嵌入式系统在车载导航领域中的应用

1、1嵌入式系统在车载导航领域中的应用引言随着社会经济的不断发展和交通量的持续增长，交通拥挤和阻塞现象日益严重， 交通污染与交通事故越来越引起社会的普遍关注， 依靠修建更多的道路、扩大路网规模已无法解决日益增长的交通需求。近年来，嵌入式的应用已经越来越广，其中，智能运输系统（ITS） 在提高道路的利用率、道路交通的安全程度和道路的舒适性上发挥了很大重要的作用， 而车辆导航系统作为智能运输系统重要组成部分所起的作用更不容忽视。2 车载导航系统车载导航系统通过将导航定位技术、地理信息系统、通讯技术以及嵌入式计算机技术结合在一起， 为汽车用户提供各种导航、地理信息及其它服务。它实现了野外踏勘、出游旅行的

2、数字化智能导航。它具有准确的地图、地理信息，清晰的行进路线。它接收GPS所传送的卫星信号, 得到车辆的即时位置，通过GPS 信号处理系统传送给主机，再配合嵌入式系统上的地理数据库， 将车辆经过的轨迹显示在显示屏上。通过安装在车上的导航系统，车主可以得到达到目的地得最短路径或者以最短得事件到达目的地的路径。如图一就是一车载导航系统图。图一2.1 车载导航系统应用GPS车辆应用系统一般分为两大类：车辆跟踪系统和车辆导航系统。它们在功能上截然不同，一种是用于车辆的防盗，一种则是用于车辆的自主导航。由于“只接受，不发射”信号是GPS是接收系统的一大特点，所以用于防盗的GPS跟踪系统就是要借助通信网络以

3、及政府配套系统给GPS车载防盗仪，提供收取使用费用的解决方案。而车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根据自己的需要有选择的购买地图数据。 2.2 车辆导航系统中的GPS定位车辆导航系统主要由控制单元(CPU ),显示单元、GPS 接收单元组成。GPS是一种以空间卫星为基础的高精度导航定位系统。在地球表面任何地区，任何时候都可以至少同步接收四颗以上的卫星信号。根据接收到的电文即可以解算出当前接收者的三维位置，从而实现全球、全天候、三维速度的信号接收和实时定位。GPS系统有24颗GPS卫星，分布在空间6个近地轨道面上

4、。如果地面接收机同时收到4颗以上的卫星信号，就能根据卫星的精确位置及发送信号的时刻，通过计算便可求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息，并送给控制单元。控制单元对这些信息进行处理，把处理后的位置坐标与存储在CD-ROM中的电子地图信息相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置，送显示单元显示，帮助驾驶确定车辆的方位，实现导航。同时还可实现路线推荐查询位置等多种功能。2.3 适合车辆导航系统的GIS建立图二地理信息系统（Geographic Information System）是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空

5、间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS条件下的地图数据库为车辆定位导航系统提供了一个存放导航信息的可视化载体。它将某些区域的地图资料信息存储在大容量的存储设备中，根据实际需要自动调出来显示，并可进行查询、平移、缩放等操作，这样就为车辆导航系统提供了车辆位置的直观、清晰的显示， 有利于提高导航系统的性能。同时可以扩展功能，实现相关信息的查询并通过文字或图像的方式显示在显示屏上。与传统的GIS相比，嵌入式GIS的特点是软件代码小、成本低、响应速度快、系统资源开销低、可靠程度高。嵌入式GIS的基本结构如图二所示。2.4 汽车自主导航工作过程（1）用户输入

6、目的地。在出发前, 用户通过系统提供的输入方法将目的地输入到导航设备中。 除了在系统显示的电子地图上直接点击选取地点外, 更多时候是输入目的地, 将目的地名称，如酒店、医院、政府办公楼等输入到系统中。根据输入设 备的不同, 可以有不同的地名输入方法。对便携式导航仪比较常见的是先选择省份，然后是选择城市，就可以在手写发直接在书写区输入需要去的地方的关键词，就能出现带有关键词的地名。而很多原装的嵌入式导航仪，地名输入是通过选择的方式来找大的地方，是按一级一级的选。（2）行驶路线的计算。汽车导航系统中至关重要的一部分是存储在光盘或内置存储器 ( 如硬盘) 中的电子地图。电子地图中存储了一定范围内的地

7、理与道路和交通管制信息, 与地点对应存储了相关的经纬度信息。汽车导航主机从 GPS 接收机得到经过计算确定的当前点经纬度, 通过与电子地图数据的对比, 就可以随时确定车辆当前所在的地点。推荐的路线将以特殊的方式显示在屏幕上的地图中, 同时屏幕上也时刻显示出车辆的当前位置, 以提供参考。 一般汽车导航系统将车辆当前位置默认为出发点, 在用户输入了目的地之后, 导航系统根据电子地图上存储的地图信息, 就可以自动计算出一条最合适的推荐路线。在有的系统中, 用户还可以指定途中希望经过的途径点, 或者指定一定的路线选择规则 ( 如不允许经过高速公路、按照行驶路线最短的原则等) 。如果行驶过程中车辆偏离了

8、推荐的路线, 系统会自动删除原有路线并以车辆当前点为出发点重新计算路线, 并将修正后的路线作为新的推荐路线。（3）行驶中的导航。如果导航系统的处理结果不能以合适的方式表现出来, 那么汽车导航也就只是一个有趣而无用的摆设而已。在车辆行驶过程中, 驾驶员必须全神贯注于驾驶, 而不能经常去查看显示屏幕, 因此, 一个实用而人性化的车辆自动导航系统应该利用语音输出,在必要的时刻向驾驶员提供提示信息。比如, 车辆按照系统推荐路线行驶到应该转弯的路口前, 语音输出设备会提示驾驶员: 300 m 后请向左转 。这样, 驾驶员根本不必关注屏幕的显示, 也可以按照推荐路线正确快捷地到达目的地。2.5 车载导航系

9、统的功能（1）导航功能使用者在车载GPS导航系统上任意标注两点后，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如用户因为不小心错过路口，没有走车载GPS导航系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹200米以上，车载GPS导航系统会根据车辆所处的新位置，重新为用户设计一条回到主航线路线，或是为用户设计一条从性位置到终点的最佳线路。 （2）转向语音提示功能车辆只要遇到前方路口或者转弯，车载GPS语音系统提示用户转向等语音提示。这样可以避免车主走弯路。它能够提供全程语音提示，驾车者无需观察起显示界面就能实现导航的全过程，使得行车更加安全舒适 （3）增加兴趣点功能由

10、于中国大部分城市都处于建设阶段，随时随地都有可能冒出新的建筑物，由此，电子地图的更新也成为众多消费者关心的问题。因此遇到一些电子地图上没有的目标点，只要你感兴趣或者认为有必要，可将该点或者新路线增加到地图上。这些新增的兴趣点，与地图上原有的任何一个点一样，均可套用进电子地图查阅等功能。 （4）定位GPS通过接收卫星信号，可以准确地定出其所在的位置，位置误差小于10米。如果机器里带地图的话，就可以在地图上相应的位置用一个记号标记出来。同时，GPS还可以取代传统的指南针，显示方向，取代传统的高度计，显示海拔高度等信息。 （5）测速通过GPS对卫星信号的接收计算，可以测算出行驶的具体速度，比一般的里

11、程表准确很多。 （6）显示航迹如果去一个陌生的地方，去的时候有人带路，回来时怎么办？不用担心，GPS带有航迹记录功能，可以 记录下用户您车辆行驶经过的路线，小于10米的精度，甚至能显示两个车道的区别。回来时，用户可以启动它的返程功能，让它领着你顺着来时的路线顺利回家。3 嵌入式技术3.1 嵌入式技术概述嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。最典型的特点是与人们的日常

12、生活紧密相关, 任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用嵌入式技术的电子产品；小到MP3、PDA等微型数字化设备；大到信息家电智能电器车载GIS各种新型嵌入式设备, 在数量上已经远远超过了通用计算机。车载电脑也属于嵌入式系统。3.2 嵌入式系统的体系结构嵌入式操作系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(OS)(要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为； 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。3.3 嵌入式操作系统和软件从上世纪八十年代开

13、始，开始出现各种各样的商业用嵌入式操作系统，这些操作系统大部分都是为专有系统而开发，从而形成了现在多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。如VxWorks、Window CE和pSOS等等。现在市场上和开发商经常使用的嵌入式操作系统和软件有：RT linux、Time Sys Linux、Windows CE、Windows CE.NET、Window NT Embedded以及Windows XP Eebedded。开发人员可根据不同的需求，选择不同的操作系统。目前，车载导航系统中经常用到RT Linux和Windows CE。3.4 嵌入式系统的软件在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实

14、现各种系统功能的关键。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了以下变化：（1）需要操作系统的支持嵌入式系统覆盖面很广，从很简单到复杂度很高的系统都有，这主要是由具体应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则，应用软件就会变得

15、过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难于保证。（2）支持多任务并具有实时性在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少，单纯通过提高处理器速度是无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。现在，多任务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。（3）强大的联网功能大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的，但在网络日益重要的今天，越来越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与因特网的连接，给系统提出了很多新的要求，系统需要支持TCPIP协议和相关实用程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。这些要求使系统变得更加复杂，需要更多的计算资源。这时就需要具

16、有网络功能的嵌入式操作系统的支持。3.5嵌入式系统的开发图三嵌入式系统是一种根据特定用途所开发的专用系统，它只完成预期要完成的功能，因此其开发过程和开发环境同传统的软件开发相比有着显著的不同。嵌入式系统开发的整个过程如图三所示。目标平台上可以运行的二进制码格式，最后再下载到目标平台上的特定位置上运行。需要交叉开发环境(CrossDevelopmentEnvironment)的支持是嵌入式应用软开发时的一个显著特点。交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主机/目标模式。 建立交又开发环境是进行嵌入式软件开发的第一步，目前常用的交叉开发

17、环主要有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是GNU工具链、目前已经能够支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多种处理器。4 嵌入式系统在导航系统中的应用车载终端是智能交通系统中关键的一环，车辆的所有信息都必须通过车载终端得到，而且车载终端还必须具备一定的处理能力，以便能够对搜集到的信息进行必要的处理，最后车载终端要能够接收并处理监控中心发出的命令。基于对车载信息终端的以上需求, 我们得出了车载信息终端必须具备的功能:(1) 对车辆位置信息进行采集，采集的方法可以使用GPS，惯性导航设备(IMU)等。(2) 对位置信息数据能够进行必要的处理。(3) 必须具备可靠的通信能力。

18、(4) 终端要具备一定的通用性。(5) 在高端应用场合， 需要能够支持显示功能，如LCD显示屏等。(6) 要实现上述的功能就必须要求终端上运行多个任务，只有运行操作系统才能支持多个任务的同时运行。总结以上功能需求可以得出下述结论，车载终端必须是：适应大容量、大范围要求具备全天候工作能力；定位精度尽可能高；具备高可靠性、准实时的通信能力；具备丰富的接口；具备强大的信息处理能力；低成本；能够迅速实现产业化。所以，车载导航因其特殊的应用场合，决定了它的实现只能采用嵌入式系统。只有嵌入式系统能满足车载台的高移动性，极低功耗，轻便性，以及某些场合的隐蔽性要求。5 嵌入式操作系统的选择在选择操作系统时，需要考虑到操作系统的目标和功能。（1）目标方便：操作系统要能够使计算机更易于使用；有效：操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源；扩展的能力：在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前提下有效地开发、测试和引进新的系统功能。（2）功能操作系统是用户和计算机的接口：能够提供程序开发、程序接口。嵌入式开发GPS车载导航定位系统两个