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汽车导航系统论文

在汽车导航系统中提供最适路径的研究和实现

摘要

在汽车导航系统中经路探索是很重要的一部分，而经路探索的目的就是提供给用户一条花费最少的最适路径。

经典的计算最适路径的方法采用的是Dijkstra算法，但当搜索范围变的很大时，效率会变的非常低。

本文是对Dijkstra算法进行改进扩展，并加入了A*算法，提形成了一个更具有实时性的改进算法，从而使探索更具有方向性。

此外，对无序经由地情况下的经路计算的几种方案进行了分析和实现，并且经过测试的数据，分析了几种方案的优点和缺点以及他们适用的场合。

为了演示改进的算法，本文设计了一个模拟导航系统的模型。

先收集一幅电子地图的道路数据，再对收集到的数据进行解析。

通过MFC绘制电子地图，用户可以通过在地图上用鼠标点击选择出发地和目的地，或者通过地点检索选择标志性建筑物设定出发地和目的地，从而可以计算出出发地到目的地之间最优路径，包括推荐道路，道幅优先，距离优先三种不同优先级的最优道路。

计算最优路径时使用的是改进算法。

关键词汽车导航系统；Dijkstra算法；电子地图；路径

ResearchandRealizationofOfferingtheBestRouteinAutomobileNavigationSystem

Abstract

RouteProductionisaveryimportantpartintheCarNavigationSystem,andthepurposeofRouteProductionistoprovideaminimum-costpathtousers.TheDijkstramethodisawell-knownalgorithmforfindingtheoptimumpathintheshortestpathsearchproblems.Thetimebecomesremarkablylongwhenthesearchscopeisbroad.Inthispaper,itproposesamethodwhichextendstheDijkstramethodforreal-timeproblems.Inaddition,casesofdisorderthroughtothecalculationbywayofseveraloptionswereanalyzedandrealized.Aftertestedalotofdata,thepaperhasanalyzedanumberofprogramstrengthsandweaknessesaswellastheirapplicationofoccasions.

Todemonstratetheimprovedalgorithm,thepaperhasdesignedamodelofRouteProductionintheCarNavigationSysteminthispaper.Firstofall,theusermustcollectthedataoftheelectronicroadmapandanalyzesthedata.ThenthesystemhasusedMicrosoftVisualC++6.0MFCtodescribethemap.Finallytheusercanclickthemouseonthemaptochoosethestartingpointandthedestination,orselectlandmarkbuildingstosetthestartingpointandthedestination.Thesystemcancalculateanoptimalpathbetweenthestartingpointandthedestination,includingtherecommendedroad,theroadofamplitudepriority,andtheroadofdistancepriority.Thesystemhasusedtheimprovedalgorithmtocalculatetheoptimalpath.

KeywordTheAutomobileNavigationSystem;DijkstraAlgorithm;TheElectronicMapRoute

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目录

摘要

Abstract

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2课题研究意义3

1.3论文安排3

第2章相关技术介绍4

2.1什么是汽车导航系统4

2.2汽车导航系统的组成4

2.2.1车辆定位（VP）4

2.2.2路径引导（DG）6

2.2.3路径计算（RP）7

2.2.4地图显示（MAP）8

2.2.5信息检索（NOTE）8

2.2.6人机界面（HMI）9

2.3RP具体介绍10

2.4导航术语13

第3章需求分析14

3.1任务概述14

3.1.1任务目标14

3.1.2系统运行环境需求14

3.2系统功能需求14

3.2.1地图功能14

3.2.2经路计算功能15

3.2.3经路学习功能19

3.3数据库需求20

3.4系统用例分析21

3.5软件主要性能指标要求22

3.6本章小结22

第4章系统概要设计23

4.1系统构成23

4.2经路探索模型构成24

4.3界面设计（HMI）25

4.3.1设计要点25

4.3.2HMI所属类一览25

4.3.3对象生命周期说明25

4.3.4外部依赖一览25

4.3.5MFC技术简介27

4.4APPLICATION的MAP模块设计27

4.4.1设计要点27

4.4.2MAP所属类一览28

4.4.3对象生命周期说明28

4.4.4对外接口概要28

4.5APPLICATION的RP模块设计29

4.5.1设计要点29

4.5.2RP所属类一览29

4.5.3对象生命周期说明29

4.5.4外部依赖一览30

4.5.5对外接口概要30

4.5.6RP探路功能处理概要31

4.6APPLICATION的RL模块设计32

4.6.1设计要点32

4.6.2RL所属类一览32

4.6.3对象生命周期说明32

4.6.4对外接口概要33

4.7DATA.h数据结构说明34

4.8公用Library库说明36

4.9数据结构说明39

4.9.1背景数据的构成40

4.9.2道路数据—C_RPDATA.DAT40

4.9.3经路学习数据—C_RLDATA.DAT41

4.10本章小结42

第5章系统详细设计43

5.1CRpMoudle类详细设计43

5.1.1成员变量43

5.1.2私有成员函数44

5.1.3公有成员函数47

5.1.4主要函数流程图一览48

5.2CRlMoudle类详细设计51

5.2.1类的成员变量51

5.2.2类的私有成员函数51

5.2.3类的公有成员函数51

5.3CMapMoudle类详细设计52

5.3.1类的成员变量52

5.3.2类的公有成员函数52

5.4本章小结52

第6章系统实现53

6.1系统功能实现53

6.1.1总体界面展示53

6.1.2地图功能实现55

6.1.3经路计算功能实现56

6.1.4经路学习功能实现60

6.1.5驾驶引导功能实现62

6.2系统测试63

6.3无序经由地实现的两种方案的最优解测评报告63

6.4经路计算性能分析报告64

6.4.1测试一64

6.4.2测试二65

6.5本章小结66

结论67

致谢68

参考文献69

附录70

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绪论

课题背景

汽车的发明大大延伸了人类个体交通的范围，形成了支撑世界经济的汽车工业和服务业，促进了以高速公路为代表的现代道路网的形成，汽车文明已经成为现代化社会的标志之一。

汽车也给我们带来了诸多的问题。

交通是否拥堵，已经成为今天大中城市居民每天都要关心的问题，也已经成为制约社会和经济正常运转的因素之一。

解决车和路的矛盾，常用的有两个办法：

一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。

但是这两个办法都有其局限性。

长期以来，国外无一例外地采取了大量修筑道路基础设施的办法。

但是，面对越来越拥挤的交通、有限的资源和财力以及环境的压力，再大量修筑道路已经十分困难。

科学家们发现，在交通高峰时期，中心城市道路系统和国家高速公路系统并不是全都发生交通拥堵，有相当一部分道路仍然很畅通，如果能够及时地将道路网的交通信息告诉驾驶员，并提示他们绕行那些路段，则道路网的资源就可以得到充分利用。

但在当时，如何采集主要道路上的实时交通状况数据、如何传输和处理这些数据、如何将信息传给道路的使用者等等一系列问题都无法解决。

到了上世纪的80年代末，电子技术、通信技术和计算机技术得到了充分的发展，科学家们发现，将电子信息技术越来越多地引入运输系统，不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、高速公路收费系统等方面都会产生巨大的影响。

他们不断扩大研究、开发和试验的范围，逐步在应用电子信息技术提高交通运输的效率和安全性方面形成了一个专门的领域——“智能交通系统”，英文为IntelligentTransportSystem，简称ITS[1][2]。

要实现交通系统的智能化，需要对整个交通系统都要进行信息化的改造，而对作为道路网主要使用者的机动车而言，目前比较普遍的做法是加装汽车导航定位系统[3]。

探索在美国的发展历史。

最早的包含有电子元件的汽车导航仪器是美国研制的车辆记程表。

这种仪器用磁罗盘测量车辆的航向，用轮速测量车辆行驶过的距离，再用机械计算机解算出车辆的位置。

六十年代末期，美国公路局研制的电子线路引导系统（ERGS）则采用了另外一种技术体制，它在关键地点的路面下埋有环状感性天线，车辆经过时即可知道自己的瞬时位置。

1993年在佛罗里达的奥兰多进行的ITS试验，所用的车辆导航设备是TRAVETEK，TRAVETEK用了推算导航、地图匹配和GPS。

日本于1973年在政府资助下开始了为期6年的ITS路线引导计划，所采用的技术方案是埋在地下的电感环行天线，只是试验的规模比当年的电子路线引导系统大的多。

1981年有许多公司在国内市场上推出了第一代车辆导航系统，这些系统放弃了依赖埋地天线的方法而采用了车辆独立定位的方案。

它们都以推算导航作为导航器，能给出用户的大概位置和路线。

1989年生产的日产车セドリック采用了地图匹配技术。

这是把通过推测航法算出来的车辆的行驶轨迹和存放在CD-ROM里的道路形状相比较，找出自车的行驶道路，确定自车位置的技术。

1990年的马自达采用了GPS（GlobalPositioningSystem：

全球定位系统）[4][5]。

1991年丰田第一次安装了自动计算到目的地为止的经路的路径引导功能，通过它产生了汽车导航的2个基本功能。

这时，作为定位技术采用的有推测航法，地图匹配，还有用GPS补正绝对位置的混合航法，使自车位置精度得到了显著的提高。

1992年的丰田上采用了通过声音进行路径引导的方法，使导航使用起来更加容易。

同时在销售市场（后装产品市场）上，从1990年开始音响机器厂家、家电厂家陆续加入了这个市场。

市场销售产品的特征是，为了使安装产品和车辆方面的电线接线变得容易，只利用GPS的定位和陀螺仪Scope特别是使用震动陀螺仪的推测航法成了主流。

在欧洲，主要是德国，车辆导航的起步比日本晚些。

七十年代末由BOSCH公司和大众汽车公司联合研制出ALI路线引导系统，它采用的技术与ERGS类似，即在车辆走进时检测车载设备并与之进行通信。

BOSCH公司于1983年演示了车辆独立导航与引导系统EVA，该系统使用推算航位＼地图匹配技术，1989年与美国ETAK公司合作研制成了Travelpilot，于1991年推入市场[6]。

我国自20世纪80年代已有一些大学和研究机构在研究这一系统，但没有形成产品，整体上落后于欧美日。

目前还处于市场上已有了几款具有导航系统的车辆，规模还较小，但许多厂商都开始研发这一系统，未来将是新的潮流。

汽车导航系统已经在发达国家得到较广泛的应用。

当今汽车导航最发达的国家是日本、美国和欧洲。

日本最早从1992年开始大规模应用GPS导航系统，从1996年开始汽车导航系统进入快速发展期，截止到2002年6月已累计销售达到962万台。

目前年销售量维持在几百万套，超过60%的新车出厂时就已安装了汽车导航系统。

在欧洲，2002年汽车智能导航产品的销售量为200万台；在美国，预计2005年汽车智能导航产品的年销售量将超过150万台，到2010年将达到1100万辆。

在我国，汽车导航系统的产品也已经开始上市[7][8]。

课题研究意义

随着城市交通系统的日趋复杂及车辆的增多，汽车导航技术有着重要的应用前景，更大的方便人们日常生活。

随着生活的日益富裕，汽车进入寻常家，城际间的路网日趋复杂和大都市内部立体交通网络的建设，汽车导航的应用是必不可少的，同时也会给行人带来更大的方便。

谈到汽车导航的今后的动向，也可以想象随着社会基础设施的不断整备，车辆内外情报的多样化、复杂化也会不断推广。

与此同时，车辆内的情报化的急剧的推进，和基础设施相连接的功能如动态路径引导（依据实际的交通情报的路径引导）等的安装也会逐渐一般化。

当今先进的车辆导航系统将GPS、惯性导航元件、TV、CD、AM/FM、视频影碟、通讯终端等装置和功能集成在一起，除了具备传统导航功能以外，还可以通过导航设备控制空调、电话、TV等设备，甚至可以进行Internet信息访问，导航设备的已经逐渐的发挥车载信息平台的作用。

论文安排

本文在第二章中首先对整个导航系统中做了一个整体概括，包括导航系统的组成，设计的基本流程等，再对RP模块作了一些详细介绍。

在第三章中我们对系统进行了概要设计，明确了问题的定义，然后对系统进行了需求分析，以及开发环境的确认。

在第四章中，我们对整个模型的进行了详细设计，在对上一章中划分出的各个模块，以及各个模块之间的接口进行了具体的描述，对重点的核心方法进行了流程图方式的设计。

在最后，介绍了本次课题的成果，并对本次课题研究过程中遇到的一些问题进行了总结。

本文研究的内容是对如何根据用户选择的开始点和结束点及经由地而找出一条最优经路。

目前汽车导航系统中的经路计算模块主要采用了迪杰斯特拉算法和A*算法相结合的一种算法。

其中A*算法时探索具有方向性，在地图数据比较庞大，道路很多的情况下对算路的效率提高很有帮助。

另外本文进行了无序经由地实现的两种方案的探索，意在找出一种探索性能和探索结果都能尽如人意的实现方式。

相关技术介绍

什么是汽车导航系统

汽车导航系统，是一种车载电子设备，它除了能够显示电子地图和确定自车位置外，还能够进行信息查询和规划到达目的地的最优路径，并能引导车辆驾驶者到达目的地，从而提高道路通行效率[9]。

汽车导航系统的组成

汽车导航系统可分为人机交互界面（HMI），经路计算（RP），路径引导（DG），车辆定位（VP），地图描画（MAP）以及底层的数据。

下面分别介绍这几个模块。

如图2-1所示：

图2-1导航系统的组成图

车辆定位（VP）

车辆定位VP（VehiclePositioning），VP是一个测量系统和测量数据处理系统，他能提供车辆地理绝对位置（经纬度）和车头方向等，是汽车导航系统的基础[10]。

VP是由GPS/DR/MM组合定位。

如图2-2所示：

图2-2GPS/DR/MM组合定位结构图

1．GPS：

GPS系统由空间卫星星座、地面监控站和用户设备（GPS接收机）组成。

利用到达时间（TOA—timeofarrival）测距以确定用户位置。

GPS所能提供的信息有：

地理绝对位置（WGS84坐标系内的经纬度）、高度、运动方向、瞬时速度、当前时间和定位精度因子。

当然，GPS定位也存在很打的误差，主要包括：

卫星误差、传播误差和接收误差。

其中传播误差有：

电离层延迟、对流层延迟、多路径误差、相对论效应误差、地球自转效应误差。

接收误差有：

观测噪声误差、内时延误差等。

2．DR推算：

DR推算通过安装在车辆上的方位传感器和距离传感器求得行驶轨迹，求得车辆的相对位置。

它的主要功能是计算车辆的相对位置。

车辆传感器包括：

Gyro（陀螺仪）负责测量车辆的瞬时角速度；Odometer（里程脉冲）车轮旋转一周会产生固定个数的里程脉冲，因此可根据车轮半径计算得出车辆的走行距离。

驱动程序每个固定时间会产生传感器的采样数据，其中包含Gyro的电压值和Odometer的脉冲个数，从而推算出车辆走行的相对位置。

当然，DR推算也会存在误差，包括：

Gyro误差，Odometer误差，程序计算误差和坐标系转换误差等。

其中，Gyro误差有：

零偏误差、刻度系数误差、陀螺仪输出值噪声等。

Odometer误差有脉冲系数误差等。

程序计算误差有：

字长、数据类型等。

3．MM（MapMatching地图匹配）：

将GPS和DR推算得出的车辆经纬度、方向、车辆行驶轨迹和电子地图里的道路数据进行比较，得出车辆正在行驶的道路和绝对位置。

地图匹配的误差包括：

地图的误差和匹配过程带来的误差。

4．GPS、DR、MM三种定位方法的特点比较：

GPS，输出地理绝对位置和车辆运动法相，误差在一定范围之内—但其定位误差中的粗差比较打，且定位效果受地形的影响很打，灵台停车时无法输出方向；DR推算，输出相对位置，短时间内误差不大，但长时间的误差累计也不容忽视，另外其精度受传感器参数的影响较大；MM，可在一定程度上消除DR推算累计的误差并为以后的DR推算提供一个好的初始位置，而且可以给用户一个比较好的视觉效果—但受地图精度的影响较大。

路径引导（DG）

相信每个人都有迷路的经历，当你徘徊在十字路口时，你需要的可能是一张地图，当你在地图上找不到参照物的时候，你需要的是一个能告诉你正确道路的好心人，但对于一个Driver来说，在驾驶期间无论是查阅地图，还是问路都是一件既危险又麻烦的事。

DG（DriverGuidance）所作的事情就是在你对行进方向感到迷惑的时候，告诉你正确的行进方向，以及提供给用户安全，准确到达目的地的动态和静态信息[11]。

DG主要功能：

1．RG（RouteGuide）向驾驶者提供沿经路的诱导。

2．AG（AroundGuide）向驾驶者提供自车周边的诱导。

路径引导功能是首先是从对于被设定的目的地用箭头只显示方向的功能开始。

其次是开发了自动算出引导路径的自动路径探索功能，基于被输入进去的路径引导到目的地为止的引导功能，现在发展到了把这两个功能组合起来的引导功能上。

1．自动路径检索功能：

自动路径检索功能是根据所给的目的地和检索备件，加上地图CD-ROM中保存的数据（静态情报）、还有从外部得到的动态情报，自动算出推荐给驱动器的路径的功能。

检索条件有是否把收费道路作为优先、是否设定通过点等。

静态情报有道路网络、道路单一方向通行或交叉点通行规则、道路宽度、道路种类、收费道路、道路结构、状况等。

动态情报有封闭交叉斜路（Ramp）等通行规则情报、表示道路拥挤程度的阻塞情报。

2．路径再检索：

路径再检索是因driver的错误脱离了路径时，为回到原来的路径而瞬间检索现在地周边的功能。

而且，发展此功能的功能有，检索出车辆脱离了路径并自动进行再检索的autoreroute。

3．各路径检索：

各路径检索是根据检索时动态的起动已有路径中使用的道路cost，计算出和已有经路不同路径的功能，能选择适合驾驶员爱好的路径。

4．迂回路径再检索：

迂回路径再检索是行驶在路径上时计算出短区间迂回眼前阻塞的路径的功能。

但是很难只用静态情报高精度的对应根据其状况而变化的阻塞区间。

所以现在考虑如ATIS或VICS利用由基本设施提供的动态情报的回避阻塞的检索功能。

5．路径引导功能：

路径引导显示功能是指导使驾驶员安全、快速的且放心的到达设定目的地。

路径引导显示方法中有表示路径概要的路径全体图或路径模式图、为减少看画面而进行的声音引导、表示用声音不能表达好的分岔交叉点详细情报的交叉点扩大图、高速行驶时简单明快的引导方便面板名称显示等。

路径计算（RP）

路径计算RP（RouteProduction/RoutePlanning）就是在给定自车位置和目的地的情况下，按照用户设定的不同条件，计算出一条或多条从自车位置到目的地的花费（根据用户的设定，可能是指时间，费用等）最少的最优路以供用户使用[12]。

RP是导航系统最基本的功能，如果失去经路计算功能，一切华丽的界面都是空壳，所以，RP显得尤其重要。

在目前中国导航系统（NAVI）中，RP的定位是DG的子模块（Component），所有的计算要求必须通过DG的触发才能够实现，也就是说，RP的一切动作的来源都是DG，如果没有计算请求，RP自身不去主动算路。

根据以上描述可以看出：

提供两个地点间的推荐经路是RP的主要功能。

1．通常经路计算：

根据用户设定的2点（始点/终点）为基础，由始点和终点双方向扩展出可以通行的道路网（Network），然后从扩展出的道路网（Network）中提取相应于探索条件的经路。

2．Reroute计算：

当车沿着最优路行使，并开始偏离于最优路时，通过RP计算，重新计算出一条从当前自车位置到目的地的经路。

3．迂回经路计算（Detour）：

车辆行驶在最优路上，当前方某处的道路出现堵塞或其它交通不通畅情况时，根据当前的最优路，重新计算出一条与原最优路不同，并且绕过前方地段的经路。

4．先行探索（预探索）：

为了提高RP探索的性能，当满足一定条件时（条件对RP来说是透明的，因为RP只是接受外部的探索要求），预先进行的探索，并把探索结果数据记录下来，当真正探索开始后利用，从而缩短经路计算所需的时间。

5．Recovery探索：

根据用户设定的探索地点和探索条件，为了能够提供最优经路的经路计算功能，通常探索失败后，放宽经路的最终质量以及探索时间性能，以计算成功为目的，再一次进行探索。

不是独立的经路计算。

当通常的探索失败时，RP并不马上向外部通知探索失败，而是在RP内部考虑失败原因后再次进行探索。

这个过程对RP外部是透明的。

6．经由地Smooth处理：

当计算包含经由地的经路时，对两段经路之间要进行连接平滑的处理。

7．自车位置先行距离推定：

当车辆行使过程中进行经路计算，RP预测计算完成时的实际自车位置，并通过ShapeLink将计算开始和计算终了时不同自车位之间的经路补充完全，已达到经