0 0 ，由于车辆拥挤造成交通堵 塞，并由此造成的延误损失每年达1 2 0 0 亿美元，而每年因车祸死亡的人数高达4 万 人“1 。据欧盟的统计资料，由于道路交通事故的人员伤亡带来的经济损失达1 6 0 万亿 欧元，占到欧盟国家国民生产总值的2 。根据现有发展状况，到2 0l 0 年英国的高速 公路平均延误时间可能翻一番。由于交通拥挤造成的经济损失估计将达1 5 0 亿英镑。 因此如何有效的缓解交通问题带来的物质经济损失已经成为各国政府的一个迫 切任务。国内外的实际情况表明，交通需求的增长速度远远高于道路网的发展速度， 可见要解决与日俱增的交通问题，单纯靠发展有限的道路网是远远不够的。为了满足 提高运输效率和安全保障的需要利用先进的科学技术使道路交通智能化是解决这一 问题的唯一办法协1 ，所以世界各国都相继开展了对智能交通系统的研究 车辆定位导航系统作为智能交通系统中的一个重要组成部分，为智能交通提供了 必要的数据来源，在智能交通系统中起着举足轻重的作用。从毽前的一些统计资料来 看，对车辆定位导航系统的研制与生产，正显示巨大的发展空白j 和市场潜力。根据预 测，到“十五”末期，我国卫星导航定位应用市场，包括智能车辆定位导航和为其运 营服务在内的总产值可迭七十多亿元”。因此目前对车辆定位导航系统的研究，已成 为智能交通应用领域的研究热点之一。 近年来，在国家总体经济增长的带动下，我国的汽车工业得至目了飞速发展。资料 显示，到2 0 0 6 年末，我国汽车年生产量已达到7 2 8 万辆，仅次于美国、日本，居世 界第三。汽车产业的发展，给车辆导航系统的发展带来了巨大的市场。但是在对车辆 导航系统的研究和发展上，由于欧、美、日等国起步较早，其车辆导航技术已相当成 熟，而我国则处于相对落后状态。因此如何利用现有的资源，克服目前技术上的困难， 开发出具有自主知识产权的导航产品已迫在眉睫。 一个完整的车辆定位导航系统的开发，涉及自动车辆定位技术，计算嵌入式技术， 硕士研究生毕业论文 嵌入式g i s 技术，电子地图技术等多种技术，是一个融合多学科，多专业的综合应用 旧。本文就是在研究了现有主流车辆导航系统的基础上，利用现有资源对车辆导航系 统进行了设计，重点研究了数字地图的获取，电子地图数据的组织、索引，电子地图 的显示等关键技术。期望在车载导航系统这一日渐发展的领域能迎头赶上发达国家， 为早日建立自己的智能交通系统打下基础。 1 2 智能交通系统在国内外的发展状况 智能交通系统简称i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) ，是后来才在国际上统 一的名称。所谓智能交通系统嘛”就是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子 传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等应用于传统的道路交通系统，建立起 一个安全、快速、舒适、高效、环保的交通运输和管理系统。它可以充分发挥出现有 交通基础设施的潜力，改善交通安全，提高运输效率和经济效益。在其开始发展的三 十年中，美国、日本和欧洲各国都有自己的叫法，并且同时都有一个特定的发展过程。 美国是道路交通的智能化研究最早的一个国家。早在二十世纪六十年代末，美国 公路局就提出了一种电子路径引导系统( e r g s ：e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 。 八十年代中后期由加利弗尼亚研究的驾驶员寻路系统( p a t h f i n d e r ) ，揭开了美国在 全国开展智能化车辆道路系统研究的序幕。1 9 9 0 年美国运输部成立了智能道路车辆系 统( i v h s ：i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ) 。到了1 9 9 1 年美国政府制定了综 合路上交通效率法规，把智能交通系统研究作为的道路交通政策的核心计划，并给予 充足的财政支持。1 9 9 4 年美国运输部，把智能道路车辆系统( i v h s ) 改为智能交通系 统( i t s ) ，以表明这方面的研究开发不仅限于车辆和道路，而且包括所有交通工具和 道路组成的智能化系统0 1 。到目前为止，美国已经完成了一些有关智能交通系统的项 目，利用这些系统可以有效减少行车时间、减少汽车停滞路面的次数，从而减少汽车 尾气的排放。通过交通流量监控系统，监控中心分析、处理流量数据，引导车辆使得 道路交通畅通”，。 日本也是智能交通系统研究比较突出的国家o “1 。在上世纪七十年代，日本就成 功组织了一个叫动态路径诱导系统的试验。从八十年代中期到九十年代的十年中，日 本相继完成了路车间通信系统、交通信息通信系统、超智能车辆系统、宽区域旅行系 统、新交通管理系统及安全车辆系统等方面的研究。1 9 9 5 年，日本政府把智能交通系 统确立为国家计划，并在1 9 9 6 年发表了智能交通系统发展整体构想，进一步细化 了智能交通系统的研究领域。同时拟定了“下一世纪道路交通系统”a r t s 。 在欧洲智能交通系统最早叫做道路通信技术( r t i - r o a dt r a n s p o r ti n f o r m a t i c s ) ， 上世纪八十年代中期，欧盟各国联合主持制定了一个叫d r i v e ( d e d i c a t e dr o a d 2 硕士研究生毕业论文 i n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l ei ne u r o p e ) 的计划，旨在完善道路设施，提高服务质 量。欧洲民间也联合也推出了一个欧洲高效安全交通系统计划p r o m r e t h r e u s ，致力于 高科技车辆应用技术的研究开发。目i ；i 欧洲正在进行智能车辆交通信息与通信系统的 全面应用开发工作，计划在全欧洲境内建立专门的交通无线数据通信网“。 除美、日、欧外，新兴的工业国家和发展中国家也开始了智能交通系统的研究。 如韩国由建设交通部牵头制定了全面的智能交通系统框架和发展计划，新加坡已经在 全国开始推行不停车电子收费等等。 我国的智能交通系统的研究和开发开始于二十世纪九十年代初。改革开放后，特 别是最近几年，随着我国汽车工业的快速发展，和人民生活水平的提高，私家车进入 了许多普通百姓家中，这对交通运输提出了更高的要求。交通设旅的建设速度落后于 交通总量的速度，许多的大城市出现了较为严重的交通问题。探讨如何提高运输效率、 保障运输安全和保护环境，解决交通问题，日益成为我国交通部门面临的个巨大问 题，因此我国也开始了对智能交通的研究1 。九十年代初我国学者参加了i t s 世界会 议的指导委员会和国际标准化组织的部分工作。交通部把i t s 列入了“九五”科技发 展计划和2 0 1 0 年长期规划。2 0 0 0 年，成立了发展中国i t s 的政府协调机构全国智 能交通能系统协调小组及办公室。此外，我国的高校、研究单位和公司也积极的加入 的到智能交通系统的研究和开发中。比如东南学成立了i t s 研究中心；北方交大“2 1 1 工程”项目组建了智能交通实验室；首科集团和北京航空航天大学联合成立了首科北 航智能交通系统研究中心。 根据世界各国的研究重点，对智能交通系统的研究主要包含以下四个方面；智能 车辆系统、智能交通控制系统、智能道路系统和智能交通信息系统。其中的智能车辆 系统主要包含了车辆自动导航系统和车辆智能驾驶系统“”，而不管是车辆的自动导航 还是车辆的智能驾驶，其实现基础就是车辆的定位导航。而且在智能交通的其他三部 分内容，也都涉及车辆的定位和导航。可见车辆的定位导航是智能交通系统中的一个 重要组成部分。下面我们简要介绍车载定位导航系统的发展状况。 1 3 车载定位导航系统的发展状况 1 3 1 车载定位导航系统简介 车辆定位导航系统作为i t s 智能交通系统中的重要组成部分，是在应用6 i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 技术构造的路网数字化地图的基 础上，运用各种技术进行车辆定位，确定最优行驶路线，并对车辆进行跟踪定位的系 统嘲。根据实现导航方式的不同，车辆导航系统分为两大类n 3 1 ：一类叫做自主式车辆 导航系统( 即车载定位导航系统) ，其定位和路径规划全部在车载设备上实现；另一 3 硕士研究生毕业论文 类叫做中心决定式导航系统，其定位和路径规划由控制中心完成，再借助网络传输给 目标车辆。本文主要讨论的车载导航系统就是自主式车辆导航系统。 1 3 2 车载定位导航系统的组成 一个完整的车载定位导航系统包含了导航电子地图、地图数据的索引及组织、定 位模块、地图匹配模块、路径规划模块、路径诱导模块，无线通信模块、人机交互接 口和地图实时显示模块等九大模块。其结构图如图卜1 所示。 图卜l 车辆定位导航功能模块图 对各模块的功能简要介绍如下： 导航电子地图：以数据库或者专门的导航地图格式存储在光盘、s d 卡、c f 卡等 移动存储介质上，包含了计算机处理与地图信息相关的信息是导航系统的基础。对于 电子地图的有关内容将在下一章详细介绍。 地图数据的索引及组织：导航数字地图往往包含了海量的信息数据，对这些数据 若不加以有效的组织和管理，资源有限的嵌入式系统将无法实时的绘制显示地图。此 模块利用高效的地图数据索引机制，建立地图数据的索引，合理的组织处理地图数据， 为车载导航系统的地图实时显示和二维半显示提供了保证。地图数据的索引及组织模 块是导航系统软件部分的核心，也是本文研究的一个重点。 定位模块：利用各种定位技术确定车辆的位置。目前的定位技术包括：航迹推算、 g p s 定位、蜂窝定位等等。 4 硕士研究生毕业论文 地图匹配：由于数字地图和定位模块测到的数据存在误差，需要把从定位模块获 取豹车辆位置数据和数字地图进行匹配，从而精确确定车辆在地图上的位置，反馈给 人机界面。 路径规划：在车辆行驶前或行驶过程中，根据用户提供的出发点和目的地的信息， 结合数字地图规划最优行驶线路。利用路径规划可以为用户找到行驶的最短路线。 路径诱导：用于在车辆行驶过程中指导车辆沿着路径规划的地线路行驶。 地图实时显示模块：用于实时绘制当前相应区域的地图，是车载导航系统的重要 组成部分，也是人际交互接口实现的基础。 人机交互接口：是提供给用户和导航系统交互的一个接口。利用此接口用户可以 给导航系统发送相关指令，导航系统通过显示器或扬声器给用户提供导航信息，完成 导航任务。 无线通信：利用无线通信，交管部门或相关部门可以给车辆发送实时的交通信息 或相关数据，从而使得车辆或整个交通系统更加安全有效。主要用于中心式车辆导航 系统。 1 3 3 车载定位导航系统的相关技术 1 定位技术 车载定位导航的概念最早出现在二十世纪七十年代末，当时使用的是航迹推算和 地图匹配来实现车辆的定位和号航。航迹推算( d r s ) 的原理是把车辆行驶看作是二 维平面运动，根据车辆的起始点和初始航向角，通过实时测量车辆的行驶距离和航向 角变化，结合地图匹配来推算测量的位置。显然，这种方法容易产生误差，定位精度 低，实用性不高，但是这种方法为今后的导航系统的研究打下了基础。 九十年代后，随着计算机和卫星、通信技术的发展，出现了卫星定位系统。最著 名的就是美国的全球定位系统“”( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 。g p s 的出现，为全球的 用户提供了一种实用、廉价的定位手段。这种利用卫星定位的方法定位精度比航迹推 算有了很大的提高。利用g p s 结合航迹推算等技术，定位精度可达1 厘米，完全可以 满足测量的定位需求。除了g p s 外，现有的卫星定位系统还有俄罗斯的g l o n e s s 、我 国自主研发的北斗星系统。此外欧盟也正在研发自己的卫星定位系统，称为伽利略计 划。由于g p s 价格便宜( 目前免费开放) 、精度高，因此目前大多数的导航设备都采 用了这种定位技术。 除了上述两种定位技术外，目前常用的技术还有基于移动通信网的定位技术，视 觉定位技术等等。通常为了提高定位精度，这些技术一般都不是独立存在的而是组合 使用。 2 导航电子地图 硕士研究生毕业论文 显然导航电子地图是车载导航系统得于实现的基础也是其中必不可少的一部分。 导航电子地图的好坏直接决定着导航系统的性能。要制作一个出色的导航定位系统， 没有优秀的导航地图是不行的。 在导航电子地图部分，主要包含两大内容一个就是导航电子地图的获取，电子地 图是车载导航系统的根本，如何利用现有资源获得高精度的电子地图是实现车载导航 系统的基础；另一个就是电子地图的实时显示，在嵌入式设备上实现电子地图的实时 显示，需要合理的组织电子地图数据并建立高效的索引机制。导航电子地图的实现是 车载导航系统软件部分的关键也是整车载导航系统的实现基础，这部分内容是本文研 究的重点。 3 嵌入式g i s g i s 由于其先进的理论技术、开放的结构和强大的功能，加上智能交通系统几项 主要内容都涉及，因此已经成为智能交通系统的基础平台。而车载导航系统也由于需 要强大的移动信息处理的需求，对于嵌入式g i s 也是必须要的内容。 1 3 4 车载导航系统的现状 随着计算机技术特别是嵌入式技术的发展，不管是处理器的速度还是移动存储设 备的容量都有了很大的提高，嵌入式硬件技术的发展为车载导航系统的实现提供了最 基本的硬件支持。 技术的支持和社会的需求使得近几年车载导航系统发展迅猛，国外的车载导航生 产厂商不断推出新型的导航设备，定位精度越来越高，功能越来越强。下面是笔者收 集到的国外著名的车载导航产品的简单介绍： 一t o m t o mg o7 1 0c a rg p sn a v i g a t i o ns y s t e m 欧洲g p s ( 全球卫星定位系统) 生产提供导航、定位，最短路查询，最新版的还提供天气、路况的实时报告，2 5 维 和2 维视角切换。提供美国、加拿大、欧洲的地图“”。 二美国g a r m i n 公司( g a r m i n 公司总部坐落在美国的k a n s a s 。是目前世界上最 大的导航型g p s 生产的专业厂家) 的s t p i i i “任我行”语音车载导航仪，智能选路、 语音导航、查询检索、内置世界地图、包含城市、区县、江河、湖泊、国道、高速公 路等、可以记录3 0 条航线、2 0 0 0 多个航迹点“”。 三麦哲伦( m a g e n l l a n 美国现在我国有分公司) 生产手持导航设备。能提供： 5 0 0 个命名、智能查询的航路点，航点总数只受存储卡容量的限制；每条航迹可记录 2 0 0 0 点航迹点( 包括经纬度、时间、海拔高度) ，可随时保存到存储卡上，保存时不 丢失航迹中的任何信息；机器可保存2 0 条航线，航线总数只受存储卡容量的限制； 内置2 5 6 m 全国详细地图“”。 值得一提的是，随着我国改革开放的进一步深化，加上最近几年我国汽车工业的 6 硕士研究生毕业论文 发展，我国的车载导航系统也取得长足的发展，一些公司相继开发出了自己的导航 设备。下面是国内公司开发的一些导航设备举例： 一新科卫星导航器国内的车载导航生产厂商，提供g p s 卫星定位导航；可根据 推荐路径、高速优先、距离优先、一般路径4 种路径模式供选择，导航器将根据设定 的路径模式自行计算路线；信息包括双向、禁行方向、禁行时间、禁止通行、禁止调 头等道路信息；提供s d 卡m p 3 音乐播放功能“”。 二北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置 信息服务的s m a r t i n h a n d 软件产品“”。 三北京慧图公司新近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的 野外地质数据采集系统：t o p m a pc e g e n i u s 。 1 4 本文的研究内容 到目前为止，虽然我国已经研制出了自己的导航产品，但是由于起步较晚与国外 的产品相比还有差距。目前，国内已有很多高校和研究单位车载导航设备展开了研究 并且取得很多有用的成果。但是对于其中的关键技术还有很多需要改进地方。因此本 文的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 导航软件硬件体系结构的设计，包括主要硬件设备的选取、嵌入式实时操作 系统的选择等等。 ( 2 ) 导航电子地图的获取。导航电子地图是专门用于导航设备的地图，如何利用 现有资源重新开发或是直接利用现有的地图数据开发导航产品。 ( 3 ) 嵌入式g i s 中空间数据的索引。面对资源有限的嵌入式设备设计一套快速、 准确的空间数据组织和索引算法，研究如何把空间索引算法合理的用到导航系统中。 ( 4 ) 嵌入式系统中电子地图的实时显示。根据上述算法和地图实时显示策略，在 嵌入式设备上实时绘制地图，并设计一个切实可行的二维半的显示方案，以实现对地 图多视角、多方位的显示。 1 5 论文的组织结构 本文共分为六章，其中： 第一章绪论，综述了本文的研究背景、智能交通系统在国内外的发展状况、车载 导航系统的相关技术介绍和现状，最后介绍了本文的研究内容及论文组织。 第二章系统实现的相关理论基础，对车载导航系统设计中涉及的相关理论作了简 单介绍。其中包括嵌入式g i s 的简介，嵌入式实时操作系统的介绍、选择方法；特别 7 硕士研究生毕业论文 介绍了嵌入式g i s 的索引机制，及其分类和发展；最后介绍了导航电子地图的概念、 特点、数据结构及目前主流导航电子地图的特点。 第三章嵌入式车载定位导航系统方案设计，在阐述了车载导航系统的设计目标和 开发原则后，分别从硬件和软件的角度对整个系统的作了详细的设计方案。 第四章导航地图数据的组织方法，首先本着自主开发、充分利用现有资源的原则 对系统使用的地图格式作了选择，并详细分析了s h a p e f i l e 地图格式。然后针对嵌入 式系统中地图数据量大且系统资源有限的状况，设计了一种基于h i l b c r t - r 树的空间 索引算法，对其中涉及的树的建立，查找作了详细的描述。最后针对车载导航系统的 特点利用此算法建立了一个用于绘图模块的空间索引文件。 第五章地图实时显示方法的实现，首先根据现有的对多层地图的现实策略，确定 了本系统的现实方法，给出了地图显示的实现流程并阐述了其中的l o d 显示技术。 然后对其中涉及的主要类作了详细描述并给出了主要类的逻辑结构图。接着详细叙述 了二维及二维半地图显示的实现方法。 第六章总结和展望，总结了本文的主要研究内容，指出了现有系统的缺陷和存在 问题。接着针对这些问题提出了改进，并对今后系统的进一步完善提出了展望。 8 硕士研究生毕业论文 2 1 嵌入式6 1 5 第2 章系统实现的相关理论基础 2 1 1 嵌入式系统简介 从系统开发的角度看，车载导航系统属于嵌入式系统。所谓嵌入式系统。” ( e m b e d d e ds y s t e m ) ，是指一个以应用为中心、以计算机技术为基础、适应应用系统， 对功能、可靠性、成本、体积、功能、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统最早出现于二十世纪七十年代，主要是一些基于单片机的应用恤捌，用于电话交换 机和各类工业控制。后来随着电子技术特别是大规模集成技术的迅猛发展，嵌入式系 统被广泛的应用于工业控制、交通、航空航天、通讯、消费电子等各个领域。目前基 于嵌入式系统的消费产品正成为一种新的发展趋势，如无线通讯设备、数字娱乐产品、 数码相机等。 嵌入式系统是计算机技术的一种应用形式，广义上，凡是带有微处理器的专用软 硬件系统都可以称为嵌入式系统。目前嵌入式系统被使用到了各个领域，其出现的形 式多种多样，但是总的来讲嵌入式系统又有如下共同点蝴： 功能专一：专门为某一特定应用系统而设计； 结构紧凑：嵌入式结构必须特别紧凑，从而达到小体积、高性能、低成本、 低功耗； 智能灵活及实时性：即能对不同情况做出不同反映，同时必须实时的给出计 算结果并进行控制。 2 1 2 嵌入式实时操作系统 1 嵌入式实时操作系统的作用 嵌入式实时操作系统作为车载导航系统的软件平台，管理着系统的硬件资源，同 时为应用软件提供必要的服务。嵌入式实时操作系统的使用可以使得应用软件开发人 员避开繁琐的硬件管理和操作编程，从而把精力放在目标应用软件的算法研究及自身 架构上。另外，由操作系统提供的服务还可以使得构造复杂的实时嵌入式应用系统更 加容易。 ， 一个嵌入式实时操作系统主要包含实时、多任务内核和操作系统服务两部分。嵌 入式操作系统的内核通过专门的驱动程序直接和硬件交互，它是软件体系结构中唯一 与硬件交互的部分。在车载导航系统里面由于不同功能模块运行的需要，对操作系统 9 硕士研究生毕业论文 的内核要求支持多任务和实时。这里简单理解所谓的实时就是指系统在合理的时问范 围内能完成相应的计算要求，而多任务是指操作系统能同时处理多个应用程序。在内 核的上面联系应用程序和操作系统的是操作系统服务。操作系统服务为应用层提供一 些最基本的操作系统服务如：任务创建、内存分配、磁盘读写缓冲等等。 2 常用操作系统简介 近十年来，硬件技术的快速发展加上各种嵌入式系统不同的应用需求，嵌入式实 时操作系统也得到了飞速的发展，微处理器从支持8 位到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位。从 支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种的微处理器芯片。从只有实时内核到除内 核外还提供其他功能模块如：高速文件系统、t c p i p 网络系统、g u i 系统。据有关嵌 入式杂志的最新报道，世界各国已有4 0 多家公司，成功推出了2 0 0 余种可供嵌入式 应用的实时操作系统。”1 。其中著名的嵌入式操作系统有：m i c r o t e cr e s e a r c h 公司 的、，i i t x ，i n t e g r a t e d s y s t e m 公司的p s o s ，w i n dr i v e r 公司的v x w o r k s 、微软公司的 w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 、i tc o s 。其中最后两个是开放源代码的免费的操作系统。 由于目前用于车载导航等智能移动设备的主要是w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 。因 此这里我们主要介绍这两个操作系统。 ( 1 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软公司专门开发的一个碇向嵌入式系统的，高效、紧凑、可裁减 的实时嵌入式操作系统。由于具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，因此w i n d o w s c e 可用于各种有着严格资源限制的硬件系统。此外其模块化的设计使得嵌入式系统和 应用软件开发者能够方便的订制各种功能模块以适应一系列产品( 如消费电子设各、 专用的工控设各和通讯设备) 的需求。 w i n d o w sc e 盼特点： 支持数十种不同的3 2 位微处理器芯片，包括a r m 系列，i n t e l 和a 公司的 船6 系列，m o t o l o r e r 公司的p o w e r p c ，日立公司的s h 3 ，东芝公司的m i p s 系列。 提供最广泛的硬件设备支持，包括通信接口，显示和打印设备，输入输出设 备，音频设备，网络设备和存储设备等。 与微软的w i n d o w s 操作系统兼容，并且提供了与w i n d o w s 系列桌面操作系统 基本相同的系统和应用程序的初始化与同步管理内存的管理分配，系统时钟管理， 设备驱动管理，磁盘和文件系统的操作与管理等等。 支持超过1 0 0 0 个常用的3 2 位视窗应用程序接口( w i n 3 2 a p i ) ，支持高分辨率 真彩色显示。 采用模块化结构，配黄灵活，运行时只需要很少的存储器( r m ) 资源，是目 前唯一可以直接从r 例( 只读存储器) 中启动的3 2 位操作系统。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x 1 0 硕士研究生毕业论文 嵌入式l i n u x 啪“”是一套开放、免费的多任务多进程的操作系统。它的优点有： 不需要付授权费，价格低廉、支持多进程、网络功能强大、实时性好、有成熟的开 发环境、开放源码、有着丰富的软件资源、易于开发应用软件等优点。嵌入式l i n u x 的缺点有：不支持图形用户界面；核心调试工具不全，调试不方便；占用 较大的内存空间；有些l i n u x 应用程序需要虚拟内存，并非所有的l i n u x 应用程 序都可以在嵌入式系统中运行。表2 - 1 是上述两个操作系统性能方面的一些比较。 表2 - 1w i n d o w sc e 和l i n u x 性能比较 捧作系统 性能 l i n u xw i n d o w sc e 支持的c p u 数 少多 操作界面文本 图形 图形功能差 强 授权费用免费较高 多任务特性强 强 技术支持无有 3 操作系统的选择 操作系统是软件体系结构的基础，操作系统的好坏可以直接决定系统的性能。因 此选择一个好的嵌入式操作系统是软件体系结构设计中的一个重要任务。首先从性能 方面考虑，在车载导航系统中操作系统不但要具有实时、多任务的特点，还要提供强 大的图形处理和显示的功能。另外，为适应车载系统的特点，操作系统必须可以直接 从r o m 或其他非机械式存储设备上启动。其次从软件开发的角度考虑，选择的操作系 统应该具有开发平台功能强，软件资源丰富，对硬件的驱动支持多豹特点。再次就要 考虑经济的因素，选择的操作系统价格要便宜，但这往往和第二点矛盾。价格高的系 统往往能得到较好的售后服务和技术支持，最直接的影响就是对于一些常用的硬件， 可以不用开发相应的驱动。反之价格便宜或免费的系统，往往缺少技术支持。因此系 统的性能得不到保障，对一些硬件还要编写驱动程序。 综合上述因素考虑我们采用了w i n d o w sc e 作为本系统的操作系统。 2 1 3 嵌入式g i s 简介 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m g i s ) 的定义是由两个部分组 成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理 论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地 硕士研究生毕业论文 理空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供 多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统跚1 。因 此综合来讲，地理信息系统是- - f 集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体 的新兴学科，是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科 学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需 信息的空间信息系统。 g i s 系统由于对计算机软硬件的需求较高，本来只能运行在台式机上。近几年由 于计算机嵌入式技术的飞速发展，使得g i s 在一些嵌入式设备上的运行成为可能。技 术的快速发展加上人们对空间数据需求的日益增大，使得g i s 技术和嵌入式技术融合 到了一起，从而形成了一个嵌入式的地理空间集成平台称为嵌入式g i s 。 由于嵌入式g i s 是运行在嵌入式设备上的，嵌入式平台的特殊性，使得嵌入式g i s 和传统的g i s 相比有着明显的不同：嵌入式g i s 的基础内核小，功能专一，文件存储 量小。而传统的空间数据包括图形数据、拓扑数据、参数数据和属性数据等，数据量 很大。因此，在开发嵌入式g i s 产品时，要根据嵌入式设备的特点结合g l s 的实际应 用重新设计g i s 平台。 2 1 4 嵌入式g i s 的开发方法 嵌入式g i s 虽然有别于传统的g i s 但是其开发方法仍然可以借鉴传统g i s 的开发 方法。总的来讲，目前传统的g i s 有以下三种开发方法卿： 独立开发 所谓独立开发是指开发者在开发g i s 时不依赖任何g i s 工具软件，从空间数据采 集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有算法都由开发者独立设计，最后使用某 种程序设计语言，在一定的操作系统上编程实现。 由于无需依赖任何商业g i s 软件，因此使用这种方法的优点包括开发成本小、具 有自主知识产权等。此外由于是完全自主开发，因此在开发时可以根据实际应用需要 从各个方面控制、设计出最适合自己的软件系统，从而提高了系统的性能和效率。缺 点在于设计和实现复杂、开发工作量大、周期长。 单纯的二次开发 单纯的二次开发是指开发者完全借助于g i s 工具软件提供的二次开发语言进行应 用系统的开发。目前许多著名的g i s 软件商都提供了自己的g i s 软件进一步开发的宏 语言。如e s r i 针对a r c v i e w 有a v e n u e 语言，m a p i n f o 公司的b i a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等。使用这些语言，用户可以以原有的g i s 工具软件为平台， 针对不同地应用对象开发出相应的应用程序。 这种方法与第一种方法比省时省心，但是毕竟用于二次开发的宏语言功能有限， 硕士研究生毕业论文 对一般的应用可以应付，但是遇到开发过程中的复杂问题往往难以处理。 集成二次开发 所谓集成二次开发是指以通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具( 如 v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 等) 为开发平台，利用g i s 工具软件( 如 a r c v i e w ，m a p i n f o 等) 或其提供的组件实现g i s 基本功能。目前集成开发有o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 。对象链接与嵌入) i d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ， 动态数据交换) 方式和组件式两种开发方式。 集成二次开发的特点是，既可以充分利用可视化软件开发工具的高效方便的编程 功能，又可以充分利用g i s 工具软件完备的空间数据可视化分析处理功能。因此使用 这种方法不仅可以大大提高应用系统的开发效率，而且开发出来的应用程序具有良好 的外观、完善的功能、可靠性好、便于维护等优点。目前集成二次开发是应用型g i s 开发的主流开发方式。 由于和台式机相比，嵌入式系统的资源严重匮乏，因此传统的用于台式机的g i s 开发工具并不适用于嵌入式g i s 的开发。最近几年由于嵌入式g i s 的应用需求日益增 多，国内外的知名g i s 公司都推出了自己豹嵌入式d i s 软件。国外的有m a p l n f o 公司 的m a p xm o b i l e ( 一种用于p o c k e tp c 的m a p x 平台) ，e s r i 公司的a r c p a d ( 一种为 移动w i n d o w s 设备提供制图和g i s 技术的软件) 。国内的有北京超图公司的e s u p e r m a p ， 西科电子科技的w a l ko np l a m 等等。、 初步分析目前这些嵌入式g i s 开发平台，实质上是一种基于嵌入式系统的组件式 开发方式。因此使用这些g i s 开发平台相当于是传统g i s 开发方式中的集成二次开发。 显然它们具有二次开发如开发效率、软件可靠性好、易于移植等优点。但是也有如下 几个不足之处： 开发者不具有自主知识产权，不能掌握g i s 引擎的核心技术，产品开发受制 于人。 开发费用高，增加了开发成本。即便是国产的软件，如面向公司的e s u p e r m