车载导航系统的原理及方法

车载导航系统的原理及方法朱敦尧2007年11月2日（星期五）目录•1车载导航系统的发展历史–什么是车载导航系统•2国内外的研究状况和市场发展–国际市场–国内市场•3车载导航系统的基本原理和方法–3.1车载导航系统的组成–3.2车载导航系统的功能–3.3车载导航系统的实现–3.4车载导航系统中导航应用软件的主要算法–3.5车载导航地图的主要特点•4车载导航系统的发展趋势有关术语•CarNavigationSystem：汽车导航系统•ETC：自动收费系统ElectronicTollCollection•ITS：智能交通系统IntelligentTransportationSystem•LBS：位置信息服务Location-basedService•Telematics：汽车远程服务器•VICS：道路交通信息通讯系统VehicleInformationandCommunicationSystem•MapMatching:地图匹配•Routeplanning：道路计算•RouteGuidance：道路诱导•POIRetrieval:（PointofInterest）兴趣点检索•AddressSearching:地址查询•。。。。。。第一章：车载导航系统的发展历史车载导航系统•什么是车载导航系统(打开视频文件）–汽车等移动工具上方便驾驶者安全驾驶，具有声音引导等功能的汽车电子产品•车载导航系统同其他导航产品的区别–OEM和Aftermarket的区别•按车场要求开发•开发周期和质量要求–车载导航系统和PND，手机手持导航设备等的区别•DIN标准•车规要求•消费电子类产品汽车导航系统发展历史•1986年以前的第一代–非电子化•SWISS:70年代,透明SHEET地图+机械转动(Bicycleoutdoor)•HONDA:81年,透明SHEET地图+GYRO测距(定位功能)•1986年以后的第二代（CD,DVD,HDD,FLASH,ETC）–导航系统•1987:TOYOTACROWN:根据电子匹配(自主推测航法)等技术实现现在地表示•1991:GPS导航仪自动表示现在地•1994:声音导航的实现(引导和交叉点放大图等提高引导功能)•1996:日本实现VICS(动态交通信息服务)（截止去年年底11,179,047）•1997:通过DGPS对提高现在地精度•1997:为导航提供各种服务•1998:DVD导航的出现(大数据量处理)•2000:导航通讯终端的出现–导航数据•1:25000比例尺的基础地图•日本,US和EU的基本情况–ETAK–NAVTEQ–TELEALTAS车载导航系统的发展重要里程碑1987：トヨタクラウン：エレクトロマルチビジョン自立航法による現在地の表示1991：GPSナビゲーション＜現在地表示＞1994：ボイスナビゲーション音声による案内、交差点拡大図などの機能向上1996：VICSによる道路情報サービススタート（平成13年現在３８５万台出荷。VICS資料に基づく。）1997：DGPSナビゲーションDGPSにより現在地の精度向上1997：ナビゲーション向け各種情報サービス1998：DVDナビゲーションにより情報量の増大とスピードアップ2002：HDDナビゲーション（Music，communication,movie/video,etc)パイオニアカーナビ発売SONYNVX－F１発売ＶＩＣＳITGSService開始MONETService開始iモードカーナビimapfanService開始CD-ROMベースDVDベース・本体価格：約２０万円情報料・月額：５００円・本体：３０～４０万円１９９２年１９９３年１９９６年１９９７年１９９７年２０００年情報料・月額：３００円・本体：３０～４０万円参考来源：M.Tsunoda;S.Matsumoto车载导航系统的发展历史記憶媒体記憶媒体測位測位★★DD--GPSGPS19851990200019952005★★HDDHDD（車載用）（車載用）2010第１第１代代第２代第２代第３代第３代第４代第４代第５代第５代★★HDDHDD（垂直磁気記録）（垂直磁気記録）★★ICIC记忆记忆★★大容量大容量ICIC记忆记忆★★DVDDVD★★CDCD--ROMROM★★CDCD变换变换★★GPSGPS★★自律航法自律航法HMI★★車載車載CRTCRT★★VICSVICS★★ETCETC★★ITSITS測位測位通信★★液晶液晶显示显示★★音声案内音声案内★★音声認識音声認識★★３次元表示３次元表示★★情報情報服务服务★★地図地図DBDB自動更新自動更新★★ITSITS運転支援運転支援★★DCMDCM参考来源：M.KShimada五代导航的不同特点•日本最先进：1980：模拟地图和陀螺仪，1987：CD-ROM；数字地图•1990：2万5000分1地图；地图精度提高；93年开始自律航法和GPS的混合算法；CD-ROM；数字地图，GPS，液晶显示屏•90年中期：全国地图，都市2500分一地图；DVD采用；96年：VICS登场；DVD和VICS接收机内藏一体化的机型•2001年：采用HDD（PC同样化），小型，Compact等要求；功能：CPU更快，内存给大；数据读取速度更快，可以重复读写；通讯Internet等，以及音乐服务器和数字娱乐•现在：考虑交通堵塞的道路计算，引导，画面，3D放大，大画面，高精度等，以及远距离获取他地区交通信息的功能第二章国内外的研究状况和市场发展全球的导航市场出荷台数出典：矢野経済研究所、NRI欧米のPND市場日本国内カーナビ市場新車におけるカーナビ装着率1）欧美以外的数据不全2）日本基本饱和3）中国增长最为显著4）欧美以PND为主日本车载导航的生产台数参考来源：日本国土厅网页日本VICS的生产台数参考来源：日本国土厅网页全球导航市场的预测•欧美–PND为主：突破2000万台–车载导航：年产100-200万台•日本–车载导航：接近400万台–PND/手机导航：少于30万台–摩托导航：逐步发展•中国–车载导航：接近60万台–PND/手机导航：无从统计，市场巨大•韩国–类同欧美•台湾地区–车载导航和PND市场接近，市场规模很小•其他地区–中东，南美，澳大利亚，东欧，东南亚：发展较慢全球导航的技术发展•日本绝对领先–技术专利领先–产品质量领先–汽车工业领先–地图制作发达–工业体系完备–用户极度挑剔•欧洲，韩国，台湾其后–PND发达–商业机制灵活–消费电子类第三章车载导航系统的基本原理和方法3.1车载导航系统的组成SensorCD/DVD/HDD/SDTFTDisplayRemotecontrollerCPUSystemBUSDecoderUserInterfaceSpeechLSIGraphicRendererSDRAMFlashROMSDRAMTouchPanelMainUnitDatadiskSpeakerGPSreceiverBcomReceiverWaveBcomGPSSatelliteFMwaveOpticalFMreceiver硬件构成•单片机–芯片–图形加速器•内存单元•GPS/陀螺仪/速度等其他接受传感器•TFT-LCD显示器•发声器•外存设备及驱动•通讯设备及驱动RTOS：实时操作系统•“实时操作系统”（RealTimeOS）泛指所有据有一定实时资源调度以及通讯能力的操作系统。而所谓“实时”，不同语境中往往有着非常不同的意义。某些时候仅仅用作“高性能”的同义词。但在操作系统理论中“实时性”所指的通常是特定操作所消耗的时间（以及空间）的上限是可预知的。比如，如果说某个操作系统提供实时内存分配操作，那也就是说一个内存分配操作所用时间（及空间）无论如何也不会超出操作系统所承诺的上限。实时性在某些领域非常重要，比如在工业控制、医疗器材、影音频合成、以及军事领域，实时性都是无可或缺的特性。•常用实时操作系统有QNX、VxWorks、RTLinux等等，而Linux、多数UNIX、以及多数Windows家族成员等都属于非实时操作系统。操作系统整体的实时性通常依仗内核的实时能力，但有时也可在非实时内核上建立实时操作系统，很多在Windows上建立的实时操作系统就属于此类。车载实时操作系统（1）•iTRON–日本东京大学坂村健教授开发–ITRON(嵌入式系统实时多任务操作系统规范)、JTRON(Java与ITRON的混合操作系统规范)、BTRON(计算机及手机等终端的操作系统规范体系)、CTRON(以通信控制及信息处理为目的的操作系统接口规范)及TRONHMI(面向各种电子设备的人机界面标准)等规范–为了实现更为有效的实时操作系统的嵌入式计算结构，TRON项目启动了T-Engine项目。T-Engine是为了在短时间内高效开发实时嵌入式系统而设计的，由标准化硬件结构(T-Engine)与标准开源实时操作系统核心(T-Kernel)组成的嵌入式系统的开放式标准平台。–Toyota/Honda•QNX–建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的QNX实时操作系统，实时、稳定、可靠、强壮，具有模块化程度高、剪裁自如、易于扩展的特点。–作为多任务的实时操作系统，QNX的内核只提供操作系统最基本服务，如任务间通信、同步、时钟等，再通过任务间通信将任务组织起来构成完整的系统，是名副其实的微内核的操作系统–Nissan车载实时操作系统（2）•VxWorks–VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。–VxWorks的实时性体现在能于限定的时间内执行完所规定的功能，并能在限定的时间内对外部的异步事件作出响应。因此，实时性系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合–Nissan•WCEfA：WindowCEforAutomotive6.0–更新了作为原型的WindowsCE的版本、–新增了“AutomotiveSystemTools”等（内含测量内存和CPU内核等系统资源占用量的工具)–还强化了GUI开发工具“AutomotiveUIToolkit”的功能车载实时操作系统（3）•RTLinux–RTLinux(RealTimeLinux)[1]是一种基于Linux的实时操作系统，是由FSMLabs公司（FiniteStateMachineLabsInc.）推出的与Linux操作系统共存的硬实时操作系统。–在Linux操作系统中，调度算法（其于最大吞吐量准则）、设备驱动、不可中断的系统调用、中断屏蔽以及虚拟内存的使用等因素，都会导致系统在时间上的不可预测性，决定了Linux操作系统不能处理硬实时任务。RTLinux为避免这些问题，在Linux内核与硬件之间增加了一个虚拟层（通常称作虚拟机），构筑了一个小的、时间上可预测的、与Linux内核分开的实时内核，使得在其中运行的实时进程满足硬实时性。并且RTLinux和Linux构成一个完备的整体，能够完成既包括实时部分又包括非实时部分的复杂任务–硬实时性和完备性导航系统的整体软件架构HMIToolHMIApplication(In-car,Mobile,PDA,etc)NavigationCore,Communication,PIMandOtherApplicationsDataTool(DataI/O,DataTransfer)LocationToolMapToolTraf.i