|
汽车与公路设备 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
嵌入式车载导航电子地图 |
|
|
作者：清华大学 杨殿阁 卜建 郑四发 李克强 连小珉 |
|
[摘要] 本文描述了为有效提高车载自导航系统的运行效率，所建立的一套嵌入式车载导航电子地图。该地图针对嵌入式系统运行速度低，存储空间有限的特点对路网数据结构和表示方式进行了精简，采用分层模式管理地图，试验表明该地图可以很好地适合于车载导航系统。
关键词：电子地图 路网模型 汽车导航
1 引言
近些年来，车载自主导航系统得到了迅猛的发展，该系统主要是利用GPS/DR(全球定位系统/航位推算)导航定位器提供的位置、速度信息，以地理信息数据为平台，实现自主导航的车辆信息系统，它是一种为驾驶员提供信息服务的系统，它主要为使用者解决三个方面的问题：目前在哪里；目的地在哪里；如何才能抵达目的地。在此基础上，它还可以向使用者提供诸如地理环境查询、车辆状况报告、数字地图更新，甚至通讯及娱乐等功能。
在这种导航系统中，数字地图是车载导航系统的基础，导航系统的绝大部分功能都必须依赖数字地图才能够实现。同时，并非所有数字地图都适用于车载导航系统。车载自主导航系统特殊的软硬件条件对数字地图有着特殊的要求。目前，绝大多数车载导航系统的设计采用嵌入式系统方案。嵌入式系统是指将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。
这种系统具有高度自动化，可靠性高等特点，但同时由于嵌入式系统硬件的处理能力限制，这种系统的处理能力和存储空间非常有限，因而它对应用于车载嵌入式系统的电子地图要求必须具备精练的数据结构、较高的数据处理效率，能满足系统的快速反应，同时考虑导航系统要能实现自动躲避交通拥堵，还要求电子地图能够有效反映交通状况，这就是嵌入式车载导航电子地图。
2 嵌入式车载电子地图模型
嵌入式车载导航电子地图采用分层方法管理地图数据。根据交通导航应用目标，将地图数据可以归类为路网层、地物层、背景层三大类。背景类层对导航应用来讲，主要目的是起到地图的美观直观作用，方便司机定位自己的位置，在地图中属于修饰类数据，其数据精度要求较低。地物类层是为用户提供导航、寻路以及查询目的地，是导航中必不可少的辅助数据，该类数据要求数量比较丰富，覆盖面广，但对数据的精度要求不高，在地图显示时，该类数据不是完全显示，而是针对用户的需求有针对性地显示部分数据，在地图中，地物类层内的数据间不存在相互之间的逻辑关系，但这些数据之间可以通过路网层数据建立起逻辑关系。
路网层是整个地图的核心，车辆的定位导航完全依靠路网层来实现，该层数据的精度要求最高，同时该层地图还必须具备完整的数学逻辑模型，该层数学逻辑模型的好坏往往就决定了整个车载导航系统软件的效率高低。
路网层的数学模型描述的就是路网层中所有道路线和道路路口之间的数学逻辑关系。它需要解决两个问题：一是正确的描述道路网络在空间上的连通性，即拓扑关系；另一个问题是正确描述道路网络的实际连通性，即汽车是否能够从路网中的某条道路行驶到其他道路上去。
图1 显示了路网的基本元素和拓扑关系。道路交叉口、道路尽头、或者道路属性改变的地方的点都可以用节点来描述[1][2]，比如图中的节点4 代表了道路②、道路③、道路④和道路⑥交汇的地方，而节点1则代表了道路②的尽头；道路则可以用折线来描述，它实际上表述了节点与节点之间在物理上的连通关系，比如图中道路③就表示节点3 和节点4 之间的通路；折线的形状是可以通过转折处的顶点(图中黑色实心点)来描述，称这种顶点为形值点[3]。形值点结合节点，就可以描述出道路的位置和几何形状了，比如图中的道路④的位置和形状就可以用节点4、角点i、角点ii 和节点5 来描述。
图 1 路网中的基本元素和拓扑关系
有了节点和道路，就可以描述出道路网络的形状、位置以及道路间在物理上的连通关系。但是，光有这些还不足以描述实际的道路网络，因为实际的道路网络中具有各种交通限制信息。如图2，箭头方向表示汽车可以沿着此方向行驶，箭头上打×表示这个方向是禁止行驶的。则图中道路①是两个方向都能通行的，当车辆从道路①经过节点2 时，可以右拐进入道路②，也可以直行进入道路④，但是不能进入道路③，即此处是禁止左拐的；道路②是单行线，车辆只能沿着从节点2 到节点3 的方向行驶；道路③也是两个方向都能通行的，而且当车辆从道路③经过节点2 时，没有如何转弯限制，可以右拐进入道路①，也可以直行进入道路②，也可以左拐进入道路④；道路④的情况与道路①类似。
图 2 交通限制信息示意图
由此可知，交通限制可以分成两种：一种是道路本身的单行限制，另一种是交叉道口的转弯限制。
(1) 道路本身的单行限制
为了描述道路的单行信息，采用有序节点对<首节点，尾节点>的方式来描述道路的方向性，再通过在道路的属性中引入一个布尔变量B 的方式来描述道路是否为单行。称这个布尔变量B 为单行标志，若此道路为单行线，则变量为TRUE（B 值为1），反之为FALSE（B 值为0）。如图3，R1、R2 为两种基本道路类型，R2 是单行线而R1 不是。则R1 可以用< N1，N2>来表示，且B=0，表示R1 的两个方向都能通行；而R2 可以用< N3，N4>来表示，且B=1，表示R2 的方向是由首节点N3 指向尾节点N4，而且只有这个方向可以通行，反方向是禁行的。
图 3 道路单行表示方法示意图
(2)交叉道口的转弯限制
采用道路有序对的形式来描述交叉道口的转弯限制。图4 中画出了从道路经过节点到道路和的两种情况：可以通行和不能通行。从R1 到R3 是不能通行的，则采用有序对[R1，R3]来描述这个转弯限制信息，从R1 到R2 是可以通行的，不存在转弯限制。
图 4 由道路单行造成的转弯限制
综上所述，整个道路网络可以由三个集合来描述：节点集N ，道路集R 以及转弯限制集。
设路网为Rw ，则：
Rw = (N, R, ф)
其中，N 代表节点集；R 代表道路集合，其元素是有序对< n1, n2 >2，其中n1属于N，n2属于N，表示由n1到n2存在一条汽车可以行驶的有向通路。
? 代表转弯限制集集合，其元素是有序对[r1, r2]，其中r1属于R，r2属于R，表示虽然r1 和r2 在地理上是相通的两条道路，但汽车不能从道路 r1 驶向道路 r2 。
以图1 中的路网结构为例，则
Rw = (N, R, ф)
其中N = {1，2，3，4，5}；
R = {①，②，③，④}
其中①=<1，2>且B1 = 0，
②=<2，3>且B2 = 1，
③=<2，4>且B3 = 0，
④=<2，5>且B4 = 0；
ф = {[①，③]，[④，②]}
上式中：1，2，3，4，5 分别代表节点1、节点2、节点3、节点4、节点5；①，②，③，④分别代表道路1、道路2、道路3、道路4。
可以看到，采用这种方式的数学逻辑模型，不仅可以清楚地表示出道路之间的连接关系，而且能够很好地描述清楚交通限制信息，并可以实现利用单线有效表示双向行车信息。不仅能够满足导航的需要，还可以有效地压缩地图数据，提高运算效率，大大缩小地图的存储空间。使其成为真正的交通车载电子地图。
图5 车载导航系统外观照片
3 交通车载电子地图的应用
为对以上所描述的交通车载电子地图的可行性进行验证，以该方式加工了一幅北京地区（五环范围内）的地图，应用于一款导航器，如图6所示。
图6 北京地图全貌
如图6 所示为北京地区地图全貌，该图中只显示了城市主要路网，随着地图放大，地图的显示内容会随之丰富，如图8 所示。
图7 寻路结果显示
如图7 所示为在该地图上进行的寻路操作，图中以“！”图标表示出目的地（目的地），“小人” 图标表示出发点（清华大学西门），图中黑色加粗线条为最佳路径的规划结果（在实际系统中，用绿色线路代表最佳路线），图8 为在该地图上进行的导航引导操作。
图8 行车导航
4 结论
试验及实际应用证明，基于本文方法建立的北京市区数字地图信息丰富、占用空间较少、道路数据合法，可以满足地图缩放、漫游、地物查询以及寻路和导航等操作，是一种高效、实用的地图数据组织方式，适合于车载导航使用。
参考文献
1 杨殿阁，郑四发. GPS 汽车智能导航及其关键技术. 2002 中国北京国际数字化城市发展高层论坛与技术应用研讨会, 2002 中国北京 P39
2 邹旭东. 基于GPS 的车辆自主导航研究 [ 学位论文 ]，北京：清华大学，1999
3 班学钢. GPS 车辆自主导航地系统方法研究[ 学位论文 ]，北京：清华大学, 2000(end)
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/8/2005) |
对 汽车与公路设备 有何见解？请到 汽车与公路设备论坛 畅所欲言吧！
|
