《汽车车身电气系统》第6章 汽车导航系统

汽车车身电气系统2009年10月第6章汽车导航系统•教学目的和要求•1.了解汽车导航系统的特点、分类和功能，熟悉汽车导航系统结构和原理•2.熟悉大众宝来轿车导航系统的故障诊断和检修•教学重点•1.汽车导航系统结构和原理•2.大众宝来轿车导航系统的故障诊断和检修•教学难点•汽车导航系统结构和原理•教学方法和使用教具•讲授、现场教学、实践教学、课件•教学时数•3学时•6.1汽车导航系统概述•6.2汽车导航系统的检修6.1汽车导航系统概述•6.1.1汽车导航系统的特点•6.1.2汽车导航系统的分类•6.1.3汽车导航系统的功能•6.1.4汽车GPS导航系统的结构与原理6.1.1汽车导航系统的特点•1．实现实时位置测定•2．具有自动检索与图像放大等功能•3．自动修正车辆位置•4．交通行业控制管理的重要组成部分6.1.2汽车导航系统的分类•1.汽车导航综合系统•包括单一功能的导航系统和具有汽车导航、监控、防盗、旅游、交通控制与调度等功能的综合系统。•2.汽车开环与闭环导航系统•1）汽车开环导航系统该系统是从控制中心或电台、卫星传感器等得到定位、方位、方向等信息，根据这些信息和电子地图可以定出起点到终点最短行驶距离，但汽车的信息不能返回控制中心。如果某一道路上出现塞车、交通事故，桥梁出现断裂等天灾人祸时，驾驶员是不会知道的，而汽车出现故障、被盗等问题时也无法和控制中心联系。•2）汽车闭环导航系统该系统不但有开环的所有导向等功能，而且驾驶员可以把行车实时信息不断向控制中心返回。根据中心掌握的交通及气候等综合信息及时通知汽车改道行驶，在最短时间到达目的地。在汽车出现大故障无法返回或遇到强盗等也可以报告控制中心，一方面告诉中心出现的问题，另一方面可随时报告自己的方位，以便营救。•3.无引导功能的导航系统该系统只是简单的电子地图。驾驶员可以从车上CD-ROM存储器中调出本国城镇的方位、主干道、高速公路、桥梁等交通信息，也可以通过键盘方便地找到要到达的目的地，以及要行驶路线的各种所需信息，帮助驾驶员选择行车路线，但无引导功能。•4.内部信息导航行驶系统利用电子陀螺或地磁等方向传感器(测出汽车行驶的方向)、距离传感器等制成的汽车导航系统。•5.地磁导航系统利用地磁传感器可随时测出汽车行驶方向，距离传感器测出距离，可以用电脑计算出汽车的行驶轨迹，及到达目的地的方向、剩余距离等；并可以在显示器上一一显示出来，以达到导航的作用。•6.惯性导航系统该系统的方向传感器是利用电子陀螺制成的，其他设备及功能和地磁导航系统一样。•7.无线电导航系统该系统可以分为GPS导航系统和固定电台导航系统。•1）GPS导航系统•该系统有一个较灵敏的GPS信息接收装置，可接收到卫星发射的导航信息，经过计算处理后，可以得到汽车行驶的方位、速度、到达目的地的直线距离和已经行驶的里程。如和电子地图结合起来导航功能更加完善。•2）固定电台导航系统•分为中心电台导航系统和路边电台导航系统。•（1）中心电台导航系统。一般是一个集导向、车辆监控、防盗、差分GPS的应用等综合系统，并且具有闭环导航系统的所有功能。一般几十到几百公里为半径设一个中心站。除接收GPS信息外，还收发各个车辆的导航、防盗等综合信息。可以把任一个车辆的实时轨迹显示在显示器上。较大的系统设一个中心站，下设若干个子站，每个子站带若干个车辆，以扩大监控范围和导航的车辆数。•（2）路边电台导航系统。一般是交通控制和导航于一体的综合系统。在高速公路的路边，每隔几百米到几公里设一个小功率电台，汽车上的小功率收发机可通过无线电波和交通控制中心每到一个电台交换一次信息，达到交通控制与导航的目的。6.1.3汽车导航系统的功能•1．对目的地进行最佳路线检索•2．具有瞬时再检索功能•3．提供丰富的菜单和记录功能•4．在适当时间内提供实时语音提示•5．扩大十字路口周围建筑物和交通标志功能•6．扩展功能•7．导航系统和娱乐系统部件共用6.1.4汽车GPS导航系统的结构与原理•1．GPS导航系统介绍•1）GPS导航系统组成GPS导航系统由空间部分、地面监控部分和用户设备部分组成。•（1）空间部分使用24颗高度约20000km的卫星组成卫星座，24颗卫星分布在六个等间隔轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为550每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，这样的卫星分布，可保证全球任何地区、任何时刻有不少于4颗卫星以供观测。•（2）地面监控部分包括四个监控站、一个主站和注入站，全部位于美国境内，监控部分的主要任务是监测每颗卫星的运行情况，并通过注入站及时修正卫星的有关参数，以保证整个GPS系统能正常运行。•（3）用户设备部分主要是GPS接收机，它接收卫星发射的信号，根据导航电文提供卫星位置和钟差改正信息计算用户的位置。•2）基本原理卫星导航系统是随着空间技术的发展而出现的一种空间基准的无线电导航系统。其基本原理如图6-1所示。导航卫星在围绕圆形轨道运动时，发出事先决定的图像信息。接受侧根据卫星发出信号至接收到其反射信号的滞后时间，算出接收侧与卫星的距离R。以这个距离为半径，以卫星为圆心，就形成一个球面。当接收侧同时知道三颗导航卫星的距离时，就可形成三个球面，三个球面的交点就是接收侧的位置，也就是汽车的位置。图6-1GPS基本原理•2．电子地图电子地图是现代汽车导航系统中的最基本的也是最重要的部件之一。在早期电子地图只是单一的用作地图使用并无引导作用。随着科技的发展，电子地图结合GPS技术、传感器技术等的发展，在各种先进的导航技术中已经广泛应用，上述分类中绝大部分汽车导航系统中都包括有电子地图。电子地图包括道路、地名以及各种设施。除了显示本车位置和方向外，导航信息还有已行驶轨迹、当时位置到目的地的方向和直线距离。驾驶员可通过按键输入本车位置和目的地、缩放地图的比例尺，或者选择显示CD-ROM数据库中的任意区域的地图。各种比例尺的地图显示和车辆定位是电子地图的关键技术。随着电脑技术的发展和普及，导航电子地图在人类活动中将具有深远的意义和广泛的前景。•3．汽车GPS导航系统•汽车GPS导航系统的结构如图6-2所示，主要由GPS接收天线、GPS接收机、导航计算机、可视显示器以及位置检测装置(绝对位置检测和相对位置检测)等组成。•系统根据不同的位置进行分类检测，绝对位置的检测采用GPS全球定位系统，相对位置的检测采用方向传感器(如地磁传感器、光纤陀螺仪)，并利用车轮转速传感器测量车辆行驶距离，如图6-3所示。图6-2汽车GPS导航系统结构图6-3汽车GPS导航系统原理•1）传感器•（1）罗盘传感器。罗盘传感器的结构如图6-4所示，它是一个双线圈发电机型地磁矢量传感器，由一个励磁线圈和两个垂直的线圈缠绕在具有高磁通率的圆环磁铁上组成。通过检测地球的磁场确定汽车的绝对行驶方向。图6-4罗盘传感器结构•由于上、下线圈相位相反，故垂直方向的磁感应电动势互相抵消。若用电动机转动线圈和铁心，地磁的水平分量如图6-5所示。铁心中的磁通密度产生变化，从而建立起磁场。在图6-5a位置，磁场方向朝内；在图6-5b位置，磁场强度为零；在图6-5c位置，磁场方向朝外。因此，在地磁检测线圈中，产生一个正弦交变电压，其相位由地磁场的方位决定。另一方面由光电断续器发出相位固定的脉冲信号，根据这两个输出信号的相位差，可以检测出地磁的方向。图6-5罗盘传感器原理•（2）车速传感器。车速传感器可采用与ABS系统相同的轮速传感器。汽车转弯方向上的变化可以通过左右车轮转速传感器的输出脉冲差进行检测。•（3）陀螺仪。在导航系统中通常使用陀螺仪测定汽车转弯角速度是确定汽车行驶方向的另一种方法。•①气流陀螺仪。气流陀螺仪的结构原理如图6-6所示。它是利用氮气的惯性检测方向，而不是利用地磁。密封在容器内的氮气在压电振子循环压缩机的作用下，在容器内循环。当汽车直线行驶时，氮气使两根热线均匀冷却，故两根热线温度相等。一旦汽车改变方向，氮气流由于本身的惯性而过分偏向一侧，使固定在汽车上的检测器的两热线冷却程度不等，结果产生温度差，并以电位差的形式表现。由于两热线构成电桥电路，故该输出电压即A、B两点间的电位差与汽车的偏转率成正比。图6-6陀螺仪的结构原理和电路a)结构原理b)电路•②光纤陀螺仪。光纤陀螺仪的检测原理如图6-7所示。光从光纤线圈A点入射，经向左向右两个方向回转传播，光程相同时两方向同时经过一个周期到达输出的B点。当光纤线圈向右旋转的角速度为ω，则从A点入射的同一周期左右方向传播的光程不同，右回转比左回转传播光程长，两者相差一定角度。在原输出B点测量两方向传到的光相位不同，测定两个光干涉的强度，可以确定两方向光的传播时间差(相位差)，从而计算出光纤线圈(汽车)的转向角速度ω。图6-7光纤陀螺仪的检测原理•2）LCD显示器•平板显示器发展趋势表明，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器(TFTAMLCD)是一个发展方向，因为它的每个像素都配置一个半导体开关器件来驱动，从而实现了高亮度视频图像显示，具有对比度好、扫描线多、视角宽、低反射等优点。•日本已把三基色(RGB)TFTAMLCD制定为导航用标准显示器。•3）CD-ROM驱动器•为使驱动器更快地从光盘上读取数据，快速送CPU进行处理，缩短LCD画面上频繁显示执行程序的时间和读取数据的等待时间，这里选取4倍速650MB的CD-ROM驱动器。•这样可使LCD显示效果的不连续性得到平滑，也保持了声音和图像的同步。•4）RF调制解调器和RF天线•使用RF调制解调器和RF天线接收主控中心发出的信息，同时可反控汽车，实现动态导航。通过RF调制解调器建立与交通信息系统(VICS)的联系，得到交通堵塞、道路障碍、施工、停车场情况以及交通规则变化等实时交通信息，使驾驶员作出快速反应，解决城市交通堵塞问题。•5）GPS信号接收机GPS信号接收机的结构如图6-8所示，主要由天线单元和接收单元两部分组成。•（1）天线单元。天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，GPS信号接收机一般采用全向振子天线、小型螺旋天线和微带天线。•（2）接收单元。接收单元主要包括以下部件：•①信号波道。•②存储器。•③计算与显控装置。图6-8GPS信号接收机的结构•6）导航计算机导航计算机能根据全球定位接收系统接收到的卫星信号和装在车上的传感器输入信号及存储器中的地图数据，经过计算处理后，再进行综合的图像协调，然后通过显示器将地图显示在其屏幕上，并以闪光的标志表示汽车的实时位置；而且还能指示应该行驶的方向，并不断显示出目前到达目的地的距离。通过检索键还能很方便地找到要去的目的地和最佳的行驶路线。为满足汽车导航高精度快速数据处理的要求，对导航计算机(ECU)的CPU应选择32bit(或64bit)的嵌入式实时操作的CPU。因为嵌入式CPU适合于过程控制如实时操作处理，尤其正在兴起的仿PC结构的嵌入式微处理器，它除具有嵌入式过程控制外还具有PC机的丰富软件支持，这对于高速行驶的汽车快速处理数据是非常适用的。•7）自律导航当汽车行驶在地下隧道、高层楼群、高架桥下、高山群间、密集森林等地段与GPS卫星失去联系、中断信号的瞬间，机内可自动导人自律导航系统。此时车速传感器从汽车前进的速度中检测出车速脉冲(不同车型，车速脉冲值不同，要注意修正)，通过汽车导航计算机(ECU)的数据处理，从速度和时间中直接求出前进距离。陀螺传感器直接检测出前进方向的变化和行驶状态(即汽车前进的角速度变化值)。例如，汽车行驶在勾状山道、发夹式弯路、环状盘形桥上、轮渡过河等地段时，所有这些曲线距离与卫星导航的经纬度坐标产生了误差，通过陀螺传感器的检测和微处理器的运算才能得到汽车正确的位置。•8）地图匹配器由GPS卫星导航与自律导航(包括车速传感器，陀螺传感器)所测到的汽车坐标位置数据及前进的方向与实际行驶的路线轨迹在电子地图上都存在一定误差。为修正这二者的误差，确保二者在电子地图上路线坐标相统一，须采用地图匹配技术，即在导航系统控制电路中要增加一个地图匹配电路，对汽车行驶路线(各处传感器检测到的轨迹)与电子地