第四章(二) 车载导航系统

第四章车载导航系统,目录,常规导航产品介绍服务型导航软件介绍嵌入式操作系统介绍自主式车辆导航系统的设计中心决定式车辆导航系统的设计导航系统的市场发展,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统可以分成两类:一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxworkS、AcceleratedTech.公司的Nudeus系列等;另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒等，如windowsCE、Palm0S、嵌入式Linux和EPOC等,嵌入式操作系统的核心通常要求很小，因为硬件的ROM容量有限。嵌入式操作系统按照层次的不同可分为三个部分：最小的基本部分包括一个用作引导的可用设施，一个具备内存管理、进程管理、定时器服务的微内核，一个初始进程。为了具备一定的实用性，还需加上硬件驱动程序，一个或几个应用进程完成必需的功能。随着对系统要求的增加，一般还包括一个文件系统(放在ROM或RAM中)，TCP/IP网络协议栈等,嵌入式系统的技术特点,嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全。嵌入式系统是资源开销小的高性价比系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求，大多使用FlashMemory。嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统。嵌入式系统应用的广泛性，要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统，使用它应如同使用家用电器一样方便。,车载导航系统,车辆导航系统是集成应用了自动车辆定位技术、地理信息系统技术、数据库技术、多媒体技术和通信技术等的综合系统。从实现导航功能的角度看，可分为两类：自主式（分布式）车辆导航系统，其定位和路径规划功能全部在车载设备实现。中心决定式（服务型）车辆导航系统，它的某些功能需要借助通信网络才能完成。,接下来学习这两类系统的硬件原理、软件原理和导航原理,系统总体设计,设计原则：（1）、稳定性原则：系统功能必须稳定可靠；（2）、易用性原则:为加强产品的亲合力、面向用户的实际需求，系统的操作过程应尽可能做到简单方便；硬件的接口、按键设计简洁明了；软件操作界面直观友好，全面体现贴近用户、易学易用的风格；（3）、经济性原则：在保证完成设计目标的前提下，应尽可能地优化方案设计、精简系统的功能部件，以降低单位产品的制造成本；（4）、灵活性原则：一个良好的设计应为系统今后的改进和功能扩展提供稳定的基础，因此系统需要有一定的扩展空间，使其在预期的产品生命周期内能够适应市场需求和运行环境的变化。,导航系统的功能解析,自主式车辆导航系统的设计,自主式车辆导航系统的设计,概述车载导航系统由硬件平台、嵌入式操作系统（如WindowsCE）、导航系统软件三部分构成。硬件平台基于嵌入式处理器，同时应用GPS全球定位系统。多任务、实时性和图形化的嵌入式操作系统为导航软件提供良好的平台。运行在嵌入式操作系统之上的是导航系统软件，借助于硬件平台和操作系统，导航系统软件完成地图显示、GPS定位、地图匹配、路径规划、行驶引导、场所查找等功能。,自主式车辆导航系统的设计,硬件结构,自主式车辆导航系统硬件结构,其中一些周边设备（如，音响、显示、控制、存储媒介）甚至通信设备等既可以作为导航系统专用的部件，又可以与其他车辆娱乐设备或非导航设备共用。,自主式车辆导航系统的设计,硬件平台导航计算机系统它是自主式车辆导航系统硬件体系的核心部分，除定位外，系统其他功能模块都以导航计算机为硬件平台，通过软件来实现；用户对整个系统的操作和控制也通过导航计算机来完成。在性能指标上看，必须具备足够的计算能力必须负担地图的显示与刷新、定位数据处理与转换、行驶指令计算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的任务；从功能指标上看，必须具备基本的多媒体功能，强大的控制能力和良好的扩充性满足系统控制、输出和功能扩展；从环境适应性上看，必须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适应车载环境；,自主式车辆导航系统的设计,硬件平台导航计算机系统车载导航系统是一种嵌入式系统，它在软、硬件系统架构设计上与普通嵌入式系统并没有差异。在PC产业里，运算平台的选择，也就是处理器及其相关参考设计的选择，是相当有限的，不外乎Intel或是AMD的那几种，然而嵌入式系统的硬件部件较少，结构更加紧凑，需要面对各式各样不同的需求，去掉对大量不必要工业总线标准的支持。正确的选型及架构设计必须能符合客户及产品需求，这是一件相当重要的事情。对任何硬件平台而言，灵活性和伸缩性对架构能否成功获得市场接受都至关重要，无论是基本系统还是高性能的高端车载信息,三星S3C2440ARM9处理器是系统的核心(400M主频)完成GPS数据采集、存储、图形显示、音频采集和播放、用户输入响应和网络通信等功能。,存储系统包括SDRAM、NandFlash和SD卡。SDRAM和NandFlash都选用64M，嵌入式操作系统内核固化在NandFlash的前32M空间，运行时被拷贝到SDRAM中。导航软件可以存放在NandFlash中，也可以存放在SD卡中，通常情况下，应该与内核一起烧固化到NandFlash。导航软件运行时也会占用SDRAM空间，除嵌入式操作系统内核运行所需要的32M空间外，剩下的SDRAM都可以由导航软件使用。SD卡大小可随意选择，主要用于存放电子地图，电子地图还可以存放在CF卡或光盘中。,网络通信系统由USB、GPRS构成。USB是PC主机和目标机通信的有效手段，可用于下载内核、调试应用程序和更新地图信息等功能，同时支持U盘和鼠标操作。GPRS用于无线通信（扩展功能）。,人机接口系统由LCD、触摸屏、键盘和音频构成。,GPS定位系统由GPS芯片(带DR功能)、车速传感器、电子陀螺构成。,电源管理在车载导航系统中占有重要地位，直接影响到硬件平台的稳定性和可靠性。导航系统的电源来自车载，车载12V电源不能直接给CPU和各功能模块供电。所以电源管理最重要的功能是为不同的功能模块提供不同功率的电源，同时为用户提供人性化的开关机功能。,自主式车辆导航系统的设计,硬件平台导航计算机系统,处理器：IntelSA1110(260MHz),RAM(随机存储器)：系统工作时加载和运行应用程序,ROM/FLASH(只读存储器/闪速存储器)：用于保存程序和数据,LCD控制器：图形显示功能，支持真彩色显示,扩展功能和与其他设备通信需要：1个串行通信端口、1个红外数据端口、1个闪速存储卡(CF卡)插槽和1个通用串行总线(USB)接口,电源管理：负责对中央处理器、存储模块、I/O设备和LCD实行供电控制,GPS通信,按键式红外遥控器输入,电子地图,下载内核等,自主式车辆导航系统的设计,软件体系结构：操作系统层和应用程序层,软件体系,分层结构使得应用层软件具有硬件无关性、可移植性，即不依赖于具体硬件的独立性。无关性的两层含义：第一，系统中所有的硬件设备都由操作系统接管，应用程序不直接对硬件进行访问；第二，所有涉及硬件的操作都通过调用标准的API(应用程序接口)函数来完成。每一种硬件设备都通过驱动程序来被操作系统识别，并由驱动程序为系统对硬件设备的访问提供底层支持，即将具体的API函数翻译为直接对目标硬件进行的操作。,自主式车辆导航系统的设计,操作系统由内核层和系统服务层组成，为应用层软件提供运行支持。为满足实时处理需要，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：包括硬件驱动程序，是软件体系中唯一直接与硬件交互的部分。系统服务（OSS）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、事件监测等基本操作系统服务。,软件体系嵌入式操作系统,自主式车辆导航系统的设计,软件体系嵌入式操作系统根据系统功能的要求，操作系统应提供良好的图形显示支持和强大的多任务管理能力。从应用软件开发的角度考虑，应选择开发平台功能强、共享软件资源丰富、硬件驱动支持多的操作系统。为适应车载环境，操作系统必须能脱离硬盘直接从ROM或其他非机械式存储媒介中启动，对内存开销、存储容量等硬件资源的要求也应尽量降低。,车载导航系统中常见的嵌入式操作系统为WindowsCE和嵌入式Linux,自主式车辆导航系统的设计,软件体系嵌入式操作系统WindowsCE系统的主要特点包括：兼容于为软件公司的视窗(windows)电脑操作系统，支持超过1000个常用的32位视窗应用程序接口函数(Win32API)，支持高分辨率真彩色显示；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、网络和存数设备等；支持数十种不同的32位微处理器芯片，包括Intel和AMD公司的x86系列、摩托罗拉公司的PowerPC、日立公司的SH3系统、东芝公司的MIPS系列等；采用模块化结构，配置灵活，运行时仅需要最少的存储器(RAM)资源，并且是可以直接从ROM(只读存储器)中启动的32位操作系统。嵌入式Linux系统的主要特点包括：Linux采取模块化设计，可以根据自己的需求定制不同的模块，因此Linux也适用于嵌入式领域。嵌入式Linux可移植性很强，用户通过重新配置、编译内核，很方便将其移植到MotorolaDragonBall、ColdFire、ARM7TDMI(SamsungS3C44B0 x)等多种处理器计算平台。稳定、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API。,自主式车辆导航系统的设计,软件体系应用软件,自主式车辆导航系统的设计,应用软件GPS数据解析,GPS接收机或GPS芯片中，均输出通用的NEMA0183标准格式的数据。NEMA的数据格式有很多种，我们通常用到的只有几种。而在车载导航系统中，我们最常用到的是GGA，其数据格式为:$-GGA，hhmmss.ss，bbbb.bbbb，N，1111.1111，E，q，nn，P，h.h，g.g，m.xxx，aaaa，*ss，,自主式车辆导航系统的设计,应用软件GPS数据解析,例如某次接收数据如下:$GPGGA，040356，2810.2281，N，11255，5128，E，l，06，088，79，7，M，-19.3，M，*61。上述数据中GGA表示定位语句040356为世界协调时(时分秒)(2810.2281，N)表示北纬28“10.2281(11255.5128，E)表示东经112度55.51281表示非差分信号06表示可视卫星为6颗几何精度因子是0.88天线高度为79，7米,自主式车辆导航系统的设计,应用软件定位数据坐标转换坐标变换的目的就是，将GPS接收机接收到的WGS84坐标系下的大地坐标(B84,L84,H84)转换为与导航电子地图坐标系的坐标(x，y)。尽管不同的导航电子地图具有不同的坐标系但是其转换过程基本上都是转换到地方独立坐标系。其转换步骤可以总结如下:l)WGS84大地坐标(B84,L84,H84)转换为WGS84空间直角坐标(X84，Y84，Z84);2)通过平移、旋转、缩放，把WGS84空间直角坐标(X84,Y84,Z84)转换为BJ54空间直角坐标(X54,Y54,Z54);3)BJ54空间直角坐标(X54,Y54,Z54)转换为BJ54大地坐标(B54,L54,H54);4)利用高斯投影变换，把BJ54大地坐标(B54,L54,H54)转换为当地坐标椭球的高斯平面坐标(Xg,Yg);5)根据在同一平面下的平面坐标相似变换原理，通过平移、旋转，把高斯坐标转换为地方独立坐标(x,y)即导航电子地图的坐标。,自主式车辆导航系统的设计,为满足高精度连续车辆定位的要求，最佳的定位方式是组合定位（GPS+MM或GPS+DR+MM）,应用软件组合定位,自主式车辆导航系统的设计,应用软件地图显示,地图显示之前先读取类型配置信息，每一种类型配置信息包括画笔颜色、宽度、画刷颜色和显示图标。只有点信息才有图标，不同类型的点采用不同图标显示，例如医院采用带十字的图标，而学校采用带“文”字的图标。根据类型号建立索引表，当需要查找某个类型信息时，通过索引表可以快速定位该类型信息。,显示用的地图形状数据和导航用的路网数据都按照分层分块模型组织，读取地图信息应以块为单位读取。每一块数据包含点、线、面信息，在地图数据中，一个点、一条线、一个面都是一条记录,自主式车辆导航系统的设计,应用软件地图显示,导航系统的地图分为多个level，每个Level包含地图数据详细信息不同。Zoom是显示比例因子，根据Zoom和Level对应关系建立配置信息。,自主式车辆导航系统的设计,应用软件导航功能,负责完成车辆导航功能，包括路径规划和路径引导。路径引导指挥驾驶员沿着路径规划模块计算的最佳路径行驶的过程，它包括两个任务：一是产生行驶引导指令，二是跟踪车辆在规划路径上的行驶情况。,引导指令产生的依据是车辆沿规划路径行驶时在交叉路口的转向情况，根据行驶路径中的相邻路段在交叉口处取向变化计算出对应的驾驶引导指令。在引导指令产生后的任务是实时监测车辆在预定路径上的行驶情况，以确定在什么时候向用户输出下一个引导信息,自主式车辆导航系统的设计,驾驶引导指令生成算法示意图,路径引导指令输出标准,路径引导指令分为三种：早起提示、准备提示和到达提示。另外是车辆偏移预定路径后的驾驶引导：1、偏离提示和预定目的地相对位置显示；2、重新规划路径。,应用软件导航功能,自主式车辆导航系统的设计,应用软件导航功能,自主式车辆导航系统的设计,人机接口提供用户与导航设备的交互，包括输入控制部分和输出部分，其中有些接口与其他汽车电子产品是兼容和共享的。输出接口：是向用户提供与车辆导航功能相关信息的手段。视频：可采用高分辨率真彩TFTLCD显示器；音频：可避免分散驾驶员的注意力，输出内容包括：操作提示、路径引导指令、超速提醒、当前车辆行驶道路或重要兴趣点提示等。输入接口：需强调安全和操作方便，多种操作控制方式：红外遥控、按键和触摸操作方式。导航和娱乐共享部件视频设备：显示数字地图与导航信息，显示VCD/DVD图像或TV存储设备：存储地图，存储MP3等音乐。,导航应用软件GPS数据解析导航应用软件定位数据坐标转换导航应用软件组合定位导航应用软件地图显示导航应用软件导航功能,中心决定式车辆导航系统的设计,中心决定式车辆导航系统的设计,概述中心决定式导航系统除具有导航功能外，通过借助通信网络，还能提供信息采集、信息服务等多项增值服务功能，甚至其终端部需要存有地图，不存在地图更新的问题，路径规划在中心根据实时交通情况完成，从而不再受到计算资源的限制，使得规划有效且迅速。,中心决定式车辆导航系统的设计,系统组成及原理三大部分组成：控制中心、车载导航终端以及通信网。,中心决定式车辆导航系统结构框图(例中以GPRS为通信系统),中心决定式车辆导航系统的设计,车载端硬件与自主式导航系统相比，主要增加无线通信模块（如GPRS通信模块），其他模块相同，但所需的存储空间和处理能力降低,中心决定式车辆导航系统的设计,系统初始化模块GPS接收模块GPRS接收发送模块数据接收处理模块数据发送处理模块图形显示模块数据库模块语音模块人机交互模块,终端与中心通信的GPRS模块主要分成三大层次：支持层、接口层、应用层。支持层主要负责屏蔽网络硬件差异、连接差异、提供类似sokect层接口、提供可靠的传输，主要偏向于通过功能。应用层主要在网络层上针对系统的特定应用通信协议，提供协议握手、应答等，并对中心下达的命令、数据进行解析并采取相应的处理。接口层将应用层和支持层连接起来，应用层通过调用接口层函数通知支持层进行相应的操作。,车载终端软件设计,中心决定式车辆导航系统的设计,车载终端软件设计数据接收处理模块：接收处理中心信息：导航信息，公共信息更新，个性化信息，由于故障要求断开GPRS网络，中心下发的确认回应。数据发送处理模块：中心请求上传本车当前状态，如经纬度、高度、速度、时间等紧急情况时上传报警信息经信息采集点时上传采集信息个性化请求,中心决定式车辆导航系统的设计,地图显示模块：在中心电子地图上能够根据需要实现显示车辆轨迹，并可以获取位置、速度、时间等信息，从而对车辆进行监控；信息点管理模块：中心信息点数据库按照基站覆盖区内信息点的信息类型分类存储，中心平台提供相应管理用户界面，用户可以对信心点数据库进行管理，如删除、添加或修改等；数据显示模块：对车载终端的回传信息进行解码，并将解码后的信息显示在中心的终端屏幕上；指令下载模块：通过GPRS通信网络实时下载信息指令到车载终端，如，路径导航指令。系统隐私保护模块：中心设有车辆管理数据库，保存车辆电子编号和物理编号的对应关系，物理编号用于人工界面的显示和帮助，电子编号用于计算机检索和处理，以此保证车主的行踪不被泄露。,控制中心功能,中心决定式车辆导航系统的设计,系统组成及原理,中心决定式车辆导航系统的设计,以中客户端为例,导航系统的市场发展,市场发展,2004年来，GPS导航产品迅速普及，增长快速，进入大众消费品时代,07、08年进入发展瓶颈，难以实现跨越式发展,08年底开始的金融危机使产业跨越遥遥无期,市场容量,据权威机构预测，在未来两年内行业产值至少为200亿人民币。05年中国汽车数量增长500万辆，销售额达10000亿元；其中装载GPS的汽车不足2，远远低于国际平均水平的