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1、车载GPS定位技术与应用,1、智能车辆的分类 2、路径规划 3、自主式车辆导航系统的设计 4、中心决定式车辆导航系统的设计,第五章智能车辆导航系统,6.1 智能车辆导航系统的分类,智能车辆导航系统是集成了自动车辆定位系统技术、地理信息系统技术、数据库技术、多媒体和现代通信技术等的高科技综合系统。从实现导航功能的角度看，目前可分为两大类：自主式（分布式）车辆导航系统，其定位和路径规划等功能全部在车载设备实现。中心决定式导航系统，它的某些功能需要借助通信网络才能实现。,6.2 路径规划,解决的是：在给定的数字道路地图中寻找从出发地到目的地的最优路线。针对实际应用，可以采用不同的优化标准，如最短行车
2、距离、最少旅行时间、最低通行收费等。计算道路网络中两点之间的最优路线问题都可以归结为求解带权有向图的最短路问题。,最短路问题,最短路径：就是指在带权有向图中，寻找从指定起点到终点的一条具有最小权值总和的路径。6.2.1 经典的最短路算法1、迪杰斯特拉(Dijkstra)算法：由荷兰数学家E.W.D ijkstra于1959年提出的一个适用于非负权值网络的单源最短路算法，是目前求解最短路问题的理论上最完备、应用最广的经典算法，它可以给出从某指定节点到图中所有其他节点的最短路。,迪杰斯特拉(Dijkstra)算法主要思想是：按照路径长度逐点增长的方法构造一棵路径树，从而得到从该树的根节点(即指定起
3、点)到其它所有节点的最短路。具体做法是：设集合S存放已经求出的最短路径的终点，初始状态时，集合S中只有一个源点V0。以后每求得一条最短路径(V0，Vk)，就将Vk加入到集合S中，直到全部顶点都加入S中为止。,按路径长度递增次序产生最短路径算法：1、把V分成两组：（1）S：已求出最短路径的顶点的集合（2）V-S=T：尚未确定最短路径的顶点集合2、将T中顶点按最短路径递增的次序加入到S中，保证：（1）从源点V0到S中各顶点的最短路径长度都不大于 从V0到T中任何顶点的最短路径长度（2）每个顶点对应一个距离值 S中顶点：从V0到此顶点的最短路径长度 T中顶点：从V0到此顶点的只包括S中顶点作中间 顶
4、点的最短路径长度,3、依据：可以证明V0到T中顶点Vk的最短路径，或是从V0到Vk的直接路径的权值；或是从V0经S中顶点到Vk的路径权值之和。,求最短路径步骤1、初始时令 S=V0,T=其余顶点，T中顶点对应的距离值若存在，为弧上的权值若不存在，为2、从T中选取一个其距离值为最小的顶点W，加入S3、对T中顶点的距离值进行修改：若加进W作中间顶点，从V0到Vi的距离值比不加W的路径要短，则修改此距离值4、重复上述步骤，直到S中包含所有顶点，即S=V为止,终点 从V0到各终点的最短路径及其长度,V1V2V3V4V5V6Vj,1383032V2:8,13-133032V1:13,-13302220V
5、3:13,-192220V4:19,-2120V6:20,-21-21,每一对顶点之间的最短路径方法一：每次以一个顶点为源点，重复执行Dijkstra算法n次方法二：弗洛伊德(Floyd)算法2、弗洛伊德(Floyd)算法算法思想：逐个顶点试探法求最短路径步骤初始时设置一个n阶方阵，令其对角线元素为0，若存在弧，则对应元素为权值；否则为逐步试着在原直接路径中增加中间顶点，若加入中间点后路径变短，则修改之；否则，维持原值所有顶点试探完毕，算法结束,6.2.2 算法的时间复杂度估计,（1）一个算法的时间复杂度，就是执行该算法的计算工作量，即算法的时间代价。为了能够比较客观的评价一个算法的效率，在度
6、量一个算法的工作量时，应该与具体的计算机软硬件因素无关，而只依赖于问题的规模n。1892年P Bachmann发明了一种表示函数渐进特征的方法，称为大O表示法，它的定义为:当且仅当存在正整数c和n0，使得T(n)cf(n)对所有的nn0成立，则称该算法的渐进时间复杂度为T(n)=O(f(n)，简称时间复杂度，它表示当问题规模n充分大时，算法的时间复杂度随n变化。,在使用大O表示法时，需要考虑关键操作的程序步数，在大多数场合里，程序步数与执行频度是一一对应的，如果最后给出的是渐进值，可以直接考虑关键操作的执行频度，找出其与n的函数关系，从而得到渐进时间复杂度。常见的算法时间复杂度有：常量阶，表示
7、运行时间与问题规模无关或不超过某一常数;线性阶，表示运行时间与问题规模呈线性关系，类似的还有平方阶、对数阶、指数阶等。,（2）优化运行数据结构,经典Dijkstra算法的核心代码用C语言实现如下:,算法的时间复杂度为,要降低算法的时间复杂度，关键在于对子循环加以改进，该子循环的目的是从不断变化的V-S集合中，找出下一条最短路径并返回其父节点指针和累计权值，如果采用各个节点在算法中距离源点的最短路径长度来构造优先级队列，将具有较高优先级的节点放在队列的头部，则能有效提高选择V-S集合中最短路径顶点的效率。引入堆结构作为优先级队列的存储表示，能大大提高运算效率，k叉堆是一种最普及的堆结构，它把一个
8、关键码集合K=k0,k1,，kn-1:中的所有元素按完全k叉树的顺序存储在一个一维数组中，显然该完全k叉树的高度为logk(n+k-1)-1，如图6-1是一个四叉堆优先级队列及其对应的完全四叉树。,堆结构中除了根节点外的所有其它节点i的关键码ki必须满足:ki kparent(i)(或者ki k parent(i),i=1,2,n-1即某个节点的值不小于(不大于)其父节点的值，这样堆中最小(最大)元素的值就存放在根节点中。,图6.1 四叉堆及对应的完全四叉树,在Dijkstra算法中需要用到堆结构的四种操作:(1)heapescr eate(h):创建堆h，其时间复杂度为O(1);(2)hea
9、p-in sert(h,x):在堆h中插入一个新数据项x，其时间复杂度为(logn);(3)heap一 delete min(h,x):从堆h中找到具有最小属性值的数据项，将其删除并作为操作结果返回，其时间复杂度为O(logn);(4)heapsede crease一 key(h,x,value):将堆h中的数据项x的属性值用一个更小的数value代替，其 时 间复 杂度为O(logn)。,k叉堆结构操作的时间复杂度,启发式搜索算法,启发式搜索是基于知识的搜索策略，即通过选定一种估价函数，在搜索过程中的每一步，寻找估价函数数值最高的节点作为下一个搜索节点。基于启发式搜索的最短路算法有Coste
10、d算法、分支界定法、限制搜索区域法、A*算法等，利用启发式信息的有效方法是计算启发式函数，该函数估价每一生成节点处于最佳路径解上的可能性，从而优先搜索可能性大的节点，达到提高搜索效率的目的。,6.2.3.1 A*算法,该算法在选择下一个被检查的节点时，对当前节点距离终点的长度作为估计，评价其处于最优路线上的可能性量度，这样就可以首先搜索可能性较大的节点，从而提高搜索过程的效率，如下图 所示。,6.2.3.1 A*算法,原理简介 A*（A-Star)算法是一种静态路网中求解最短路有效的方法。公式表示为：f(n)=g(n)+h(n),其中 f(n)是从初始点经由节点n到目标点的估价函数，g(n)是
11、在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价，h(n)是从n到目标节点最佳路径的估计代价。保证找到最短路径（最优解的）条件，关键在于估价函数h(n)的选取：估价值h(n)实际值,搜索的点数少，搜索范围小，效率高，但不能保证得到最优解。,1)如果选择最短距离为优化标准，那么以顶点累计权值d(v)作为当前顶点的实际费用，以当前顶点到终点的欧式距离d(v)作为最小费用估计函数，那么顶点v的启发式估价函数为:f=g(n)+sqrt(dx-nx)*(dx-nx)+(dy-ny)*(dy-ny)；这样估价函数f在g值一定的情况下，会或多或少的受估价值h的制约，节点距目标点近，h值小，f值相对就小，能保证最短路
12、的搜索向终点的方向进行。明显优于Dijkstra算法的毫无无方向的向四周搜索。,估价值与实际值越接近，估价函数取得就越好,如果选择最少出行时间为优化目标，则可定义顶点v的启发式估价函数为其中t(v)为出行时间，d(v)为从起点到当前顶点的最短路径，di(v)为路段i的长度，Vi(v)为路段i的行驶速度，V(v)为估计的最大行驶速度,主要搜索过程伪代码如下：创建两个表，OPEN表保存所有已生成而未考察的节点，CLOSED表中记录已访问过的节点。算起点的估价值;将起点放入OPEN表;while(OPEN!=NULL)从OPEN表中取估价值f最小的节点n;if(n节点=目标节点)break;,for
13、(当前节点n 的每个子节点X)算X的估价值;if(X in OPEN)if(X的估价值小于OPEN表的估价值)把n设置为X的父亲;更新OPEN表中的估价值;/取最小路径的估价值 if(X inCLOSE)continue;,if(X not inboth)把n设置为X的父亲;求X的估价值;并将X插入OPEN表中;/还没有排序/end for 将n节点插入CLOSE表中;按照估价值将OPEN表中的节点排序;/实际上是比较OPEN表内节点f的大小，从最小路径的节点向下进行。/end while(OPEN!=NULL)保存路径，即从终点开始，每个节点沿着父节点移动直至起点，这就是要求的路径；,6.2
14、.4 双向搜索算法,双向搜索是指：除了像普通单向搜索那样从起点出发向终点搜索最优路线外，同时还由终点出发向起点进行反向搜索。计算某一顶点对之间的最短路径，算法包括两个部分:第一部分选择一条用于扩展的路径，并扩展该路径；第二部分检查是否己经找到最短路径。这两步循环进行，直到第二步中的条件满足，最短路径找到为止。,如果需要计算网络中从起点s到终点t之间的最短路径，并设S(i)和T(i)分别表示从S到顶点i和顶点i到t的当前最短路径长度，P(i)表示从s到i的当前最短路径中顶点i的前驱，Q(i)表示从i到t的当前最短路径中顶点i的后继，ds,dt分别表示从s,t出发的当前最短路径长度，那么双向搜索算
15、法可以描述如下:,双向搜索示意图,1)设置初值，令,基于分层地图的搜索算法,采用多层地图的分级搜索技术可实现对搜索空间的控制。基于分层地图的路线规划算法对道路网络的分层规则要求具备以下特点和假设:(1)针对不同的优化标准，层次可以按照道路等级或者预计的行车速度进行划分;(2)层次细节由高到低逐渐增多，高层次是低层次的子集;(3)每个层次的道路网络是连通的，对于低层次这是肯定的，在高层次中大部分情况下也是连通的,如果不连通，可以通过将低层次中的某些路段提取到高层次中,使之构成连通的网络。,一种分层规则是按网络中的路段等级进行划分，如图6.4(a)所示，算法在递归运行过程中总是从低层次向高层次上溯
16、，使得算法运行有时会出现舍近求远的不可靠解。可以这样对分层规则加以修改:如果两个层次上下毗邻，则在高层节点集中存储公共边上的毗邻低层次节点，如图6.4(b)，这样使得算法在递归运行过程中，能够找到更为合理的高层次邻近节点，求得的最优路径解更为可靠时增加了空间存储。,6.4 道路网络的层次划分,以构造分层地图搜索算法，给定起点s和终点t,i1、j1分别是包含s、t的最高层次，记为Si1，Tj1，假设将道路网络划分成N个层次1,2,，N，则最优路线规划分层搜索算法可以描述为：1)如果 i1=j1=N，则s、t都位于最高层网络，直接在N层道路网中计算最短路，结果即最优路线Si1=SN-Tj1=TN;
17、2)否则，如果i1Si2-SN-1-SN,在N 层计算最短路SN-Tj1=TN，依次连接最短路，即得最优路径;如果j1 Si2-,Sj1-1-Sj1,Sj1-Tj1,依次连接最短路，即得最优路径;,4)如果j1 Si2,Sk-1-Sk,Sk-Tk,Tk-Tk-1,Tj2-Tj1,将以上最短路径依次连接起来，就构成了从起 点S到终点T的最优路j径。对于j1 i1的情况，也按照以上方法进行，这时必须首先向较高层次上溯终点t。,需要注意的是，这种分层搜索方法在高端层次逐渐回溯，如果按照距离最短的优化标准，那么求得的最优路线可能并不是真正的最短路，因此是有损算法。但是一般的驾驶员更喜欢在等级高或者速度
18、快的公路上行驶，这种结果反而是更优的。,由于基于分层地图的搜索方法在起点S1和终点T1附近寻找高一层的邻近节点S2和T2，将路线规划过程划分为几个最短路计算过程，从图6.5中可以看出，低层次的节点规模庞大，但其搜索空间C2,C3大大减小，而高层次的搜索空间C1,虽然和Dijkstra算法的搜索空间C0接近，但其中的节点数目大大减少，从而提高了算法效率。,仿真试验结果与分析,利用Embedded Visual C+编写了最优路线搜索程序并进行了仿真试验。程序分别按5种方法搜索最短路径，它们是:传统Dijkstra算法、应用四叉堆运行结构的改进Dijkstra算法、应用四叉堆的A*算法、应用四叉堆
19、的双向搜索A*算法、应用四又堆的双向分层搜索A*算法。机器主频206MHz，内存32M，共进行了两组试验。第一组采用的数字道路地图是北京市五环以内的城区图，共32172个路段，12562个顶点，按照道路等级将地图分成两层:主干道为一层(高速、环线和快速路)，普通公路和胡同为一层。这组试验中每种方法分别进行了5次试验，它们分别穿越地图的约1/5,2/5,3/5,4/5和整个地图，即这5次试验起点和终点的距离越来越长。第二组采用的是部分全国数字道路地图，包含上海城区图(28265个路段，10832个顶点)、杭州城区图(18765条路段，7136个顶点)、南京(22293条路段，8471顶点)、宁波
20、城区图(20 548条路段，8182个顶点)以及含有高速公路和国道的全国道路地图(15713条路段，6167个顶点)，每种方法也进行了5次试验。,表6.1北京道路地图中儿种路线搜索算法运行时间结果(单位:5),表6.2全国道路地图中几种路线搜索算法运行时间结果(单位:5),在引入四叉堆运行结构、A*算法、双向搜索和分层搜索后，算法的效率得到了很大提高。特别是在全国道路地图中，分层搜索的引入对算法效率的提高有显著作用。由于分层搜索在高层搜索中忽略了低层细节，所以最优路线不是最短路径，而是更多的选择了高层次路网中的主干道，这也符合一般驾驶者的喜爱。,6.3 自主式车辆导航系统的设计,人 机 接 口
21、,地图显示,地图检索,路径规划,路径引导,地图匹配,电 子 地 图 数 据,GPS数据解析,DR传感器数据解析,速率传感器,角速率传感器,图6-6 车载定位导航系统的系统结构,我在哪里？,从出发地到目的地的最佳路径,如何到达目的地？,附近有无加油站/停车场？,实时地显示当 前 位 置,路 径 规 划,路 径 引 导,附近设施查询,*电子地图数据*GPS/DR信号解 析*地 图 匹 配,*GIS空间分析*拓扑分析,*检索服务点信息,*GPS/DR信 号 解 析*地 图 匹 配*检索 道路 网络信息,用户的问题,导航系统功能,应用的技术,图-导航系统的功能解析,6.3.1 系统总体设计,设计自主式
22、车辆导航系统时需要考虑的具体因素包括：系统的单位成本、所能提供的定位精度、导航功能的复杂程度、是否需要无线通信系统以及是否需要其他特定的功能等。典型的自主式车辆导航系统应具备的功能：(1)系统能在90%以上的行程时间里确定车辆的实时位置，与实际位置的偏差应小于20m;(2)能够将车辆的实时位置转化为地图坐标，并与道路网相匹配，以提供车辆在路网中最可能的行驶路段以及车辆在路段中的具体位置;,(3)系统能向驾驶员提供以地图为背景的图形化实时车辆位置显示:(4)系统能接受行驶目的地请求，按照合适的规划标准给出当前位置或者指定位置到达目的地的最佳行驶路线；（5）系统能根据已经规划好的行车路线产生实时的
23、引导指令，并以文字、图像或语音提示(或者三者混合)的方式提供给驾驶员;（6）系统能确定车辆当前是否偏离了预定行车路线，并及时作出处理。（7）能够通过多种方式如分类查询、拼音模糊查询等，检索指定目的地或者兴趣点的位置，也能快速查询指定位置附近的各种兴趣点信息。,设计考虑到以下几个原则:I.可靠性原则:系统要充分适应车载环境的恶劣性，系统必须稳定可靠。2.易用性原则:为加强产品的市场需要，系统的操作过程必须尽可能简单方便，硬件接口和软件操作简洁明了，用户界面直观友好。3.经济性原则:在保证完成实现目标的前提下，尽可能优化方案设计，精简系统的功能 部 件，降 低单位产品的制造成本。4.灵活性原则:系
24、统硬件具有可扩展性，系统软件要能够方便地升级，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,6.3.2 导航计算机系统设计,硬件结构设计,图 6.车辆导航系统硬件体系结构,导航计算机是车辆导航系统硬件体系的核心部分，导航计算机的设计要求符合下列要求:具有复杂高速的运算能力，满足地图刷新、定位计算、路线引导等具有较高实时性要求的计算任务;具有大容量的程序存储器(Flash)和动态随机存储器(SDRAM)，满足操作系统的运行要求以及显示缓存的要求;具有便携式的可移动存储介质，满足地图数据升级更新方便的要求;具有高清晰度的彩色显示能力，满足图形文字显示的要求，且要求显示接口标准规范，与其它
25、娱乐系统的显示兼容;具有语音输出的能力，能够实现语音引导和操作提示;,具有各种串行接口，能够与定位模块、无线通信模块、控制系统等连接，同时具有IO扩展以及AD扩展的能力，满足系统控制外设以及升级的要求;最后还要求整个系统稳定可靠，连接牢固，满足车载环境的恶劣要求。硬件系统一般采用嵌入式计算机设计方案，如图6.所示中央处理采用的是基于ARMv4内核的Intel公司的StrongARM.SA1110，除了采用高性能的CPU以外，连同32M的SDRAM和32M的FLASH一起构成了系统内核;,同时，计算机系统还具有SID13806构成的多模式2D显示加速模块;由X3032,16244,16245构成
26、的总线缓冲模块;162374构成的板上状态/控制寄存器;语音输出功能由Philips公司的UCB 1300来实现，它的语音处理功能可以实现录音和放音，而月利用它的AD功能能监控主板上的电压和温度;通过系统总线，将两路UART串口，多路GPIO信号以及UCB 1300提供的触摸屏/AD信号集成起来。,图6.9 基于 IntelStrong ARM SA1110 的导航计算机结构,6.3.3 软件体系设计,根据系统功能的要求，整个软件有两大部分:操作系统和应用程序。,图69自主式车辆导航系统软件体系结构,在软件体系中采用分层结构使得应用软件具有硬件无关型，即不依赖与具体硬件的独立性。无关性有两层含
27、义：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。二、所有涉及硬件的操作都通过调用标准的API函数来完成。这种无关性极大的增强了应用程序的可移植性，为系统的软、硬件开发、升级和改进带来了方便。操作系统是构建整个软件体系的基础目前比较成熟的操作系统有很多，其中嵌入式操作系统随着计算机技术的发展也出现了很多种，比较有名的有Embedded Linux,Windows CE,VxWorks,Palm os等等。这些操作系统各有所长，支持的CPU以及函数功能也各不相同。,选择操作系统的要求:,1、为满足系统功能的要求，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;2
28、、为适应嵌入式硬件系统，操作系统应体积小，可以按用户的要求来增减功能。这样 才 能 最 大 程度地去除不需要的冗余，节省存储空间，同时也要方便用户自己的 功 能 扩 展。3、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、支持多种嵌入式硬件的操作系统;4、从适应恶劣的车载环境考虑，操作系统必须能够脱离硬盘，直接从ROM/FLASH中启 动，对内存开销、存储容量等硬件资源的需求应尽可能低。5、从用户使用的方便程度考虑，要求操作系统支持即时关机，另外也要考虑操作系统 的 成 本。,Windows CE是美国微软公司开发的专门为各种移动和便携移动电子设备、个人信息产品、消费类电子产
29、品等有严格资源限制的硬件系统设计的一种32位高性能嵌入式操作系统，它有一个简洁、高效的完全抢占式多任务内核，支持强大的通信和图形显示功能，能够适应广泛的系统需求。Windows CE系统的主要特点包括（5点）1)兼容于微软公司的视窗(Windows)电脑操作系统，支持多种应用程序编程接口(Win3 2 A PI)函数;,2)提供最广泛的硬件支持，包括通信接口、高分辨率真彩色显示和打印设备、输入输出设 备、音频设备、网络和存储设备等;3)支持数十种不同的32位微处理器芯片，如:Intel和AMD公司的x86系列、摩托罗拉 公司 的 PowerPC、日立公司的SH3系列、东芝公司的MIPS系列等;
30、4)采用模块化结构，配置灵活，运行时仅需很少的存储器(RAM)资源，并且可以直接从 只读存储器(ROM)中启动和运行;5)微软公司为Windows CE的开发提供了一套完整的功能强大的系列工具，从硬件调试到 软 件 开发都为用户提供了方便。,Windows CE是目前最强大的嵌入式操作系统，所提供的功能包括系统与应用程序的初始化与同步管理、内存管理和分配、系统时钟管理、设备驱动管理、程序进程间通信和数据交换控制、磁盘和文件系统操作与管理等，windows CE操作系统是车辆导航系统应用软件运行的理想平台。Embedded Linux的开放源码特性，它的可移植性和可扩展性提供了最大的灵活度。但开
31、发工作量很大，目前还没有一家能给出一套从硬件到软件的完善的开发调试系统。Linux在图形功能的支持上也差强人意。长远来看，Linux的公开和免费，使它具有强大的生命力，它的功能也会在众多开发者的努力下日臻完善。,6.3.4 功能子系统设计,1、定位子系统定位子系统是车辆导航系统的重要组成部分，它包括定位模块和地图匹配模块，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。考虑到整个系统的不同成本和档次，以及安装的复杂程度，在设计定位子系统时在不同的系统中采取了不同的组合定位方案，一种是GPS+MM，为了便于功能升级，预留了DR接口，另一种是GPS十DR+MM。如下页图611所示。,图6
32、11 GPS十DR+MM组合定位系统框图,GPS+DR+MM组合定位子系统首先在每个采样时刻k=nT由扩展Kalman滤波器处理DR传感器和GPS的量测数据并给出车辆位置估计、行车方向估计以及定位误差估计;然后将滤波器输出的这些最优估计输入到地图匹配模块，由地图匹配算法计算出当前时刻的匹配位置坐标，即为车辆当前的位置输出。,2、导航子系统,导航子系统负责完成车辆导航功能，包括路线规划和路线引导，前面已经讨论了论了路线规划算法的设计与实现，而路线引导则是指挥驾驶员沿着路线规划模块计算的最佳路线行驶的过程，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线上的行驶情况。路线导航子系统与其
33、它模块的相互关系如图6.12所示。,6.12 路 线 导 航 子 系 统与 其 它 模 块 的 相互 作 用,图613 表示了一种引导生成算法，其中的角度标注代表两条相邻路段在交叉点处的取向角差值，顺时针为正；路段取向角定义为路段取向与正北方向的差值，取值为0360度，引导指令产生后就是实时监视车辆在预定路径上的行驶情况，以确定什么时候向用户输出引导信息。将引导信息分为三种:早期提示、准各提示和到达提示。早期提示在车辆通过上一交叉路口后给出，通知驾驶员在下一个路口所要采取的操作;准备提示在车辆进入距路口一定范围内的区域时给出，提示驾驶员做好操作准备，注意路标、出日标记等有关交通标志。到达提示通
34、知驾驶员已经接近交叉路口，注意执行引导指令。,动态导航的另一个重要内容是车辆偏离预定的路径。处理方法：一旦系统确定车辆不再行驶在给定的路线上，系统必须先对驾驶员给出提示，同时在屏幕上只是预定目的地的相对方位，以方便驾驶员能返回原来的路径，当一段时间后车辆仍然没有回到预定路线，则重新规划一条由当前车辆位置通往目的地的最佳行车路线。,3、人机接口,一个完整的车辆导航系统，必须具有良好的人机接口，它提供用户与导航设备的交互。地图与车辆位置显示、路线规划、路线引导和其它活动的各种不同要求通过人机接口传送到计算机，并且反馈给用户。人机接口包括两个部分:输入控制部分和输出部分，其中有些接口与其它汽车电子产
35、品是兼容和共享的。（1）输出接口 输出接口是向用户提供与车辆导航功能等相关的信息手段，视频和音频接口是两种最常用和有效的手段，因此在设计输出接口时，可以采用高清晰的真彩TFT LCD显示器，车辆行进过程中某一时刻显示器提供的可视内容包括:彩色数字地图，车辆的位置点，车辆行驶方向，当前行驶的道路名称，最优路线的突出显示，路线引导过程中的文字和图像提示(如拐弯方向，重要单位等)，到达目的地和下一个提示交叉口的距离提示等等。,为了避免分散驾驶员的注意力，从而影响安全驾驶，因此系统还应该具有语音输出，并且语音输出的内容简短而有效，主要内容包括:操作提示、路线引导指令、超速提醒、当前车辆行驶道路或重要兴
36、趣点提示等。（2）输入接口在设计车辆导航系统的输入控制系统时，主要强调安全和操作方便，首先是提供多种操作控制方式，包括红外遥控、按键和触摸操作方式，任用户选择使用，其次简化各个功能的操作过程。（3）导航和娱乐共享部件近些年来，汽车信息电子设备发展迅速，它们现在已经被集成到车辆结构中，作为复杂电路的组成部分，如汽车音响、汽车VCD/DVD等，因此车辆导航系统的人机接口要求标准规范，例如视频设备既可以用来显示导航地图与信息，也可以用来显示VCD/DVD图像或者TV;存储设备既可以用来存储地图，也可以用来存储MP3音乐等。将车辆导航系统与这些汽车娱乐设备集成到一体也是汽车电子信息产品的一个发展趋势。
37、,6.4 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具有的特点：（1）利用信息点指令处理机制来实现终端的多种功能。（2）终端不需要存有地图数据，节省了大量的存储资源和运算资源。（3）路径规划在中心进行。（4）能够提供信息采集、信息服务等多种增值服务功能。（2）具备成为车辆导航器、车辆黑匣子的硬件平台的能力。,6.4.1 系统组成及原理,三大部分组成：控制中心、车载导航终端通信网以GPRS作为通信系统组成如图613所示。,控制中心主要由网络服务器、数据库、显示终端组成。完成功能：指令下载、信息点数据管理、实时监视、路径导航等功能。车载导航终端主要由嵌入式处理器模块和GPS模块、GPRS
38、模块等组成，且包含一个独特的指令系统，根据信息点指令来执行相应操作。信息点具有多种形式：位置型信息点、导航型信息点、信息服务信息点。位置型信息点的指令执行过程如下：当车载终端上的GPS模块输出的本车坐标进入存储器中某位置信息点的坐标有效范围时，该信息点指令满足执行的触发要求。中央处理器（CPU）将“向中心发送信息”作为指定的操作类型，将本车状态信息，包括当前坐标、本车速度、方向等信息作为该信息点对应的操作内容、完成该指令操作，从而完成信息采集任务。,6.4.2 系统设计1.车载终端硬件设计 主要由嵌入式处理器模块、GPS定位模块、GPRS通信模块、LCD显示模块、语音模块、电源控制模块以及扩展
39、接口模块等组成。如图614所示。核心为：处理器模块,（1）处理器模块 功能：处理器按照一定的指令类型对车载终端存储器中的现存指令集进行轮询，每个指令的触发条件与现有车载终端所掌握的本车状态进行判断。当判断某条指令的触发条件满足时，执行相应的操作。硬件组成：由嵌入式CPU芯片以及外围电路存储模块（FLASH、SDRAM）组成，FLASH 用于存放嵌入式操作系统，而SDRAM用于存放导航应用软件和指令数据。（2）显示模块功能：用户通过触摸屏进行各种个性化服务设置，路径引导线路等的显示。硬件组成：液晶显示屏以及LCD控制器组成。,（3）语音模块功能：在处理器的控制下，对文字信息转换为语音信息，通过与
40、语音接口扬声器设备播放出去，利用语音对用户进行导航和提示。组成：语音合成芯片和语音接口。（4）扩展接口模块 为实现功能扩展设计，主要由A/D转换模块构成，预留有GPIO口（可用于中断）和A/D通道，通过它们可以处理开关量的输入输出，便于以后将终端设备与车辆控制系统和防盗报警设备相连等，实现智能控制和防盗功能等。,（5）定位模块组成：GPS接收机和天线。功能：实时接收GPS卫星信号，并输出车辆定位信息，通过串行口向处理器发送定位坐标；处理器也可以向定位模块发送设置命令，以控制定位模块的状态和工作方式。（6）通信模块 功能：接收来自中心的指令，或根据中心要求上传指令。（7）电源模块硬件组成：车载电
41、瓶，电压为12V。功能：为其它提供电源。,2、车载终端软件设计,（1）系统初始化模块包括：1）硬件初始化2）操作系统3）终端外设初始化,（2）GPS接收模块 负责处理与GPS接收机的通信，并将处理过的数据通过共享内存的方式通知GUI主线程更新相关显示信息。（3）GPRS接收发送模块分为三个层次：支持层、接口层、应用层。支持层，负责屏蔽网络硬件差异、连接差异、提供类似socket层接口、提供可靠的流式传输、主要偏向于通用部分。应用层，主要是在网络层上解决针对本系统特定应用通信协议，提供协议握手、应答等，并对中心下达的命令、数据进行解释并采取相应的处理。接口层，将支持层和应用层连接起来。,（4）数
42、据接收处理模块接收处理GPS定位信息 总是保存最近的100次位置信息。接收处理中心信息分为几种情况分别处理：导航信息序列；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。,（5）数据发送处理模块 主要对如下情况处理：中心请求上传本层当前的状态，如经纬度，速度等；经过信息采集点时上传采集信息；中心要求宏观信息采集时上传采集信息；导航序列信号接收完毕和公共信息更新后上传确认信息。导航时上传车辆运行轨迹。紧急情况时上传报警信息。（6）图形显示模块导航序列显示管理个性化信息和中心交互时，终端显示交互事件，车主据此知道终端的行为。GPS失效、GPRS失效时显示报警信息；显示路
43、径引导信息，如前方左转等。,（7）数据库模块主要用来存储信息点信息、管理个性化和自制信息。（8）语音模块对要送给语音芯片的汉字或者英文字母进行编码，通过串口发送码流。（9）人机交互模块是车主与终端进行交互的最直接方式，通过触摸屏输入，主要用来对个性化信息进行存储与管理。,3、控制中心功能,（1）地图显示模块在中心电子地图上能够根据需要实时显示车辆轨迹，并可以获取位置、速度、时间等信息。（2）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类型分类存储，中心平台提供相应管理用户界面。,（3）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；（4）指令下载模块 通过GPRS通信网络实时下载信息点指令到车载终端，如，为终端提供个性化服务，对终端数据库进行更新等。（5）系统隐私保护模块中心设有车辆管理数据库，数据库中保存有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处理，这样可以保证车主的行踪不被泄漏，两种编号的对应关系只能在中心得到。,
