智能车辆定位导航系统概述ppt课件.ppt

智能车辆定位导航系统及应用 1 成绩说明 平时成绩 20分包括课堂 考勤及大作业 不能补交 期末考试 卷面100分 折合80分 期末考试 半开卷 2 参考书目 付梦印等 智能车辆导航技术 科学出版社王美玲等 地图投影与坐标变换 电子工业出版社张其善等 智能车辆定位导航系统及应用 科学出版社赵亦林 车辆定位与导航系统 电子工出版社 3 课程章节安排 第1章概述第2章智能交通系统第3章车辆电子学第4章车辆定位与导航第5章地图投影与坐标变换 4 课程章节安排 第6章电子地图与地图匹配第7章路径规划与路径引导第8章车辆运动控制 5 第1章智能车辆定位导航系统概论 主要内容 智能车辆定位导航系统的发展历史 应用背景 研究现状 关键技术等 6 1 1智能车辆定位导航系统概论 1 1 1道路交通的现状公路交通系统的复杂性和拥挤度与日俱增 7 交通拥堵对生态环境带来了恶劣影响 道路建设尤其是高速公路工程量大 施工期长 其施工场地 运输便道 生活设施等用地面积更大 因而对生物多样性影响更加明显 汽车尾气是大气环境中铅的重要来源 当汽油燃烧时 产生的无机铅随尾气排出 造成土壤的铅污染 1 1 1道路交通的现状 8 堵车还造成了严重的经济损失 1 1 1道路交通的现状 9 交通事故大量增加 道路安全受到挑战 1 1 1道路交通的现状 10 应对措施 新建必要的道路 完善路网布局以及加强对现有道路系统的管理 大力发展高效 安全的公共交通系统 包括发展大容量 高速度的轨道交通 积极研发低污染 低消耗的新型汽车 减少或消除小汽车本身存在的缺点 加强城市停车设施的建设 积极发展新一代智能交通系统 ITS 11 1 1 2智能车辆定位导航系统 近年来 在信息革命和信息化过程中 各种先进的管理思想 控制方法和实践技术逐渐成熟与完善 人们对于交通系统及其内在规律性的理解更加全面 在这种背景下 智能交通系统 IntelligentTransportationSystem 简称ITS 应运而生 12 1 1 2智能车辆定位导航系统 智能交通系统ITS是将先进的科学技术 信息技术 计算机技术 数据通信技术 传感器技术 控制技术 运筹学 人工智能等 有效地综合运用于交通运输 服务控制和车辆制造 加强车辆 道路 使用者三者之间的联系 从而形成一种保障安全 提高效率 改善环境 节约能源的综合运输系统 13 ITS研究的范围十分广泛 内容丰富 使用的技术和手段多样 但其中 最关键的组成莫过于智能车辆定位导航系统 1 1 2智能车辆定位导航系统 14 智能车辆定位导航系统 IntelligentVehicleLocationandNavigationSystem 简称IVLNS 是集成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 多媒体技术和现代通信技术的高科技综合系统 1 1 2智能车辆定位导航系统 15 智能车辆定位导航系统的主要功能有 1 自动车辆定位可在出行时准确 实时地确定出车辆当前的位置 并以图形化方式显示在电子地图背景中 1 1 2智能车辆定位导航系统 16 2 行车路线设计 路径规划 可依据驾驶员提供起点 终点和途经点 自动规划出旅行代价最少的最佳行驶路线 1 1 2智能车辆定位导航系统 17 3 路径引导服务可在出行过程中产生语音或图形方式的实时引导指令使驾驶员沿预定行车路线顺利抵达目的地 1 1 2智能车辆定位导航系统 18 4 综合信息服务可向用户提供与电子地图有关的信息检索与查询服务 如按用户要求显示停车场 主要旅游景点 宾馆等服务设施的位置的数据资料 并在电子地图中指示其所处的位置 1 1 2智能车辆定位导航系统 19 4 综合信息服务 20 5 移动通信功能可接收实时交通信息广播 使用户及时掌握最新的道路状况 同时还可将车辆状况报告给交通控制中心 实现报警 求助和通信功能 1 1 2智能车辆定位导航系统 高德总裁俞永福 汽车是继手机之后互联网地图的下一个战略要塞 谁能率先完成手机 车机的一体化产品服务体验 谁就能在这个增量市场拔得头筹 21 典型的智能车辆定位导航系统由8个主要功能模块构成 1 1 2智能车辆定位导航系统 22 1 电子地图数据库 VehicleGIS 是车辆导航系统中不可缺少的组成部分 它包含以预定格式存储的数字化导航地图 为系统提供地理特征 道路位置 交通规则以及基础设施等多种信息 1 1 2智能车辆定位导航系统 23 2 地理信息系统引擎 MapQuery 是操作和查询电子地图数据库的接口 提供了电子地图的显示 浏览 动态刷新 缩放等功能和相关的信息检索和查询服务 1 1 2智能车辆定位导航系统 24 3 定位模块 PositionModule 由定位传感器和数据处理以及滤波电路组成 提供实时连续的车辆位置估计 1 1 2智能车辆定位导航系统 25 4 地图匹配模块 MapMatching 将定位模块输出的位置估计与地图数据库提供的道路位置信息进行比较 通过适当模式匹配和识别过程确定车辆当前行驶路段及其在路段中的准确位置 1 1 2智能车辆定位导航系统 26 5 路径规划 RoutePlan 是依据电子地图道路信息 提供从车辆当前位置到目的地之间最优路径的过程 1 1 2智能车辆定位导航系统 27 6 路径引导 RouteGuide 根据地图数据库中的道路信息以及定位模块和地图匹配模块提供的当前车辆位置 产生适当的实时驾驶指令 1 1 2智能车辆定位导航系统 28 7 无线通信模块 WirelessCommunicationModule 能够增强车载导航系统的功能 可以实现车辆与交通管理系统之间相互交换实时交通信息 1 1 2智能车辆定位导航系统 29 8 人机交互界面 HumanComputerInterface 提供用户与车载计算机系统之间的交互接口 1 1 2智能车辆定位导航系统 30 车辆定位导航系统的历史可以追溯到几千年前中国古代的指南车和计里鼓车 其原理类似于现代的磁罗盘和差分里程计 1 2车辆定位导航系统研究现状 31 从十九世纪开始 磁罗盘和里程计等定位导航技术被逐渐应用到了现代车辆上 美国于1895年出版了第一张用于汽车驾驶的交通图 并在20世纪初开始在公路上建立路标和为道路编号 1 2车辆定位导航系统研究现状 32 美国 1910年 第一台机械路径引导装置问世 二战期间 美国研制了用于军用车辆的车辆导航系统 该系统运用机械式计算机从里程表读取出行距离 并自动在地图上描绘出车辆轨迹 1 2车辆定位导航系统研究现状 33 上世纪60年代末期 美国公路局提出了一种电子路径引导系统ERGS 该系统利用短距离信标 beacon 网络作为通信媒介 具有无线路径引导能力 1 2车辆定位导航系统研究现状 34 70年代初期 美国开发了一种自主导航系统 这种系统利用航位推算 dead reckoning 模块 借助于地图匹配 map matching 算法进行车辆定位 确定车辆沿着路径行驶的位置 1 2车辆定位导航系统研究现状 35 1985年 美国易泰克 ETAK 公司推出了一种称为Navigator的汽车自主导航系统 该系统配有数字地图库 采用航位推算和地图匹配技术 定位误差可由已知道路的位置和方向来修正 航位推算传感器包括磁罗盘和车速传感器 1 2车辆定位导航系统研究现状 36 进入90年代 随着美国全球卫星定位系统 GPS 的成功发展和建立 为全球范围内的用户提供了一种廉价 实用的定位手段 使车辆定位与导航系统的发展进入了高峰 1 2车辆定位导航系统研究现状 37 1994年 第一个装有GPS接收机的自主式导航系统Guidestar投入市场 1 2车辆定位导航系统研究现状 38 日本 日本也是当今车辆定位与导航系统和智能交通系统发展最成功的国家之一 它的研究始于1971年的CACS ComprehensiveAutomobileTrafficControlSystem 综合车辆交通控制系统 该计划与美国的ERGS极为相似 1 2车辆定位导航系统研究现状 39 80年代 日本生产了配备彩色显示器并使用CD ROM存放数字地图的自主式导航系统 1987年 丰田皇冠上首先配置了含有电子地图的导航仪 1 2车辆定位导航系统研究现状 40 在1990年 先锋公司的第一台零售导航仪正式上市 当时售价40万日元 此后随着GPS 地图匹配 语音引导等最新技术的应用 各式各样的车载导航系统产品不断被推向市场 1 2车辆定位导航系统研究现状 41 1996年7月 日本警察厅 通产省 邮政电信省和建设省共同发起了智能交通系统综合促进规划 将所有应用研究项目和发展计划综合在一起 并提出了 智能车 智能道路 智能枢纽 Smart Car Smart Way Smart Gateway 的概念 期望推动智能交通产业的发展 1 2车辆定位导航系统研究现状 42 欧洲 欧洲对车辆定位导航系统的研究始于70年代的ALI工程 80年代 名为CARIN和EVA的车辆自主导航系统先后推出 CARIN利用了推算定位和地图匹配技术及彩色显示器来显示地图 它是第一个采用CD ROM存储数字地图的导航系统 1 2车辆定位导航系统研究现状 43 EVA除了推算定位 地图匹配和依次转向路径引导 它还可以同时用可视显示和声音合成输出来给司机提供导航 80年代中期以来 智能交通系统实验计划PROMETHUS和DRIVE一直在欧洲大规模地实施中 1 2车辆定位导航系统研究现状 44 中国 和发达国家相比 国内在此方面的研究起步较晚 开始于八十年代末期 其应用主要是集中在车辆的监控调度系统方面 进入九十年代后 许多国外厂商纷纷和国内企业展开合作以实现导航产品本地化 1 2车辆定位导航系统研究现状 45 2003年丰田公司在威驰车上首次配备了前装车载导航系统 是国产汽车安装车载导航系统的开端 1 2车辆定位导航系统研究现状 46 从1995年起 我国开始派团参加每届的ITS世界大会 交通部在制定 公路 水运 九五 科技发展计划和2010年远景规划 时也将ITS的发展列入其中 1 2车辆定位导航系统研究现状 47 交通部于1998年成立了 ITS工程研究中心 完成了 智能运输系统发展战略研究 科研课题 2001年 车载导航信息终端 等研究作为 十五 攻关课题 车辆定位导航技术已经得到足够的重视和发展 并开始步入推广应用阶段 1 2车辆定位导航系统研究现状 48 目前国内外对车辆导航技术的研究方向可以归结为3个方面 车辆定位技术动态路径规划技术电子地图数据动态维护 1 3车辆定位导航系统关键技术 49 对于智能车辆定位导航系统来说 精确 可靠的车辆定位是必要的先决条件 目前移动目标定位技术主要有三种 地面无线电定位卫星定位独立定位 1 3 1车辆定位技术 50 1 3 1车辆定位技术 51 组合定位由于各种定位技术都有各自优缺点 在实际应用中一般不单独用某一种技术 而是组合起来使用 取长补短 达到较好的定位需求 1 3 1车辆定位技术 52 组合定位在车辆定位中 常见的组合定位方案有 GPS MM组合GPS DR组合GPS DR MM组合 1 3 1车辆定位技术 53 1 GPS MM组合地图匹配 MapMatching 是一种基于软件的定位修正方法 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 并由此相对于地图确定车辆的位置 1 3 1车辆定位技术 54 1 GPS MM组合这种定位方法只需要GPS接收机和数字地图库 成本较低 但存在当GPS信号丢失时系统无法工作的致命弱点 且系统的可靠性较差 1 3 1车辆定位技术 55 2 GPS DR组合该方案的优点是当GPS信号丢失时 航位推算系统可继续工作 使系统的可靠性得到提高 数据融合算法是GPS DR组合导航中的关键问题 决定了系统的定位精度及可靠性 1 3 1车辆定位技术 56 3 GPS DR MM组合该方案是在GPS DR组合导航中加入地图子滤波器 通过对子滤波器的故障检测结果来判断地图匹配的正确与否 并利用正确的匹配结果对GPS DR的误差进行补偿 1 3 1车辆定位技术 57 3 GPS DR MM组合该方案的缺点是对地图匹配的实时性和准确性要求较高 当地图匹配发生错误时 如何对故障做出正确的诊断并及时隔离故障是保证定位精度和可靠性的关键 1 3 1车辆定位技术 58 动态路径规划技术主要涉及三方面 即 最优路径规划交通信息的采集 处理和发布道路交通状态的预测 1 3 2动态路径规划技术 59 最优路径规划最优路径规划的研究主要集中在实时动态导航方面 由于车载导航系统的存储量不可能很大 而时效性要求高 因此路径算法的精度与其存储量及计算时间之间必须综合平衡 1 3 2动态路径规划技术 60 最优路径规划目前对路径算法的探讨包括从数据结构方面的改进 双向搜索 分层搜索 K 最短路径 神经网络 遗传算法等 以提高路径规划的精度和实时性 1 3 2动态路径规划技术 61 交通信息的采集 处理和发布交通信息采集 处理与发布技术能够自动完成对交通信息的采集 处理与实时发布 实时交通信息除包括城市道路拥堵情况外 还应该包含整个全国公路网交通状况 维修情况 路面情况等 这才能为客货运输 交通出行带来很大方便 1 3 2动态路径规划技术 62 交通信息的采集 处理和发布目前 交通信息的取得大多依赖于道路上的交通流检测设备 如环形感应线圈 雷达 视频 牌照识别 红外传感器和浮动车辆 FC 等 1 3 2动态路径规划技术 63 道路交通状态的预测交通信息是时刻无规律变化的 只有实时的交通信息有时并不能满足交通出行者的信息需求 因此 迫切需要一个可以根据历史数据结合当前交通状况实时预测道路将来某段时内的交通状况的系统 1 3 2动态路径规划技术 64 道路交通状态的预测目前 此方面的研究成效并不显著 建立正确合理的道路交通状况预测模型是交通状态预测问题的关键 目前国际上关于交通流建模的方法很多 但没有一个公认的比较理想的模型 1 3 2动态路径规划技术 65 对车载导航系统来讲 电子地图是导航系统的数据基础 车辆的定位 导航 地图显示等功能都必须配合电子地图才能实现 然而由于现实世界时刻都在变化 导航软件所使用的地图数据总是和现实世界存在差异 所以必须要对数据进行动态的维护与更新以保证地图数据的现时性 1 3 3电子地图数据动态维护 66 此外 基于三维虚拟场景的三维电子地